Energiesparende Antriebssysteme für die Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen Elektrohydraulisches Flow Matching

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1 Energiesparende Antriebssysteme für die Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen Elektrohydraulisches Flow Matching Von der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) angenommene Dissertation Dipl.-Ing. Milan Djurovic geb. am in Trstenik, Serbien Tag der Einreichung: Tag der Verteidigung: Gutachter: Prof. Dr.-Ing. S. Helduser Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kunze Dr.-Ing. G. Keuper Prof. Dr.-Ing. B. Schlecht Vorsitzender der Promotionskommission

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3 Berichte aus dem Maschinenbau Milan Djurovic Energiesparende Antriebssysteme für die Arbeitshydraulik mobiler Arbeitsmaschinen "Elektrohydraulisches Flow Matching" Shaker Verlag Aachen 2007

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2007 Copyright Shaker Verlag 2007 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fluidtechnik der TU Dresden. Besonders danken möchte ich dem Institutsdirektor Prof. Dr.-Ing. S. Helduser, der mir den Weg zur Promotion ermöglicht und meine Arbeit mit großem Interesse und Engagement begleitet und unterstützt hat. Prof. Dr.-Ing. habil. G. Kunze, Leiter der Professur für Baumaschinentechnik der TU Dresden, danke ich für die Annahme der Arbeit als Zweitgutachter. Mein herzlicher Dank gebührt auch dem Drittgutachter der Arbeit, Dr.-Ing. G. Keuper von der Bosch Rexroth AG in Schwieberdingen. Intensive, sehr interessante und praxisgeprägte Diskussionen mit ihm und seinen Mitarbeitern resultierten in vielen wichtigen Anregungen für die Arbeit. Außerdem bedanke ich mich für bereitgestellte Versuchseinrichtungen. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft schulde ich Dank für die finanzielle Unterstützung des Projekts Untersuchung und Optimierung neuer Lösungen beim elektrohydraulischen Load-Sensing für mobile Arbeitsmaschinen, aus welchem die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit hervorgehen. Den Mitarbeitern des Instituts für Fluidtechnik der TU Dresden danke ich für ein hervorragendes Arbeitsklima, viele fruchtbare Fachgespräche und vor allem ihre Freundlichkeit. Nicht zuletzt danke ich meiner Familie für unermüdliche Unterstützung, Geduld und Verständnis, besonders in diesen letzten Jahren.

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7 Inhalt 3 Inhalt Seite Formelzeichen und Abkürzungen 5 1 Einleitung 9 2 Stand der Technik 11 3 Aufgabenstellung und Zielsetzung 26 4 Systematik der elektrohydraulischen Systeme für die Arbeitshydraulik Vorbetrachtungen Systematik der Hydraulikversorgungen Systematik der Ventilsteuerungen Zusammensetzen und Auswahl der Systemvarianten 40 5 Prüfstandsaufbau 46 6 Mathematisches Modell Nichtlineares mathematisches Modell Simulationsmodell Linearisierung und Vereinfachung des mathematischen Modells 64 7 Reglerauslegung EFM-Systeme ohne Eingangsdruckwaage EFM-Systeme mit gesteuerter Verstellpumpe EFM-Systeme mit Schwenkwinkel- oder Volumenstromregelung der Verstellpumpe EFM-Systeme mit Lageregelung der Individualdruckwaagen EFM-Systeme mit Lageregelung der Eingangsdruckwaage Schlussfolgerungen 92

8 4 Inhalt 8 Statisches Übertragungsverhalten Regelgenauigkeit der Individual-Volumenstromregelung Einflüsse auf die statische Genauigkeit der Systemregelung Energieeinsparpotential der EFM-Systeme Einzelbetrieb Mehrverbraucherbetrieb Steuerungsstrategien für die Minimierung des Energieverbrauchs Dynamisches Übertragungsverhalten Untersuchungen des Führungs- und Störverhaltens Verbesserungsmaßnahmen für den praktischen Systemeinsatz Untersuchungen charakteristischer Betriebszustände Zusammenfassung und Ausblick Literatur 136

9 Formelzeichen und Abkürzungen 5 Formelzeichen und Abkürzungen 1 Formelzeichen A m 2 Fläche c N/m Federsteifigkeit d N s/m Reibungsbeiwert der viskosen Reibung D - Dämpfungsgrad e mm Exzentrizität f Hz Frequenz f 0 m Federvorspannweg F - Frequenzgang F N Kraft F Str N Strömungskraft G h (dm 3 /min)/bar hydraulischer Leitwert I A elektrische Stromstärke I 0 A Nullabgleichstrom J kg m 2 Massenträgheitsmoment K bar Ersatzkompressionsmodul K Q (dm 3 /min)/m Volumenstromverstärkung K Qp (dm 3 /min)/bar Volumenstrom-Druckverstärkung l m Länge m kg Masse M N m Drehmoment n s -1 Drehzahl p bar Druck P W Leistung Q dm 3 /min Volumenstrom r m Radius s s -1 Laplace-Operator t s Zeit T s Zeitkonstante U V Gleichspannung v m/s Geschwindigkeit V m 3 Volumen x m Weg y m Weg, Vorsteuerung α grad Schwenkwinkel α D - Durchflusskoeffizient

10 6 Formelzeichen und Abkürzungen η - Wirkungsgrad η hm - hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad η vol - volumetrischer Wirkungsgrad ϑ C Temperatur ν m 2 /s kinematische Viskosität ρ kg/m 3 Dichte τ s Totzeit ϕ grad Phasenwinkel ω s -1 Kreisfrequenz 2 Indizes 0 Anfangswert 1 Pumpe 1 Einlauf des Ventilblocks 2 Hydromotor ab Ablaufseite AP Arbeitspunkt D Differentialanteil eff Effektivwert FA Führungsgrößenaufschaltung h hydraulisch I Integralanteil L Last Le externe Leckage Li interne Leckage LS Load-Sensing Ltg Leitung max Maximum min Minimum Nenn Nennwert nutz Nutzwert p druckbeaufschlagt r Rücklaufseite R Regler Reib Reibkraft soll Sollwert th theoretisch v Verlust

11 Formelzeichen und Abkürzungen 7 VF VP VT ZT Volumenstromfehler Druckanschluss des 3/2-Regelventils Tankanschluss des 3/2-Regelventils Zylundertrommel 3 Abkürzungen A AP B BKM DBV DDS DFR DR DS DV DZ EDW EFM EHS EP EPR ES FU G GZ HM HS IDW KG KP LS M MB MV MW N NFC Verbraucheranschluss A Anschlussplatte des Ventilblocks Verbraucheranschluss B Brennkraftmaschine Druckbegrenzungsventil Druckdifferenzsensor Druckförderstromregler Drossel Drucksensor Drosselventil Differentialzylinder Eingangsdruckwaage elektrohydraulisches Flow Matching elektrohydraulische Steuerung Endplatte des Ventilblocks elektrohydraulischer Schwenkwinkelregler Einstellschraube Frequenzumrichter Elektrogenerator Gleichgangzylinder Hydromotor Hauptschieber Individualdruckwaage Kontrollgrenze Konstantpumpe Load-Sensing-Anschluss Motor, Magnet Messblende Messblendenverstellung Messwelle Nullstelle Negative-Flow-Control

12 8 Formelzeichen und Abkürzungen P PG PM RF RH RsV RV S SE SG SK SpV SrS StK SV T U VF VP VS WeV WOK WS WV Y ZT Druckanschluss, Polstelle Pumpengehäuse Proportionalmagnet Rückstellfeder hydraulische Rastung Rückschlagventil Regelventil Sensorsignal, Steuerdruckanschluss Steuerelektronik Steuergerät Steuerkante Sperrventil Schrägscheibe Stellkolben Servoventil Tankanschluss Umlaufkanal Ventilfeder Verstellpumpe Volumenstromsensor Wechselventil Wurzelortkurve Wegsensor Wegeventil Steuerdruckanschluss Zylindertrommel