Energieeffizientes elektrisch-hydrostatisches Antriebssystem am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine Von der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) angenommene Dissertation Dipl.-Ing. Achim Helbig geb. am 20.11.1970 in Dresden Tag der Einreichung: 21.03.2007 Tag der Verteidigung: 03.07.2007 Gutachter: Prof. Dr.-Ing. S. Helduser Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli Prof. Dr.-Ing. J.-P. Majschak Prof. Dr.-Ing. B. Schlecht Vorsitzender der Promotionskommission
Berichte aus dem Maschinenbau Achim Helbig Energieeffizientes elektrisch-hydrostatisches Antriebssystem am Beispiel der Kunststoff-Spritzgießmaschine Shaker Verlag Aachen 2007
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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 978-3-8322-6766-7 ISSN 0945-0874 Shaker Verlag GmbH Postfach 101818 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de E-Mail: info@shaker.de
Vorwort Die vorliegende Arbeit ist das wissenschaftliche Ergebnis von Forschungsaufgaben, die ich am Institut für Fluidtechnik der TU Dresden bearbeitet habe und durch den Forschungsfonds Fluidtechnik im VDMA und die Europäische Union finanziell gefördert wurden. Allen voran möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. S. Helduser bedanken, der mit seinem fachlichen Rat und Engagement die Arbeiten begleitete und zu meiner persönlichen Entwicklung beigetragen hat. Mein Dank gilt u. a. auch den Herren Prof. Dr.-Ing. A. Feuser von der Bosch Rexroth AG, Dott.-Ing. A. Vignale und Ing. C. Parlongo von der Sandretto Industrie SpA für die Anregungen und das Interesse an den Arbeiten innerhalb der projektbegleitenden Arbeitskreise. Weiterhin möchte ich mich bei Herrn Dr.-Ing. J. Forster vom Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen für die hervorragende Zusammenarbeit bedanken. Herzlichen Dank an alle Kollegen und Studenten des Instituts für Ihre Hilfsbereitschaft, die maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Schließlich danke ich meiner Freundin Anke und meinen Eltern, die mich auf dem langen Weg unterstützten und bestärkten. Stuttgart, im Januar 2007 Achim Helbig
Inhalt 3 Inhalt Seite 1 Einleitung...9 1.1 Problemstellung... 9 1.2 Stand der Forschung... 11 1.3 Wissenschaftliche Zielsetzung und Aufgabenstellung... 16 2 Auslegung elektrisch-hydrostatischer Antriebe für Kunststoff- Spritzgießmaschinen... 17 2.1 Aufbau und Wirkungsweise von Kunststoff-Spritzgießmaschinen... 17 2.2 Festlegung des erforderlichen Lastenhefts... 19 2.3 Entwicklung des hydraulischen Schaltungskonzepts... 23 2.4 Auslegung und Dimensionierung der Antriebseinheiten... 26 2.5 Untersuchung der Komponenten des elektrisch-hydrostatischen Antriebssystems... 34 2.5.1 Innenzahnradpumpen bei drehzahlveränderbarem Betrieb... 35 2.5.2 AC-Servomotor... 43 2.5.3 Direktgesteuerte 2/2-Wege-Sitzventile... 46 2.6 Richtlinien für die Auslegung elektrisch-hydrostatischer Antriebssysteme... 50 2.6.1 Auswahl der Antriebsart... 50 2.6.2 Auswahl des Motor- und Pumpentyps... 52 2.6.3 Festlegung der hydrostatischen Getriebeübersetzung... 53 2.6.4 Motordimensionierung anhand des geforderten Lastenhefts... 54 2.6.5 Überprüfung der thermischen Belastbarkeit des gewählten Motors... 57 3 Modellbildung und Simulation... 59 3.1 Modellierung der Kniehebel-Schließeinheit... 60 3.2 Modellierung der Spritzeinheit... 67 4 Versuchsmaschine mit elektrisch-hydrostatischem Antriebssystem... 73 4.1 Technische Daten der Versuchsmaschine... 73 4.2 Hydraulischer Aufbau... 74 4.3 Sensorik an der Maschine... 77 4.4 Steuerung der Maschine... 77 4.5 Vergleich von Untersuchungs- und Simulationsergebnissen... 78
4 Inhalt 5 Energieeffizienz von Antriebssystemen für Kunststoff-Spritzgießmaschinen... 83 5.1 Auswahl der untersuchten Kunststoff-Spritzgießmaschinen... 83 5.2 Methodik der Maschinenuntersuchungen... 86 5.2.1 Allgemeine Vorgehensweise... 87 5.2.2 Spritzgießwerkzeug mit veränderbarem Fließwiderstand... 90 5.2.3 Referenzzyklus... 92 5.2.4 Kennfeld der Plastifizierphase... 94 5.2.5 Kennfeld der Einspritzphase... 96 5.3 Messtechnik... 98 5.4 Auswertung der Maschinenuntersuchungen... 100 5.4.1 Maschine 1 (Load-Sensing Antriebssystem)... 100 5.4.2 Maschine 2 (Antriebssystem mit p/q-regelpumpe)... 104 5.4.3 Maschine 3 (elektrisch-mechanisches Antriebssystem)... 107 5.4.4 Maschine 4 (hybrides Antriebssystem)... 110 5.4.5 Maschine 5 (Versuchsmaschine mit elektrisch-hydrostatischem Antriebssystem)... 113 5.5 Gegenüberstellung der Maschinen... 116 5.6 Analyse der Ergebnisse... 119 6 Ausblick... 121 7 Zusammenfassung... 124 8 Literatur... 126 9 Anhang... 131 9.1 C++ Quellcode zur Berechnung der Kniehebelübersetzung... 131 9.2 Matlab Simulink Modell für die Maschinensteuerung... 134 9.2.1 C Quellcode des Ablaufprogramms der Maschinensteuerung... 134 9.2.2 Teilmodell Clamp der Maschinensteuerung... 137 9.3 Maschineneinstellungen für den Vergleich der Antriebssysteme... 138 9.3.1 Referenzzyklus... 138 9.3.2 Kennfeld Plastifizierphase... 139 9.3.3 Kennfeld Einspritzphase... 140 9.4 Triggersignale... 141 9.5 Absolutwerte Referenzzyklus... 142