Projekt 31707/02

Untersuchung des Emissionsminderungs- und Effizienzsteigerungspotentials beim Einsatz von Linearaktuatoren mit elektrischer Leistungsversorgung in mobilen Arbeitsmaschinen – Phase 2, Felderprobung

ProjekttrÀger

Technische UniversitĂ€t Braunschweig Institut fĂŒr mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge (IMN)
Langer Kamp 19 a
38106 Braunschweig
Telefon: 0531 391 2670

Zielsetzung

Der technologische Fortschritt in der ElektromobilitĂ€t bietet fĂŒr mobile Maschinen das Potential einer umweltfreundlicheren Antriebsgestaltung. Die Abkehr von Dieselmotoren in Kommunalfahrzeugen hin zu elektrischen Antriebskonzepten ermöglicht gerade in belasteten Innenstadtbereichen eine lokale Reduktion von Abgas- und LĂ€rmemissionen. Die Realisierung einer öl-freien Maschine durch die Substitution hydraulischer Komponenten durch elektrische Antriebe schließt zudem die Gefahr von umweltgefĂ€hrdenden Ölhavarien aus.
Die bisher auf mobilen Maschinen implementierte elektrische Antriebsleistung wird dabei ĂŒberwiegend zur Versorgung rotatorischer Verbraucher und selten zur direkten Erzeugung linearer Bewegungen verwendet. Dies liegt daran, dass fĂŒr den rauen mobilen Einsatz kaum geeignete Linearaktuatoren verfĂŒgbar sind. Eine vollstĂ€ndige Elektrifizierung des Gesamtsystems ist, ohne diese Herausforderung zu ĂŒberwinden, nicht möglich. Deshalb ergibt sich die technologische Herausforderung, robuste und zudem mit hoher Kraftdichte gestaltbare Hydraulikzylinder durch elektrische Aktuatoren zu ersetzen.
Diese Herausforderung wird im vorliegenden Projekt adressiert, indem elektrische Antriebslösungen fĂŒr zwei lineare Beispielantriebe erarbeitet werden.
Der Verstellzylinder am Seitenbesen einer Außenreinigungsmaschine ist dabei eine typische Anwendung eines linearen Stellaktuators. Es werden mittlere KrĂ€fte und eine hohe Dynamik gefordert. Gleichzeitig unterliegt die Anwendung - wie im mobilen Bereich ĂŒblich – strengen Bauraumbegrenzungen.
Neue Anwendungsmöglichkeiten fĂŒr elektrische Linearaktuatoren liegen im Bereich der linear oszillierenden Arbeitsantriebe. Als Beispiel fĂŒr einen derartigen oszillierenden Arbeitsantrieb wird hier ein BalkenmĂ€hwerk betrachtet. BalkenmĂ€hwerke weisen mit ihrer geringeren ArbeitsintensitĂ€t vorteilhafte Eigenschaften fĂŒr den Naturschutz auf. Diese MĂ€hwerke werden bislang ĂŒber rotierende Antriebe mit nachgeschaltetem Getriebe zur Erzeugung der oszillierenden Bewegung angetrieben. Im Rahmen des Projekts wird ein alternatives MĂ€hwerkskonzept untersucht, bei dem die oszillierende Messerschneide direkt von einem elektrischen Linearmotor angetrieben wird.

Arbeitsschritte

Die Bearbeitung des Projekts erfolgt in zwei Phasen. In der ersten Phase wurde die Anforderungsanalyse an die zwei betrachteten Beispielsysteme durchgefĂŒhrt. Die Aktuatoren wurden ausgelegt, als Versuchsmuster aufgebaut und am Versuchsstand erprobt. In der hier vorgestellten zweiten Phase werden auf Basis dieser Erkenntnisse die Beispielaktuatoren ĂŒberarbeitet, in die Anwendungen integriert und im Feldversuch erprobt.
In beiden Beispielanwendungen werden hierfĂŒr geeignete Elektromotoren identifiziert, ausgelegt und gefertigt. Die Anwendungen werden konstruktiv an die neuen Aktuatoren adaptiert. Im Fall der Seitenbesenverstellung wird diesem Prozess eine methodische Lösungsfindung vorangestellt, bei der der betrachtete Lösungsraum auch kombinierte elektromechanische Lösungen umfasst. Im Fall des direkt angetriebenen BalkenmĂ€hwerks geht der Umsetzung eine Betrachtung der Eigenschaften des verĂ€nderten MĂ€hwerkskonzepts voran. Weiterhin werden RegelansĂ€tze entwickelt und untersucht, die einen stabilen Betrieb des MĂ€hwerks unter den UmgebungseinflĂŒssen eines MĂ€hvorgangs ermöglichen.
Die realisierten Anwendungen werden weiterhin zunĂ€chst am PrĂŒfstand und anschließend in der mobilen Anwendung getestet. Dazu wird eine konventionelle Kleinkehrmaschine zur Versorgung der elektrischen Antriebe aufgerĂŒstet. Die Funktion der elektromechanischen Seitenbesenverstellung wird auf einem FreigelĂ€nde getestet. Die Funktion des direkt angetriebenen BalkenmĂ€hwerks wird in MĂ€hversuchen im Grasbestand geprĂŒft.
Begleitend wird ein Simulationsmodell einer vollelektrifizierten Kehrmaschine weiter ausgearbeitet. Mit diesem Simulationsmodell wird der Einsatz dieser Maschine untersucht, um das Einsparpotential einer vollelektrifizierten Kehrmaschine bewerten zu können.

Ergebnisse

Die deutlich geringere Leistungsdichte von elektrischen Antrieben gegenĂŒber hydraulischen Antrieben ist auch bei der Elektrifizierung von Linearantrieben eine wesentliche Herausforderung. Im Anwendungsbeispiel des Stellaktuators wurde in der ersten Projektphase untersucht, inwiefern eine Substitution des hydraulischen Stellzylinders durch einen elektrischen Direktantrieb möglich ist. Es wurde ein Linearaktuator mit hoher Kraftdichte ausgelegt, gefertigt und getestet. Die hohen Anforderungen aus Anwendung und Bauraum konnten jedoch nicht ausreichend abgedeckt werden.
Hier erweist sich die technologieoffene Ausweitung des betrachteten Lösungsraums in der zweiten Projektphase als sinnvoll. In einem methodischen Prozess werden Anforderungen und Teillösungen zusammengetragen und Potentiale von LösungsansĂ€tzen untersucht. Als geeignete Lösung wird eine Kombination aus einem kompakten, rotierenden Motor mit einem hochĂŒbersetzenden Getriebe identifiziert, ergĂ€nzt um eine Bremse. Die Änderung des Antriebskonzepts macht eine Anpassung der konstruktiven Gestaltung des Aggregats erforderlich. Die Funktionen des Aggregats können dennoch in vollstĂ€ndigem Rahmen umgesetzt werden.
Die Performance der neu gestalteten elektromechanischen Antriebslösung wird anschließend sowohl auf dem PrĂŒfstand als auch in der mobilen Anwendung untersucht. Hierbei zeigt die Antriebslösung ein robustes Verhalten sowie eine vollstĂ€ndige ErfĂŒllung der gestellten Anforderungen.
Die Änderung des Antriebskonzepts zieht bei dem Anwendungsbeispiel des BalkenmĂ€hwerks umfassendere Auswirkungen auf Gestaltung und Funktion nach sich. Es wird ein Ansatz ausgearbeitet, in dem der Linearmotor mechanisch direkt mit der Messerschneide verbunden ist. Zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie bei der Bewegungsumkehr werden zusĂ€tzlich Schraubendruckfedern eingesetzt. Es entsteht ein schwingfĂ€higes System, das auf den Betrieb in Eigenfrequenz optimiert ist.
Da ein MĂ€hbetrieb vielfĂ€ltigen Umwelt- und StöreinflĂŒssen unterliegt, werden weiter verschiedene RegelungsansĂ€tze fĂŒr die Anwendung betrachtet. Unter den gegebenen Bedingungen zeigt dabei nur eine hochdynamische Regelung auf Basis eines Super-Twisting-Ansatzes ausreichende Ergebnisse. In der Felderprobung kann dabei gezeigt werden, dass ein MĂ€hbetrieb mit dem vorgestellten MĂ€hwerkskonzept möglich ist.
Die simulativen Untersuchungen zur betrachteten Beispielmaschine zeigen, dass sich durch eine Elektrifizierung des Antriebsstrangs der PrimĂ€renergiebedarf der Maschine deutlich senken lĂ€sst. Der Energiebedarf der Linearaktuatoren stellt dabei nur einen kleinen Teil des Gesamtenergiebedarfs der Beispielmaschine dar. Zur Gestaltung vollelektrischer Antriebssysteme mĂŒssen aber auch fĂŒr diese Antriebe anwendungsgerechte elektrische Antriebslösungen gefunden werden. Um den aktuellen Trend zur Elektrifizierung mobiler Maschinen weiter zu stĂ€rken, ist daher auch die Erarbeitung attraktiver linearer Antriebslösungen wichtig.

Öffentlichkeitsarbeit

Pußack, M.; Stasewitsch, I.; Frerichs, L.: Investigations of a cutter bar operated in resonance mode with an electric direct drive. 78. Tagung LAND.Technik AgEng 2020
Stasewitsch, I.; Pußack, M.; Schattenberg, J.; Frerichs, L.: Motion Control in Resonant Frequency for an Electrified Implement. 20th Mediterranean Electrotechnical Conference (MELECON) 2020
Zhang, Z.: Elektrifizierung von dynamischen Linearantrieben in mobilen Arbeitsmaschinen. Dissertation TU Braunschweig, 2020
Maurus, Q.; Pußack, M.: Herausforderungen bei der Elektrifizierung linearer Stellantriebe von Nutzfahrzeugen. 10. Kolloquium Mobilhydraulik, Braunschweig 2018
Maurus, Q.; Canders, W.-R.; Henke, M.: Increasing the force per unit volume of tubular drives by raising the integration degree. 11th International Symposium on Linear Drives for Industry Applications (LDIA), Osaka 2017
Zhang, Z.; Kattenberg, T.; Winkelhahn, P.; Frerichs, L.; Schneider, C.; Maier, T.: Linear actuators with electric power supply. 73. Tagung LAND.TECHNIK AgEng 2015

Fazit

Die Elektrifizierung linearer Antriebe in mobilen Maschinen geht mit signifikanten Herausforderungen einher, birgt aber auch großes Potenzial. Der direkte Weg eines einfachen Austauschs der hydraulischen Zylinder durch elektrische Linearakuatoren ist dabei selten möglich oder sinnvoll. Im Projekt wurden daher AnsĂ€tze vorgestellt, durch Betrachtung der Prozesse und Teilfunktionen ĂŒber eine methodische Herangehensweise geeignete Lösungen fĂŒr diese Herausforderungen zu erarbeiten. Die auf diese Weise erarbeiteten Beispielantriebe konnten im Feldversuch erfolgreich getestet werden und zeigen damit, dass die methodische Überarbeitung ein geeigneter Ansatz ist, die Elektrifizierung der mobilen Maschinen voranzutreiben.

Übersicht

Fördersumme

555.889,00 €

Förderzeitraum

15.02.2018 - 15.07.2021

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik