Analyse, Modellierung und Berücksichtigung der thermischen Wirkzusammenhänge bei der Auslegung und Optimierung von Antriebssystemen mobiler Arbeitsmaschinen
Aufgabe / Zielsetzung
Mobile Arbeitsmaschinen sind aufgrund ihres breiten Anwendungsspektrums vielfältigen Umgebungs-, Betriebs- und Einsatzbedingungen ausgesetzt, welche alle in der Auslegung der Geräte beachtet werden müssen. Ein maßgeblicher Einflussfaktor dabei ist das Temperaturverhalten, welches sich auf die funktionale und energetische Charakteristik auswirkt. Bisher basiert die Bewältigung thermischer Herausforderungen in der Systementwicklung zumeist auf Erfahrungen sowie umfangreichen, zeitaufwendigen und kostenintensiven Prototypmessungen. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung fundierter Methoden und die Entwicklung praktikabler Werkzeuge, um die thermo-energetischen Wechselwirkungen in Antriebssystemen mobiler Arbeitsmaschinen bereits während der Auslegungsphase zugänglich zu machen.
Lösungsweg
Aufbauend auf einer detaillierten Analyse des Maschinenantriebssystems des Versuchsobjekts „Grüner Radlader“ hinsichtlich wesentlicher thermischer Quellen und Senken werden Subsysteme abgeleitet und als Teilmodelle mit Hilfe analytischer thermischer Parametrierungsansätze modelliert. Auf Basis spezifischer experimenteller Untersuchungen werden diese validiert und zu einem Gesamtmodell zusammengeführt. Mit Hilfe des Gesamtmodells erfolgt eine modellbasierte Analyse des thermischen Haushalts der Maschine. Abschließend werden die Parametereinflüsse sowie das Optimierungspotential hinsichtlich der Kühlleistung mittels einer Variationsstudie ermittelt.
Ergebnisse
Im Forschungsvorhaben können mit Hilfe der experimentellen und modellbasierten Analyse wertvolle Erkenntnisse zur Parametrierung und Herausforderungen in der Modellierung thermischer Systeme erzielt werden. Neben dem großen Einfluss analytisch nicht vorhersagbarer lokaler Lufttemperaturen auf das thermische Gesamtmaschinenverhalten, kann weiterhin die zwingende Notwendigkeit detaillierter temperaturabhängiger Komponentendaten aufgezeigt werden. Aufgrund langer Rechenzeiten herkömmlicher Simulationsmethoden wird eine neue Berechnungsmethodik dargestellt, welche durch eine 400-fache Verkürzung der Simulationsdauer eine wirtschaftlich effiziente Alternative für die modellbasierte Analyse und Optimierung des thermischen Verhaltens mobiler Arbeitsmaschinen darstellt.
Das IGF-Vorhaben 20993 BR/1 der Forschungsvereinigung Forschungs-kuratorium Maschinenbau e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Der Schlussbericht des Vorhabens kann über das Forschungskuratiom Maschinenbau e.V. (http://www.fkm-net.de) bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de).