Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analyse, Modellierung und Berücksichtigung der thermischen Wirkzusammenhänge bei der Auslegung und Optimierung von Antriebssystemen mobiler Arbeitsmaschinen

Die Temperaturverteilungen im Antriebsstrang mobiler Arbeitsmaschinen beeinflussen deren funktionale und energetische Charakteristik im hohen Maße. Verschleiß und Lebensdauer vieler Konstruktionselemente hängen von den Betriebstemperaturen ab. In Extremfällen führen überhöhte Betriebstemperaturen zur Schädigung elektronischer Komponenten. Die beschriebenen Phänomene verschlechtern nicht nur die Wirtschaftlichkeit mobiler Arbeitsmaschinen, sondern beeinflussen die Funktionalität in enormem Maße.

KMU aus dem Bereich mobiler Arbeitsmaschinen legen ihre Maschinen für ein breites Einsatzspektrum aus. Bisher erfolgen die Maschinen-, System- und Kühlsystemauslegung erfahrungsbasiert. Einsatz- u. Betriebsspezifika können aufgrund komplexer Wechselwirkungen nicht in ausreichendem Maße berücksichtigt werden. Da genaue Parameter weder für Verlust- noch Kühlleistung bekannt o. auch ermittelbar sind, erfolgen Inbetriebnahme und Anpassung üblicherweise erst im Prototypenstadium an realen Maschinen.

Das beantragte Projekt hat zum Ziel, Methoden zu erforschen und Werkzeuge zu entwickeln, um die thermischen Wechselwirkungen in Antriebsystemen bereits während der Auslegungsphase zugänglich zu machen. Der vorab ermittelbare Thermohaushalt dient der Bestimmung der erforderlichen Kühl- oder Heizleistung und zielgerichteten Dimensionierung.

Kern der Herangehensweise sind thermo-funktionale u. -energetische Modellbeschreibungen, welche eine Verknüpfung zwischen geometrischen Komponentenmodellen, räumlicher Anordnung und ein- bzw. ausgetragenen Leistungsanteilen herstellen. Im Ergebnis entstehen beispielhafte Komponentenbibliotheken und noch wichtiger eine Methodik zur Formalisierung der Analyse und Berechnung thermischer Wirkzusammenhänge mobilhydraulischer Antriebssysteme. Eine beispielhafte Anwendung an einem komplexen Antriebssystem zeigt sowohl Notwendigkeit und Leistungsfähigkeit als auch Grenzen der Herangehensweise u. damit weiteren Forschungsbedarf auf.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Vorhaben wird eine Methodik aufgezeigt, wie das thermo-energetische Verhalten mobiler Arbeitsmaschinen basierend auf einer messunabhängigen Parametrierung für gegebene Arbeitszyklen abgebildet werden kann. Mit Hilfe messtechnisch erfasster Daten des Versuchsobjekts wird weiterhin eine experimentelle Analyse des thermischen Verhaltens der Maschine durchgeführt. Neben den belastungsbedingten Unterschieden in den Öltemperaturverläufen der einzelnen Subsysteme wird ebenfalls das räumlich aufgelöste Verhalten der Lufttemperaturen in der Maschine gezeigt, welche einen maßgeblichen Einfluss auf die Modellgüte haben. Zur modellbasierten Abbildung des thermischen Haushalts wird ein thermo-hydraulisches Modell mit einem thermischen Netzwerk erstellt. Es wird dargestellt, dass das Systemsimulationsmodell trotz teils starker Vereinfachungen aufgrund der transienten Berechnungsmethodik sehr rechenintensiv, langwierig sowie für Optimierungen oder Variationsrechnungen und dadurch für die industrielle Anwendung impraktikabel ist. Aufgrund dessen wird eine neue Möglichkeit zur Berechnung des thermischen Gleichgewichts auf Basis eines thermischen Netzwerkmodells entwickelt. Diese ist in etwa 400 mal schneller als die klassische Variante, reagiert jedoch sehr sensitiv auf Modellierungsfehler. Die neu entwickelte Berechnungsmethodik erlaubt gerade KMUs eine effiziente Analyse und Optimierung des thermischen Haushalts ihrer Maschinen innerhalb der Auslegungsphase. Die Theorie der Methodik ist im Abschlussbericht dargestellt und steht somit der industriellen Anwendung zu Verfügung. Auf Basis einer Variationsstudie werden abschließend die Einflüsse ausgewählter Parameter auf das thermische Gesamtmaschinenverhalten aufgezeigt und Empfehlungen für eine praktikable Parametrierung thermischer Modelle mobiler Arbeitsmaschinen sowie für die Optimierung der passiven Kühlung abgeleitet. Diese stellen wichtige Erkenntnisse und einen Leitfaden für die industrielle Anwendung dar.