Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Dezentrale kompakte Hydraulikversorgung durch High-Speed-Komponenten

Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung, Konstruktion und Erprobung eines kompakten, elektrohydraulischen Powerpacks zur dezentralen Hydraulikversorgung von Arbeitsantrieben mobiler Arbeitsmaschinen. Dabei liegt der Fokus auf der Realisierung einer hohen Leistungsdichte, wozu entsprechend hohe Drehzahlen der Komponenten Elektromotor und Hydraulikpumpe genutzt werden sollen.

Als Drehzahlniveau für den Elektromotor werden 20.000-30.000 min-1 angestrebt, dieses Drehzahlniveau wird in verschiedenen Branchen heute bereits genutzt. Nach Möglichkeit soll ein am Markt verfügbarer Motor genutzt werden, um Skaleneffekte zu nutzen. Erforderliche anwendungsbezogene Anpassungen an Lagerungen, Dichtungen und Kühlung werden im Rahmen des Projekts erarbeitet. Darüber hinaus werden aber auch Individuallösungen erarbeitet, um mögliche Optimierungspotenziale aufzuzeigen.

Für die geplante Einheit wird der schnelldrehende Elektromotor über eine Getriebestufe mit einer neu entwickelten Hochdrehzahl-Zahnradeinheit zu einer kompakten Einheit kombiniert. Die Entwicklung und Optimierung der hydraulischen Zahnradeinheit im Hinblick auf einen Betrieb im Hochdrehzahlbereich steht im Fokus des Forschungsvorhabens. Hierbei ist, insbesondere bezüglich des Strömungs-verhaltens und der Tragfähigkeit der Verzahnung, in einem iterativen Prozess ein Optimum zu finden. Es werden Drehzahlen im Bereich von 10.000–20.000 min-1 angestrebt, was einer Steigerung der maximal möglichen Drehzahl um ca. 50 % verglichen mit am Markt erhältlichen Einheiten entspricht. Damit soll insgesamt eine Reduktion des Bauraums zu verfügbaren elektro-hydraulischen Systemen um bis zu 40% erreicht werden. Hierdurch kann der Einsatz von dezentralen, elektrisch angetriebenen Hydraulikantrieben im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen zu einer wirtschaftlichen Alternative werden.

Ergebniszusammenfassung:

Für den Antriebsstrang des EHA wurden zwei mögliche elektrische Antriebskonzepte aufgezeigt, ein elektrischer Direktantrieb und ein elektro-mechanischer High-Speed Antrieb. Ein Vergleich beider Konzepte zeigte, dass durch den Einsatz eines High-Speed-Antriebs die gravimetrische Leistungsdichte des Antriebs um ca. 12 % gesteigert und die Herstellkosten um ca. 15 % reduziert werden können. Zur Steigerung der Leistungsdichte durch High-Speed Komponenten war es darüber hinaus notwendig, im Rahmen des Projektes eine Innenzahnradpumpe zu entwickeln, die den Anforderungen an das angestrebte Drehzahlniveau gerecht wird. Im Zuge des Entwicklungsprozesses der High-Speed Innenzahnradpumpe wurde die axiale und radiale Spaltkompensation, die Strömungsführung, die Lagerung sowie die Verzahnung des Triebwerks auf die hohen Antriebsdrehzahlen ausgelegt. Die entwickelte Innenzahnradpumpe konnte erfolgreich am Prüfstand getestet werden. Durch den erbrachten Funktionsnachweis konnte sowohl die Machbarkeit als auch das Potential von elektro-hydraulischen High-Speed Antrieben aufgezeigt werden. Das Konzept der EHA wurde auf die Anforderungen des High-Speed Antriebs zugeschnitten. Das gewählte Schaltungskonzept sowie die erarbeitete Steuerungs- und Regelungsstrategie, als eine Kombination aus einer Verdränger- und Widerstandssteuerung, konnten ebenfalls erfolgreich an einer Versuchsmaschine umgesetzt und erprobt werden. Mit den erzielten Ergebnissen und dem Transfer in die Industrie wurde der Grundstein für die weitere Entwicklung von elektro-hydraulischen Antrieben sowie dezentralen Antriebskonzepten gelegt.