Gestaltung und Optimierung von Kühlstrukturen in Kompaktachsen auf Basis simulierter 3D-Temperaturfelder

Motivation

Die Dezentralisierung und Modularisierung von Antrieben ist in verschiedenen Industriezweigen wie Werkzeugmaschinenbau, Fahrzeugbau, Kunststoffverarbeitung, additive Fertigungstechnologien von großer Bedeutung, um die Flexibilität, Anpassungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz zu erhöhen und eine bessere Leistungsoptimierung zu erreichen. Dazu werden zunehmend Kompaktachsen eingesetzt. Kompaktachsen weisen aufgrund hoher interner Wärmeverluste und großer Temperaturgradienten eine geringe Wärmeabfuhrkapazität auf, was zu einer verkürzten Lebensdauer und einem erhöhten Wartungsaufwand führt. Derzeit gibt es keine Werkzeuge für eine effiziente Auslegung und keine Methoden, die den Wärmehaushalt von Kompaktachsen sowohl in der Konstruktionsphase als auch unter Betriebsbedingungen berücksichtigen.

Ziel des Projektes

Ziel des Projektes ist die erfolgreiche Entwicklung einer Methodik zur effizienten Modellierung und Berechnung des Wärmehaushalts von kompakten Linearachsen und deren Kühlstruktur. Dabei sollen thermische Wechselwirkungen zwischen Fluidkreisläufen und Struktur, relativ bewegten Strukturen und der Umgebung berücksichtigt werden können. Die Methode soll die Modellierung des zeitlichen und räumlichen Temperaturfeldes kompakter Achsen in Abhängigkeit von den auftretenden thermischen Lasten (Wärmequellen und Kühlung) unterstützen. Sie soll es dem Anwender ermöglichen, auf einfache Weise thermische Modelle von elektrohydraulischen Achsen (EHA) und elektromechanischen Achsen (EMA) sowohl in der Konstruktionsphase als auch für die spätere Betriebsphase zu erstellen.

Lösungsansatz

Methoden und Werkzeuge des SFB/TR 96 zur effizienten Simulation fluidtechnischer Komponenten und Gesamtsysteme, zur thermo-energetisch intelligenten Temperierung von WZM-Gestellen sowie zur schnellen und hochaufgelösten Simulation relativ bewegter Baugruppen von Maschinen mit Hilfe der Modellordnungsreduktion bilden die Grundlage für o.g. Zielstellung. In diesem Projekt werden diese Ansätze erstmals zusammengeführt und auf das thermische Verhalten von Kompaktachsen übertragen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Kopplung von Strömungssimulation mit Wärmetransport und Temperaturfeldberechnung in reduzierten Strukturmodellen zur hochaufgelösten Abbildung des Wärmeaustausches zwischen Strukturkomponenten und Fluidsystem. Die Umsetzung erfolgt exemplarisch an je einer elektrohydraulischen Achse (EHA) und einer elektromechanischen Achse (EMA) mit und ohne aktive Kühlung der Bosch Rexroth AG.

Herausforderung

Eine zentrale Herausforderung ist die Zusammenführung der verschiedenen Simulationsdomänen. Grundsätzlich beeinflussen alle Achskomponenten das thermisch-energetische Verhalten, was zu sehr umfangreichen Modellen führt. Jede Nutzergruppe stellt jedoch unterschiedliche Anforderungen an die Modelleigenschaften. Komponentenentwickler benötigen eine genaue Kenntnis des Wärmehaushalts unter Prozessbedingungen und eine schnelle Berechnung verschiedener Lastzustände. Dabei geht es einerseits um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung des Temperaturfeldes, andererseits aber auch um die Analyse einer Vielzahl von Konstruktionsvarianten für lang andauernde Belastungszustände. Der Maschinenhersteller wiederum benötigt die Integrierbarkeit des Komponentenmodells in ein Gesamtmaschinenmodell. Dies erfordert softwareunabhängige Schnittstellen, schnelle Berechenbarkeit und geringen Speicherbedarf.

Lösungsweg

Als Integrationsobjekte für die Modelle dienen seriennahe EHA und EMA mit und ohne Kühlung. Als Grundlage für die Parametrierung und Verifikation der Achsmodelle wird das thermische Verhalten der Achsen zunächst messtechnisch erfasst (AP1). Aus den experimentellen Daten und den von Bosch Rexroth zur Verfügung gestellten Achskonstruktionsdaten werden in AP2 detaillierte, domänenspezifische Teilmodelle der Integrationsobjekte entwickelt. Als Basis für Analyse- und Betriebsmodelle werden die Teilmodelle durch Kopplung zu einem detaillierten Gesamtnetzwerkmodell in der digitalen Blocksimulation zusammengeführt (AP3). Aus dem Gesamtmodell wird ein detailliertes Achsmodell für entwurfsbegleitende Analysen abgeleitet (AP4). Anschließend wird die Modellierungs- und Simulationsmethodik anhand von thermoenergetischen Analysen bewertet. Abschließend werden die Kompaktachsenmodelle hinsichtlich ihrer Eignung für die Überwachung im Betrieb evaluiert.

Ergebnisse

Das angestrebte Ergebnis ist eine effiziente und flexible Methodik zur virtuellen Analyse und Auslegung des thermischen Haushaltes von Kompaktachsen einschließlich ihrer Kühlstruktur. Diese ermöglicht:

• eine schnelle Berechnung von Modellen für verschiedene Fragestellungen in der Entwurfs- und Betriebsphase mit hohen zeitlicher und lokaler Auflösung des Temperaturfeldes,
• akzeptable Temperaturabweichungen von 5-10 % vom Absolutwert (ausreichend für Analyseaufgaben),
• Charakterisierung beider Achstypen (EHA, EMA) im gesamten Lastbereich,
• eine Beschleunigung der Berechnungen auf Modell- und Softwareebene um ca. 50 %,
• eine Reduzierung des Modellierungsaufwandes um bis zu 40 %.

Aktueller Stand

Derzeit erfolgt die Modellierung der EMA und EHA. Parallel werden die entwickelten Versuchstände gefertigt und montiert.

Kontakt

© Crispin-Iven Mokry

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Name

Herr Dr.-Ing. Holger Rudolph

Experimentelle und numerische Maschinenanalyse

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Organisationsname

Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen

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