The earth’s energy demand is constantly increasing. Separating the economic development from the energy demand does not seem possible. At the same time, the effort to exploit useful energy sources, especially fossil fuels and renewable sources, is growing. As a result, the price basis of a certain energy source is not solely determined by its quantity, but also by the effort required to produce and distribute it. This leads to certain basic guidelines:
- The increase in energy efficiency of all processes is in fact the most economically feasible energy source.
- A diversification of energy sources minimises risk and political dependency.
- Only a rapid decoupling of the economic development from fossil fuels ensures social advancement.
Therefore, not only political legislation, but also economic necessity are forcing the development of more efficient systems and the use of renewable energy sources.
Particularly in the transport sector this transition requires an enormous effort and partially a change in mindset regarding the use of different modes of transportation. Car owners that nowadays cover 80 % of their travelling using their own vehicles will in future be part of a more complex mobility network. This network will consist of several modes of transport, such as bicycles, small vehicles, cars, mass transportation systems and services, such as leasing or sharing, which will enable a more efficient transportation system as a whole, while at the same time reducing CO2 emissions and minimising local pollution and traffic noise.

Increasingly ambitious standards are being set worldwide to reduce emissions of greenhouse gasses and pollutants (NOx and particulates), with targets of 95 g of CO2 per km in Europe and 117 g per km in China by 2020. Full-Hybrid vehicles will be a necessary part of the equation to meet the 2020 CAFE targets. Hybrid Air is a new type of full-hybrid powertrain that combines a petrol engine and compressed air for energy storage instead of a battery, offering an alternative to electric hybrid solutions. Hybrid Air reinforces PSA Peugeot Citroën as a European leader in the CO2 emissions (122,5 g/km in 2002), with an affordable core model offering that delivers lower fuel consumption and ease of use. With the Hybrid Air PSA Peugeot Citroën took the opportunity to test a new method for managing innovation aligned with the needs of a high-stakes project and the ambition to deliver something rare, valuable and difficult to imitate. This new model includes seven key points that will be presented during the conference. With Hybrid Air PSA Peugeot Citroen has experienced an entrepreneurial innovation business model including the financial partnership with France’s Investments in the Future program.

In 1974 in the wake of the first global energy crisis the UK began to look at large scale renewable energy sources. Professor Stephen Salter invented a wave energy device now remembered as the Salter Duck at the University of Edinburgh. Digital Displacement® hydraulics came about as a response to the exceptionally difficult problem of converting the slow, irregular, high force motion of ocean waves, to a constant speed rotation to drive a synchronous generator. The rethink of hydraulic power transmission, based on conventional pumping mechanisms and integrated active valves with microprocessor control, has resulted in very controllable fluid-power drivetrains with efficiencies matching, or even exceeding, those of electrical machines. The presentation will cover the early development of the technology and continue to the present where Artemis, now as a subsidiary of Mitsubishi, is assisting in the development of the 7MW SeaAngel offshore wind turbine with a Digital Displacement® driveline at its heart.

The fuel-saving Cat® 336E H Hybrid was launched in 2013 as the industry\'s first hydraulic hybrid excavator. With over 300 patents filed, the innovative hydraulic hybrid technology is a significant departure from the typical hybrid approach. To accomplish such a feat required an acute, intense focus on the customer and a diverse, global team empowered to drive an innovative solution. Learn the story behind the development of this game-changing product from Caterpillar.

The current trend of improving the efficiency of mobile machines indicates that hydraulic hybrids are playing an important role in order to realize a proper system solution. First machines like excavators, material handlers, harbour cranes and so on are already presenting very competitive solutions based on robust hydraulic accumulator technology. Beside the well known robust design which is very easy to handle, maintain and service the low investment costs for the additional components lead to a very attractive solution with ROIs between one and two years.
For some applications (depending on the load cycle) the efficiency and the energy capacity of the hydraulic accumulator itself becomes very important. In this case small improvements concerning the accumulators are determining whether the hybrid approach is successful or not.
Due to this fact Hydac concentrates on the development on a new generation of accumulators in order to operate the gas side nearly isothermal independent from the applied load cycle. This was realised by developing special foam materials which are integrated in the gas side of the accumulator. Several tests were applied within the last years demonstrating improvements on efficiency as well as an increased energy capacity with the same robustness, reliability and shelf life compared to the standard design.

The steadily increasing availably in computational power and ever more sophisticated simulation methods allow for a detailed analysis and optimization of components and systems. Additionally the increasing use of digital microcontroller based control-systems enable fast and automated optimizations of parameters during the prototype stage and bringing into service of machines.

While the portfolio of powerful optimization algorithms with relatively small computational effort is huge [1], the opportunities of automated system optimizations are hardly used in practice. To the largest extend technicians and engineers still tune parameters by hand in a loop of small parameter adjustments and a visual inspection of the according system response. This provides the opportunity of saving of engineering time and potential improvement of the technical system beyond the quality achievable by the expert.

The acceptance problem lies usually not in the complexity of optimization algorithms, but in the precise formulation of appropriate optimization objectives. While a human being is easily capable to judge for example a measured step response to a large number of intuitive objectives, the mathematical reproduction of these objectives is complex. There is a large pool of commonly used objectives like quadratic errors, rise or settling times, overshoot, static accuracy and so on. In practical applications the desired behavior is often not described by one single objectives or an aggregation of multiple basic criteria. Multiobjective algorithms represent a huge improvement for the practical usability of optimization routines. Hence they do not search for a single best solution but search for a whole set of best tradeoffs between multiple objectives. This releases the user from a priory determining weights between different objectives in favor of a posterior selection of a solution he prefers.
In our experience this still does not satisfy most users because the description of the desired system behavior is not granular enough and the response possibilities to unexpected system behaviors are limited.

We propose methods for an easy, intuitive on the fly generation of objectives and constraints that do not rely on complex programming but are implemented by simple to use interaction GUIs. Constraints can be defined by marking areas the signals are not allowed to reach (for example too high overshoots). Dynamics are judged in a similar way by limiting the differentiated measurement.
The optimization objectives are ether commonly used criteria or user defined versions. This definition can for example be achieved by drawing the desired system response and marking what areas are of special importance.
The full paper describes the methods in detail. The analyzed application is an optimization of the controller parameters of a directional control valve in a Hardware-in-the-Loop scenario [2]. This example is especially challenging because of the nonlinear behavior of the vales, the high number of parameters and the noise in the measured system response.
The results are compared with other state of the art methods like multiobjective optimization and user preference modeling [3].

[1] Deb, K., A. Pratap, S. Agarwal und T. Meyarivan: A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE Transactions on Evolutionary Computation 6.2, pp.182-197, April 2002

[2] Krettek, J., F. Hoffmann und T. Bertram: Evolutionary Multiobjective Hardware-in-the-Loop Optimization of a Hydraulic Valve Controller, 6th international fluid power conference (IFK 2008), Band 2, S. 525-537, Dresden, April 2008

[3] Krettek, J., J. Braun, F. Hoffmann, T. Bertram, T. Ewald, H.-G. Schubert und H. Lausch: Interactive Evolutionary Multiobjective Optimization for Hydraulic Valve Controller Parameters, In Proceedings: 2009 IEEE/ASME Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Singapore, Juli 2009

Poppet type valve is one of the most popular components in hydraulics with long history, and widely applied in relief valve, pressure or flow control valve etc. However, since the poppet valve is easy to induce unpredicted vibration of hydraulic system, it is also considered as trouble source in hydraulics. This weakness has also restricted the valve’s application to need delicate pressure or flow controls. Many researchers have devoted to study the problem, and most of them considered it is because of the combined relation of fluid inertia, fluid compressibility, poppet mass, spring, damping, and so on. The consideration is effective for many cases, but it is difficult to clearly explain why same valve may show quite different performance in NEARLY SAME systems, which is also the actual problem for bothered engineers.
Thanks to the advanced experimental visualization technology and digital simulation technology, they make us easy to peer into the inside of the valve, and so we make a renewed study of the old phenomenon. Through the study we found that the vibration of poppet valve does not depend only on the composition of all the parts in valve, but also depends on the cavitation state inside the valve, which is closely influenced by the flow conditions.
The novel experimental system consists of a variable flow rate type piston pump, a convergent flow type poppet valve, which has a visibility valve housing made of acrylic resin, and a throttle valve which is set at the downstream of the poppet valve, and used for adjusting the downstream pressure. The flow rate sensor, pressure sensors at up and down stream of the poppet valve are set and high-speed video camera is used to monitor the flow state and also used as poppet displacement sensor to measure its movement.
A numerical simulation model was built for the same experiment system, the fluid inertia and compressibility are considered in the model, and the model method is referred from typical research.
In experiment, two typical poppet valve cases are studied. CASE1 is to set the damping orifice at 3mm, making the poppet get easy to vibrate, and CASE2 is to set the damping orifice at 1mm, to let the valve not easy to get vibrate.
In both cases, we change the flowrate passing through the valve from 0 to 50L/min, and at every flowrate we change the downstream pressure of the valve from 0 to 1.0MPa, and so to monitor the vibration in valve.
The results show that
1) In CASE1, the poppet would vibrate when the flow is less than 40L/min, and get stable when the flow is over 40L/min. and vibrate frequency is about
550-600Hz for different downstream pressure.
2) In CASE2, as the damping orifice is set from 3mm to 1mm, the valve is
getting steady when flowrate is over 20L/min. Clearly improvement is recognized. However, when the flowrate is less than 20L/min, the vibration will depend on the downstream pressure. When the downstream pressure is below 0.5MPa, and the cavitation bubbles are appeared and along with the decreased pressure, the poppet will get vibrated when the cavitation enhances to some extent.
In simulation, for CASE1, under the conditions of experimental vibration, the simulation also shows the system in vibration state, and the frequency is nearly in same range. For CASE 2, under the condition where the experiment shows no vibration, the simulation also shows no vibration. These results show the simulation has modeled well the essential features of the vibration in this system.
But for CASE2, under the conditions of experimental vibration of the poppet, when the cavitation bobble is increased, the simulation cannot present the vibration state. That means the cavitation is an unpredictable factor of vibration phenomenon.
From this research we found that the cavitation is another reason for poppet valve vibration, and since the quantity of the cavitation is influenced by various flow conditions, that cause’s unpredictable vibration of a valve which may have good repute before.

Miniaturisation of drive systems is a key component for the evolution of technical systems going along with a stronger integration. This applies for all drive technologies and thus includes fluid power and especially pneumatics as well. Concerning slew movements it is obvious that fluid power solutions often consist of swivel drives while electromechanical drives are using rotational drives and transmissions to thus achieve an enhanced power density. Nevertheless, a transfer of this approach on fluid power slew drives requires novel commutation technologies reaching an enhanced mechanical efficiency to reduce losses on the fast turning shaft.
By systematically analysing the fundamental correlations, a solution space has been spread to generate a multitude of solutions for this issue. By magnetically coupling the valves and the drives movement mechanical losses can be reduced. Furthermore an electromagnetic control of the magnetic field can improve miniaturisation, as control valves can be substituted by merging control and commutation tasks. Hence, a magnetically actuated commutation valve possesses the highest potential for miniaturisation.
On the other hand, the required three-dimensional magnetic flux geometry causes a high complexity for simulative optimisation which is topic of this paper. The central component of the development process is the modelling of the underlying principles and their numerical simulation and optimisation.
The paper is completed by a comparison of the numerically optimised system with prototype experiments with the aid of an especially developed test rig and an outlook on future possibilities for further developments.

Flow Forces Investigation in Customized Spool Valves through Computational Fluid Dynamics and Experimental Study
Sonil Singh, Anirudh Kulkarni, Pankaj Nalgirkar, Milind Kulkarni, QingHui Yuan*
Flow forces play an important role in hydraulic component development process. A number of valve performance criteria, like spool stability, power envelope, dynamic response, and so on, are tightly linked to flow induced forces. Unsurprisingly, without careful consideration of flow forces into the valve design process, the end product would perform poorly and hardly meet the specifications. Moreover, the electromagnetic actuators for the valves have to be oversized, thus leading to non-optimal design.
The predominant effect of the flow induced forces has been recognized as early as the middle of the last century, and a significant number of research have been conducted since then. In the past few decades, a variety of methods have been utilized to decode the puzzle of flow induced forces. They range from experimental study to analytical simplification via momentum theory, and recently computational fluid dynamics with the advance in computer capability and simulation tools. However, most of these study investigate the conventional spool valve with the regular, and mostly simplified, spool/sleeve design. In the actual industrial practice, the spool and sleeve include a number of design details associated with manufacturing, material, and other commercialization consideration. In our research, we found that many times, the widely used flow force analytical equation could not provide the correct flow force prediction for the customized and real valve design. Additional significant efforts are required to make the correction in order to make sure the final product meets the expectations.
In this paper, we will investigate the flow forces induced in the actual commercial valve with more geometric details that are necessary for commercial product design but neglected by most of the previous study. The primary goal of our research is to obtain the correct flow forces with the customized geometry. Both CFD technology and experimental study are employed for this purpose. From CFD perspective, we put a significant efforts on investigating the sensitivity of the flow forces with respect to various control variables. We conducted comprehensive sensitivity study and compare various CFD solvers, turbulence models, mesh types & sizes. With all those models converge to a consistent value, we do find that there is an more dominant effects of turbulence model for meter-in jet while less for meter-out jet. The details will be presented in the full paper. There is another very interesting phenomena we have discovered during the CFD analysis - instead of quasi-steady assumptions that the flow pattern inside the chamber will reach steady state instantaneously, the meter-in jet actually demonstrates a periodic wing between two distinct angles at the larger orifice for our customized valve, thus causing the fluctuation of the induced flow forces given an orifice opening and constant pressure drop. In order to make sure CFD analysis is correct, we built a instrumentation device so that we can directly measure flow induced force for the customized valve. An error of less than 10% between predicted flow force from CFD and measured experimental data has been achieved with the newly observed effect being included. The details of experimental study and the results will be presented in the experimental session. With the validated flow force values, the study also attempts to develop a more comprehensive analytical model to be able to reflect the detailed geometric parameters of the valve.

The wide spread applications of pneumatics in all kind of industries are significantly based on the intrinsic advantages of pneumatic components, namely their compactness, robustness, flexibility together with ease of use and cost advantages. Modern pneumatics development is governed by general principles of sustainability, which includes resource efficiency and energy efficiency, by mechatronic system integration, by modular integrated components and miniaturised functions, by communication technologies, distributed intelligence and interface management.
The tremendous success of pneumatics is the result of an unbroken innovatory impulse, driven by pneumatic industry and corresponding research institutes together with high end applications in production industry.
The future is actively shaped by intensive efforts and ambitious research projects, driven individually by suppliers and also jointly in pre-competitive areas. The presentations in this section give an overview of current challenging developments driving pneumatics further to future success.
· In valve technology magnetic actuators are state of the art, still going to be developed to advanced performance. New actuator principles – namely piezo technology, shape memory alloys and electro active polymers – are under predevelopment and will give additional chances in special applications.
· Due to the holistic approach of mechatronics and the integration of intelligence and communication features, which are currently discussed in the context of cyber physical systems within the industry 4.0 approach, pneumatic subsystems play an important role in future production technology.
· Optimally criteria based behaviour of pneumatic drives controlled with discrete or proportional valves will give so far unachieved performance for many specialized applications.
· Nowadays the aspect of energy efficiency of pneumatic applications in competition with electric drives is heavily discussed. Here the specific aspects lead to a detailed view of the application itself and gives decision criteria for selection of the right technology. Some research projects, e.g. Green Carbody, show very new results, derived from a detailed analysis of existing production units on shop floor level in automotive industries.
· Pneumatics is perfectly suited for new robotics developments in
the context of direct man machine interaction. The development of the bionic handling assistant derived from bionic principles is an example of the intrinsic compliant behaviour of pneumatic structures.
· Furthermore pneumatics needs to be a focus in education, both in professional training and in academic education. New concepts of didactics are important in this context.
All these developments need future research in detailed technical principles as well as research cooperation along the entire value chain. These activities are driven since years by the VDMA fluid power research association and need to be continued at a high level in future.

Tagungsthemen: Pneumatik, Effizientes Systemdesign, Energieeinsparung, Nachhaltigkeit


In Bezug auf wachsende Anforderungen bei der effizienten Energieverwendung stehen auch Pneumatikanbieter in der Automatisierungs- und Handhabungstechnik vor Herausforderungen, die sich beispielsweise in der Weiterentwicklung von Auslegungstools unter Berücksichtigung des Energieverbrauchs (z.B. Planungs- und Bewertungstools von pneumatischen/elektrischen Anlagen im Rahmen des Green Carbody Projekts [GCB11]) oder neuen Ansteuerkonzepten für die Pneumatik (z.B. im EnEffAH-Projekt [Dol12]) zeigen. Darüber hinaus scheint es erforderlich zu sein, die gesamte Wirkkette vom Kompressor bis zum pneumatischen Antrieb oder Druckluftverbraucher zu betrachten, um zu ganzheitlichen Lösungsansätzen zu kommen. Daher besteht für Pneumatikanbieter eine Notwendigkeit, sich auch mit der Drucklufterzeugung und -verteilung zu beschäftigen und Druckluft nicht länger als etwas zu betrachten das „aus dem Verteilnetz kommt“ (ähnlich zu „Strom aus der Steckdose“). Wenn zwei Branchen, wie hier die Kompressor- und Anwenderseite, aufeinander treffen, ergeben sich aufgrund unterschiedlicher Begrifflichkeiten und Beschreibungsweisen häufig Verständigungsschwierigkeiten. Der hier vorgeschlagene Vortrag setzt an dieser Stelle an. Er will zum besseren Verständnis der Vorgänge in einer Druckluft¬kompressor¬station für Anbieter und Nutzer von Pneumatik beitragen, indem eine für die Pneumatikwelt bekannte Beschreibungsweise gewählt wird.

Grundlagen für diese Beschreibungsweise sind Messungen an einem zweistufigen Kompressor mit Zwischenkühlung, an dem an verschiedenen Stellen Druck und Temperatur der Strömung bis zum Speicher gemessen werden (vgl. Abbildung 1). Gemeinsam mit den Informationen von einem Massenstromsensor besteht somit an jedem Messpunkt vollständige Information über den thermodynamischen Zustand der Luft. Somit können die Vorgänge in der Druckluftkompressorstation mit Hilfe polytroper Zustandsänderungen detailliert beschrieben werden. Interessanter Weise treten dabei zur Beschreibung der Zustandsänderung in den Kühlern negative Polytropenexponenten auf. Auch wenn der Polytropenexponent prinzipiell von minus bis plus unendlich definiert ist (vgl. [Els73], S. 130), wird der technisch wichtige Bereich für ideale Gase in der Regel im Bereich 1 < n < κ=1,4 gesehen (vgl. [Els73], S. 131). Im Beitrag wird erläutert, wieso ein negativer Polytropenexponent zur Beschreibung der Thermodynamik von Kühlern dennoch sinnvoll ist.



Abbildung 1: Schaltplan Druckluftkompressorstation



Abbildung 2: Polytropen-Schar im p,v-Diagramm (Quelle: [Els73], S. 131)]


Weiterhin wird basierend auf den Messdaten ein Exergieflussdiagramm aufgestellt (vgl. dazu [Kri12]). Dieses dient zur Verdeutlichung der Umsetzung der in die Druckluftkompressorstation eingebrachten elektrischen Energie in Form von Wärme- und Arbeit. Es wird abschließend ein kurzer Abriss über die Notwendigkeit der detaillierten Betrachtung von Kompressoren in Hinblick auf die Energieeffizienz von Druckluftanlagen gegeben.


Literatur

[Dol12] Doll, Matthias; Sawodny, Oliver; Neumann, Rüdiger: Energy Efficient Adaptive Control of Pneumatic Drives with Switching Valves; Proceedings 8th International Fluid Power Conference; Vol. 3; S. 253 – 264; Dresden; 26.-28.03.12

[Els74] Elsner, Norbert: Grundlagen der technischen Thermodynamik; Verlagsgruppe Bertelsmann GmbH / Bertelsmann Universitätsverlag; Berlin; 1973

[GCB11] Ditterich, Daniel; Engler, Wolfgang; Bredau, Jan: Effizienter Drucklufteinsatz im Automobilbau, ATZ produktion, 04/2011.

[Kri12] Krichel, Susanne; Sawodny, Oliver; Hülsmann, Steffen; Hirzel, Simon; Elsland, Rainer: Exergy Flow Diagrams as Novel Approach to Discuss the Efficiency of Compressed Air Systems; Proceedings 8th International Fluid Power Conference; Vol. 3; S. 253 – 264; Dresden; 26.-28.03.12

The automation of manufacturing processes is a key element of today’s industrial production. To accomplish typical tasks, such as positioning, moving, grabbing and clamping, pneumatic solutions are often implemented. Compared to electrical drives pneumatics feature good dynamic properties as well as a simple system design, which makes pneumatics the first choice for a wide range of applications.
Due to rising energy efficiency demands pneumatics is exposed to a heightened competition with other technologies. Therefore, discharging the compressed air into the environment, as usually done in typical pneumatic systems, is energetically unfavorable. Hence different approaches to a more energy conserving system setup have been developed.
Apart from the usual steps to improve system efficiency more complex modifications facilitate the temporary storage of energy and therefore allow the energy recuperation for following actuation cycles. All these circuit modifications unite the disadvantage of a significant increase in the number of needed system components and actuation signals of valves.
To circumvent these disadvantages a new concept was developed at the Institute for Fluid Power Drives and Controls (IFAS) of RWTH-Aachen University. The concept allows operating pneumatic systems in a virtually closed loop circuit. Thereby a complex circuitry is avoided and a flexible system layout with all its benefits is preserved.
The operation of a pneumatic system in a fully closed circuit would not be beneficial, because air loss through leakage or intended withdrawal must be compensated. Instead ejectors are utilized to recharge the quasi closed loop circuit and compensate air loss.
The activated ejectors are capable of feeding a mass flow from the environment to the quasi closed circuitry with an elevated pressure level. In this case the air compressor sucks in air from a low pressure accumulator with a raised pressure level instead of the environment with ambient pressure. This reduces the energy consumption of the air compression to a constant pressure level in comparison to a conventional pneumatic system.
The new concept with air recuperation allows the recirculation of the compressed air into a low pressure accumulator, using the ejector instead of the exhaust air throttle. To preserve the motion characteristics of a conventional system with meter-out control, a switching valve is used, which connects the ejector with the low pressure accumulator as long as the ejector is critically perfused. If the flow through the ejector reaches a non-critical condition, the switching valve connects the ejector outlet to the environment, which results in the flow properties of a conventional meter-out control. The switching valve is pressure actuated with an area ratio adjusted to the critical flow condition.
In order to keep the system layout with air recuperation as simple as possible, all further components, except the low pressure accumulator, are integrated into a single assembly. This allows a simple implementation into new pneumatic systems and furthermore provides a possibility to upgrade existing facilities.
The proposed paper will present the stand-alone energy recuperation system installed in an exemplary pick-and-place-application to evaluate the energy savings potential. Furthermore, the presented air recuperation system is compared to other approaches to energy savings. Thereby a holistic view, including the compressed-air system, is intended.

Kompakte pneumatische Ventilsysteme verfügen über spezielle elektropneumatische Vorsteuerventile, die das Ausgangssignal von elektrischen Steuerungen in pneumatische Ansteuersignale für die Hauptventile umsetzen. Durch die zunehmende Miniaturisierung in vielen Bereichen der Industrie-Pneumatik ergeben sich für die Vorsteuerventiltechnik neue Herausforderungen, denen sich die Hersteller stellen müssen. Dabei zeichnen sich zwei unterschiedliche Entwicklungstendenzen ab. Eine Entwicklungsrichtung konzentriert sich auf die Erschließung neuer Aktorprinzipien, die andere versucht, das Potenzial des konventionellen elektromagnetischen Wandlers stärker auszuschöpfen.

Der Fokus des vorliegenden Beitrags ist auf die elektromagnetischen Vorsteuerventile gerichtet, die aufgrund des enormen Kostendrucks in der Pneumatik, nach wie vor in den Standard-Applikationen dominieren. Alternative Aktorprinzipien besitzen zum Teil zwar erhebliches Miniaturisierungspotenzial, finden bisher jedoch vorwiegend nur in weniger kostensensitiven Nischen-Applikationen ihren Einsatz.

Im ersten Teil des Beitrags wird zunächst auf die grundlegenden Forderungen eingegangen, die sich aus dem speziellen Einsatz in bauraumoptimierten Ventilsystemen ergeben. Es werden prinzipielle Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt und verschiedene applikationsspezifische Punkte diskutiert.

Nach diesen einführenden Betrachtungen konzentriert sich die weitere Darstellung auf spezielle Aspekte der einzelnen Teilsysteme des Vorsteuerventils. Schwerpunktthemen sind der elektromagnetische Aktor und die elektronische Ansteuerung.

Dabei wird speziell auf die aus der Miniaturisierung resultierenden Fragestellungen eingegangen. Der elektromagnetische Aktor kommt in Dimensionen, die sehr hohe Forderungen an die Bauteiltoleranzen und die Präzision der Fertigungsprozesse stellen, was nicht ohne Auswirkungen auf die Kostensituation bleibt.

Darüber hinaus wirkt sich die Reduzierung der Baugröße auch auf die Funktion des Aktors aus. Eine Verkleinerung des zur Verfügung stehenden Wickelfensters der Spule führt zu einer entsprechenden Verringerung der Durchflutung. Damit wird das Kraftpotenzial reduziert, das Verhältnis von Reibkraft zu Nutzkraft ungünstiger und die konstruktive Auslegung deutlich anspruchsvoller.

Neben dem verringerten Kraftpotenzial bei vorgegebener Leistung führt die Reduzierung der Baugröße auch zu einer ungünstigeren thermischen Situation infolge Reduzierung der Flächen für den Wärmeübergang.

Durch den Einsatz von mehr oder weniger komplexen Schaltungen zur Haltestromabsenkung kann die Verlustleistung in der Spule deutlich abgesenkt und die Wärmebilanz positiv beeinflusst werden.

Nach diesen eher grundsätzlichen Aussagen zum Thema Vorsteuerventiltechnik wird im letzten Teil eine spezielle technische Realisierung vorgestellt. Es handelt sich dabei um ein Vorsteuerventil mit elektromagnetischem Aktor in U-Bügelausführung. Der pneumatische Steuerteil ist in Form einer Patrone ausgeführt und kann konstruktiv relativ einfach in ein Hauptventil integriert werden.

Der pneumatische Steuerteil der Ventilpatrone unterscheidet sich im konstruktiven Aufbau deutlich von den marktüblichen Lösungen. Während in konventionellen Vorsteuerventilen Elastomerscheiben gegen ringförmige Sitzkonturen weich dichten, ist in der vorgestellten Ventilpatrone ein Hartsitz realisiert. Als Steuerelement kommt eine Metall-Kugel zum Einsatz, die in einem gespritzten kegligen Kunststoffsitz dichtet.

Abschließend wird der Einsatz der Ventilpatrone in einem kompakten Ventilsystem gezeigt. Die spezielle Bauform des Vorsteuerventils ermöglicht eine vorteilhafte Integration in das Hauptventil mit günstiger Gestaltung der pneumatischen Kanalführung und einfacher Möglichkeit zur elektrischen Verkettung.

Magnetic Shape Memory Actuators for Fluidic Applications

Thomas Schiepp, Emmanouel Pagounis, and Markus Laufenberg
ETO MAGNETIC GmbH
Hardtring 8, D-78333 Stockach

Increased product requirements with respect to functionality, durability, and energy efficiency lead to more and more complex systems and design processes. These, however, have to be fulfilled at competitive system and life-cycle costs. In consequence, individual parts and subsystems have to comprise increased functionality and efficiency themselves. The broad class of smart materials, including prominent examples such as piezo ceramics or shape memory alloys as well as less known dielectric elastomers or magnetic shape memory alloys, offer ideal preconditions to fulfill such requirements. Therefore, they have a great potential to play an important role in future actuation technologies for fluidic systems.
Magnetic Shape Memory (MSM) actuators represent a new type of smart electromagnetic actuators where the MSM material elongates and contracts in a magnetic field. Typically, the MSM material is a monocrystalline Ni-Mn-Ga alloy, which has the ability to change its size or shape very fast [1] and many million times repeatedly [2, 3]. Recently a new NiMnGaCoCu alloy showing 12 % MFIS has been investigated [4]. Magnetic Shape Memory actuators exhibit unique advantages such as fast switching with large work output. They can be designed as multistable actuators with near-zero current consumption in any stable position. The phase transition temperature of the MSM material between the low temperature martensite and the high temperature austenite limits the application temperature in current alloys to about 60°C, but future improvements are expected [5].
Based on internally designed and produced Magnetic Shape Memory materials, the ETO GROUP has developed its new MAGNETOSHAPE® technology that offers mono-, bi-, and multistable actuator solutions that have potential to serve various fluidic applications, from pneumatics to hydraulics, stationary or mobile. Fast switching bistable actuators can help to enable digital hydraulics or high-durability high-frequency pneumatic valves. Multistable so-called push-push actuators with two MSM units working antagonistically can potentially replace proportional actuators and do not consume energy when holding intermediate positions.
However, the new technology requires modified approaches in the complete design process. For example, standard magnetostatic FEM simulations techniques have been adapted to take into account the magneto-mechanical coupling and the magnetic anisotropy of the MSM materials [6, 7]. Furthermore, specific control approaches are under development in order to enable fast and precise positioning for fluidic as well as non-fluidic applications.
In this paper, the authors present an overview of the current state of the MAGNETOSHAPE® technology and its future impact on fluidic applications.

References:
[1] M. A. Marioni, R. C. O\'Handley, and S. M. Allen, Appl. Phys. Lett., vol. 83, pp. 3966-3968, 2003.
[2] I. Aaltio, A. Soroka, Y. Ge, O. Söderberg, and S.-P. Hannula, Smart Mater. Struct., vol. 19, 075014, 2010.
[3] T. Schiepp, V. Detkov, M. Maier, E. Pagounis, and M. Laufenberg, Proc. 4th Int. Conf. on Ferromagnetic Shape Memory Alloys (ICFSMA), Boise, Idaho, 2013.
[4] A. Sozinov, N. Lanska, A. Soroka, and W. Zu, Appl. Phys. Lett, vol. 102, 021902, 2013.
[5] E. Pagounis, M. Helmer, M. Maier, and M. Laufenberg, 4th Int. Conf. Smart Materials Structures Systems (CIMTEC), Montecatini Terme, Italy, 2012.
[6] J. Kiang and L. Tong, Smart Mater Struct, vol. 19, pp. 1-17, 2009.
[7] T. Schiepp, M. Maier, E. Pagounis, A. Schlüter, and M. Laufenberg, Proc. 19th Conf. on Computation of Electromagnetic Fields (COMPUMAG), Budapest, Hungary, 2013.

Waterhydraulic brings 50.000 ton press giant back to life


Alcoa, a global leader in Aluminum products manufacturing, celebrated the rebirth of its huge closed die forging press. This press reflects for the company, but especially for the Cleveland Works OH, one of the most important and profitable machines. Also the American Government has big interest in this press, as it forges parts for very prestigious customers of the armaments and aerospace industries.
After a fatal failure in the mechanical press structure in 2009, it was decided to make a complete modernization of this important press. That had to include the change from the crankshaft controlled valves to a new modern waterhydraulic system.

The capabilities of a hydraulic system are not only reduced in up and down movements of the moving crosshead. A lot of press modes have to be realized to achieve a wide product range. Furthermore functions have to be integrated that save life and limb of the people as well as to protect the press from itself with its enormous force. That means among other things a smooth decompression or the avoidance of tilting of the moving crosshead. It was Hauhinco´s registration to combine all these different aspects in a modern hydraulic system, to present the 50k stronger, more efficient, safer and more precise than ever.

This presentation shall show the special requests of this project given to the Hauhinco Engineers to meet with the high and very special demands of the customer from the very beginning up to commissioning. As well as the challenges in the design and preplanning, reflected e.g. in a complete assumption of the existing main pipe system.

Der Wirkmechanismus klassischer Elektromagnete für die Hydraulik und Pneumatik basiert bekanntlich auf der Kraftwirkung zwischen Grenzflächen magnetisch durchfluteter Werkstoffe. Realisiert man diese Grenzflächen mit Hilfe eines Luftspalts zwischen einem feststehenden Kern sowie einem beweglichen Anker und ordnet diesen Luftspalt wiederum möglichst innerhalb einer Spule an, so erreicht man für mittlere Luftspalte wirksame Betätigungskräfte. Die hier beschriebene Form der Krafterzeugung hat sich für kleine und mittlere Luftspalte für die Hydraulik und Pneumatik großtechnisch durchgesetzt. Insbesondere durch die Kennlinienbeeinflussung mittels Geometrievariation von Kern und Anker ist das Wirkprinzip für stetige Stellaufgaben in Proportionalventilen ideal geeignet.
Die Vor- und Nachteile weiterer, stetig wirkender Wirkprinzipien werden in diversen Anwendungen genutzt. Beispielsweise wird die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter in Tauchspulen in hochdynamische Linearbewegungen umgesetzt (Lautsprecher, Ventile). Auch in diesem Fall steht die stetige Kraftentfaltung und Regelbarkeit im Vordergrund.
Für weitere, teilweise hochgradig spezifische Aufgabenstellungen wird anstelle der stetigen Krafteinfaltung eine impulsartige, hochdynamische Krafterzeugung gefordert.
Das Prinzip der Selbstinduktion gemäß der Lenz’schen Regel ermöglicht am Beispiel des Thomson’schen Ringversuchs eindrucksvolle Kraftwirkungen. Diese Lösung ist jedoch in der praktischen Anwendung nicht einfach umzusetzen.
Magnet-Schultz hat sich für die hochdynamische Anwendungsaufgaben auf die technische Umsetzung des Prinzips konzentriert, dass jeder Magnetkreis bestrebt ist, die magnetischen Feldlinien zu verkürzen. Diese physikalische Theorie wurde im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wie folgt in ein Muster umgesetzt:
Der Aktuator besteht aus einem Magnetkörper mit 78 mm Außendurchmesser und einer Länge von 210 mm. Die Spule dieses Magnetkörpers ist niederohmig ausgelegt und hat einen Widerstand von 3,4 Ohm. Der Anker besteht aus einem ferromagnetischen sowie einem deutlich kürzerem nicht magnetisierbarem Werkstoff und hat einen Durchmesser von 33 mm. Zu Beginn der Bestromung befindet sich nur der nicht magnetisierbare Ankerteil innerhalb des Magnetkörpers. Bei Bestromung mit einem B6-Brückengleichrichter gespeist aus einer Nennspannung von 540 V ergeben sich sehr eindrucksvolle technische Hubdaten: Der Ankerhub von 200 mm wird innerhalb von 35 ms durchfahren. Die dabei anliegende Magnetkraft liegt in der Höhe von 840 N. Die in einen Impuls umsetzbare kinetische Energie beträgt 163 J.
Die Leistungsdaten des Antriebs wurden mit Hilfe eines Demonstrationsmusters nachgewiesen. Die Gestaltung des Musters berücksichtigt eine ausreichende Robustheit für den praktischen Einsatz und eine fertigungsgerechte Konstruktion.
Der entwickelte Aktuator besticht durch seinen sehr einfachen Aufbau bei gleichzeitig imposanten technischen Daten. Die theoretische Ableitung des Prinzips auf kleine Baugrößen würde beispielsweise für einen 19 mm-Magnet Kraftentfaltungen von ca. 50 N bei einem Hub von 48 mm ermöglichen.
Beispiele von Anwendungen für dieses Funktionsprinzip sind Spannungstrennschalter, Prüfanlagen und sonstige Aufgaben in der Bau- und Energietechnik. Neben solch eher elektro-mechanischen Funktionen ist das Prinzip auch für Ventilfunktionen anwendbar. Kombiniert man die Schaltfunktion mit einer magnetischen Haltefunktion so verharrt nach der Durchführung des Ventilhubes der Anker in seiner Endlage. Dadurch kann eine hochdynamische Ventilfunktion realisiert werden.

Die stetig wachsenden Anforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz von Verkehrssystemen beschleunigen die Entwicklung und Realisierung von Hybridantrieben zur Bremsenergierückgewinnung, wobei bisher vorwiegend elektrische Energiespeicher zum Einsatz kommen. Eine weitere Möglichkeit bilden hydraulische Hybridantriebe, wobei die Bremsenergie über eine Axialkolbenmaschine durch Druckaufbau in einem hydraulischen Gasdruckspeicher gespeichert wird. Dabei dient ein Ventilblock zur Steuerung des Befüll- und Entladevorgangs und schützt den Speicher vor Überdruck. Allerdings muss das Gewicht der hydraulischen Systemkomponenten für den erfolgreichen Einsatz in Personenkraftwagen im Vergleich zu heutigen Anwendungen in der Industrie- und Arbeitshydraulik noch deutlich reduziert werden.

Insbesondere die Behälterstruktur von hydraulischen Gasdruckspeichern wie etwa von Blasen- und Kolbenspeichern bietet sich mit ihrer unverzweigten schalenförmigen Gestalt sowie ihrer eindeutigen Belastung für eine Umsetzung in Faserverbund-Leichtbauweise an. Durch die gezielte Anpassung der Faserorientierungen an den maßgeblich zweidimensionalen Beanspruchungszustand in der Behälterwandung können die außergewöhnlich hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) hervorragend ausgenutzt werden. Demgegenüber sind die Ventilsitze an den Enden der Behälterstruktur mit ihrer komplexen Gestalt und ihren vielfältigen Funktionsflächen eher für den Einsatz von metallischen Werkstoffen mit isotropen Materialeigenschaften geeignet. Die erfolgreiche Realisierung einer derartigen Mischbauweise erfordert ein methodisches Vorgehen von der Konzeption über den Entwurf bis hin zur detaillierten Auslegung unter Berücksichtigung von strukturmechanischen als auch fertigungstechnischen Gesichtspunkten.

Am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) wurde ein prototypischer Leichtbau-Hydraulikblasenspeicher in Multi-Material-Design entwickelt und realisiert, mit dem im Vergleich zum metallischen Referenzspeicher eine deutliche Gewichtseinsparung von etwa 30 % erreicht wurde. Zur Auslegung der einzelnen Speicherkomponenten dienten detaillierte Finite-Elemente-(FE)-Modelle der Gesamtbaugruppe, wobei für die Bewertung der Werkstoffanstrengung in der CFK-Struktur physikalisch begründete Versagenskriterien verwendet wurden. Die Werkstoffkennwerte für die FE-Simulation wurden mithilfe einer umfangreichen Werkstoffcharakterisierung ermittelt, wobei auch die Werkstoffdegradation von CFK unter thermischer und medialer Belastung (Hydrauliköl) betrachtet wurde.

Einen weiteren Schwerpunkt der Untersuchungen am ILK bildete die Entwicklung eines Leichtbau-Ventilblocks, wobei ein metallischer Ventilblock in klassischer Monoblockbauweise als Referenz diente. Bei Monoblockbauweisen, die durch spanende Bearbeitung von metallischen Halbzeugen hergestellt werden, verbleiben fertigungsbedingt große Werkstoffmengen ohne hydraulische oder strukturmechanische Funktion. Derartige kompakte und hochbeanspruchte Strukturen sind gewöhnlich nicht für die Umsetzung einer Faserverbundleichtbauweise prädestiniert. Vielmehr können hier durch gießtechnische als auch generative Fertigungsverfahren mit metallischen Werkstoffen neue Leichtbaupotentiale erschlossen werden, indem der Werkstoff im Wesentlichen nur rohrleitungsartig um die benötigten Hydraulikkanäle und mit definierter Wandstärke um die Ventilsitze, Anschlüsse, Dichtungsnuten und Montageschnittstellen angeordnet ist. Am ILK wurden detaillierte Entwürfe für innovative Leichtbau-Ventilblöcke erarbeitet sowie FE-Simulationen und experimentelle Voruntersuchungen zur Machbarkeit durchgeführt. Diese Untersuchungen zeigen, dass das Gewicht von metallischen Leichtbauweisen im Vergleich zu klassischen Monoblockbauweisen um bis zu 50 % reduziert werden kann.

The standards for functional safety (e.g. IEC 61508, ISO 13849 and IEC 62061) opened up a new era in the design of machinery, in which the safety of the control system is evaluated according to its reliability. In order to prove the safety of their machines, designers now need different parameters, e.g. MTTFd or B10d. Based on a ISO/IEC survey from 2012, the availability of those parameters is the main problem in applying functional safety standards. But what exactly do these parameters mean? How can these parameters be determined for different control technologies?

This presentation offers an explanation of the main methods for the determination of the reliability parameters for functional safety for hydraulic components.

Although reliability is often confused with statistical parameters, it is much more a product characteristic that is to be designed systematically according to the definition in EN 13306: \"Ability of an item to perform a required function (with defined limits) under given conditions (loads) for a given time interval (service time). The term \'reliability\' is also used as a variable for the degree of reliability and can also be defined as a probability (e.g. number of failures during the service time).\"

Component manufacturers provide a variety of reliability parameters (e.g. MTTFd or B10), depending on the technology. These are statistically expected values that depend heavily on the method employed and the operating conditions. The methods for determining the reliability parameters for functional safety can essentially be broken down into three principle types: calculation, testing and evaluation of field data. This presentation presents all three approaches; their difficulties, prerequisites and neces-sary assumptions.

The calculation of reliability data of hydraulic components is mainly based on the standardized MTTFd values from ISO 13849. The presentation includes a qualified method to confirm the necessary basic and well-tried principles and how to calculate the combined values of complex hydraulic components.

In terms of testing, this contribution presents different testing strategies to determine B10 and therefore B10d values. Necessary input for such a lifetime testing are work conditions like pressure, flow, load cycles, which have a major impact on the deter-mined values and which need to be standardized in typical application loads to come up with comparable results. Beside the input values, further definitions are required for the evaluation, e.g. confidence intervals and ratio of dangerous failure.

The evaluation of field data is the last presented approach to determine reliability data. As before, the authors focus on different assumptions to evaluate available data and present problems and approaches to deal with the accuracy of field data.

Finally, the presentation summarizes the main benefits and discrepancies of the three presented methods.

The entire presentation is guided by an example of an electro-hydraulic control valve.

Lumped parameter system simulations are a commonly used tool in hydraulic system design and dimensioning. Most models are volume based and therefore inappropriate for many applications. Especially in closed loop systems, long term simulations and in systems where the consideration of entrained air is necessary, models based on the physically correct mass balance are essential to provide accurate simulation results. The basis of lumped parameter simulations is the capacity as it is the key component to calculate the pressure build-up.

State of the art equations to model this pressure build-up are volume based and consider only the pressure build-up in a liquid phase volume. A possibly existing gaseous phase is respected by an effective bulk-modulus. There also exist a few models that use mass balances and mass flows to calculate the pressure build-up in capacities but do not include the time dependency of the phase change between two existing phases.

In this paper a new model is presented that allows the calculation of the pressure build-up and decrease in a multi-phase capacity with the overall goal to increase lumped parameter simulations accuracy. Therefore the model considers different compositions of the fluid at the start of simulation. Phase changing effects like the solution and release of air are included taking the speed of these effects into account. The necessary data were experimentally determined for a commonly used hydraulic mineral oil and an ester based oil. The model allows the calculation of the pressure build-up and reduction due to volume changes, changes in the total mass of the considered volume as well as time dependent phase changes of the elements.

To validate the model measurements are performed allowing a precise recording of the pressure build-up and reduction in a rigid test chamber. This special remodelled test-rig provides the possibility to vary separately the volume, the liquids phase mass content, and the gaseous phase mass content. Additionally the test chamber is leak-proof so that time variant effects can be considered in the measurements.

In hydraulic systems air in oil appear as undissolved air (free air) or dissolved air. The solubility of air in oil depends on oil type, temperature und system pressure. Air bubbles are formed when the pressure falls below the solubility limit. This process is faster than the opposite process, the dissolution of air in oil below the solubility limit. Free air can lead to cavitation and micro-diesel effects which may damage the hydraulic equipment and lead to premature oil ageing. Thus the design target for the system is to get as less air bubbles as possible and that existent free air will be separated from the oil. The higher the retention time of oil in hydraulic tanks is the more air is segregated. But due to packaging reasons the available space for hydraulic tanks in agricultural or construction machines is decreasing. Tank design in terms of space and geometry is influenced by a more compact machine design and by requirements of exhaust after-treatment systems. So the objective of inner tank design is to reach good air release properties despite of short retention time.

In previous projects at the Institute of Mobile Machines and Commercial Vehicles (IMN) criteria for the characterization of foaming behaviour were developed. Furthermore the effects of air in oil on the system dynamics and on the efficiency of hydrostatic transmissions with dry case motors were investigated. Since the operation of dry case motors causes an increase of air content in the oil appropriate tank designs were evaluated. A test bench for a transmission with different hydraulic test tanks was built allowing to measure pressures and temperatures as operation parameters and to visually control the oil at different positions in the hydraulic system and the tank. As a result of the evaluation it can be stated that the air separation ability of hydraulic tanks can be improved by employing adapted mechanical measures. However, oil behaviour is depending on multiple parameters such as temperatures, flow rates and others. For this reason tank design cannot be developed efficiently only with this empiric approach.

At the IMN computational fluid dynamics (CFD) is chosen as a tool to evaluate appropriate tank designs regarding their air separation properties. Project objective is to find the best tank alternatives. Therefore two-phase-simulation approaches are under development. The simulation of those oil-air combinations in hydraulic tanks will be validated by test bench investigations.

In the proposed paper at first existing approaches for the improvements of air separation properties will be outlined and discussed. Following possible definitions for oil quality and oil behaviour in hydraulic tanks regarding their appropriateness for hydraulic systems of mobile machines will be discussed. The relevant input and output parameters for simulation will be derived. Then approaches for the simulations that have to be considered for this research project will be presented and discussed.
In the last part of the paper the test bench concept will be presented. Duty cycles of the hydraulic tanks in the real scale of a mobile machine will be applied on this test bench. The tanks therefore have to be furnished with flow rates, temperatures and oil qualities similar to those of the real machine. For the validation of the simulation outcome of the test runs will be the flow properties, temperatures and parameters that determine the oil quality.

Die Komplexität der Antriebs- und Steuerungstechnik mobiler Arbeitsmaschinen steigt in den letzten Jahren aufgrund des wachsenden Anteils von Elektronik. Die Einbindung elektronischer Systeme bietet ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Effizienz. Die Software wird dabei zur funktionsbestimmenden Schlüsselkomponente.
Die Funktionserprobung der Steuerung erfordert auch unter dem Aspekt der Maschinensicherheit neue und effiziente Methoden. Bisher erfolgte der funktionale Test erst an der realen Maschine. Diese Vorgehensweise ist nicht nur ressourcenintensiv, sondern auch sehr risikoreich. Hardware-in-the-Loop-(HiL)-Lösungen stellen eine Möglichkeit der frühzeitigen Prüfung dar. Dabei bildet eine virtuelle Umgebung das reale Verhalten der zu entwickelnden Maschine ab. Kritische Fehlerszenarien lassen sich so umfangreich und gefahrlos erproben. In der Automobilbranche ist der Einsatz bereits länger gängige Praxis.
Die HiL-Methode bedingt die Echtzeitfähigkeit der Simulation. Existierende Modelle aus dem Systementwurf werden diesem Anspruch oft nicht gerecht. Die Umsetzung der Echtzeitanforderungen ist sehr zeit- und kostenintensiv. Dazu sind Erfahrung und Systemkenntnis erforderlich. Es ist meist notwendig, das Modell in seiner Komplexität zu reduzieren, ohne dabei verhaltensrelevante Eigenschaften zu vernachlässigen. Der Aufwand verhindert bisher die Verbreitung der Methodik vor allem bei klein- und mittelständischen Herstellern mobiler Arbeitsmaschinen.
Der Begriff Echtzeit beinhaltet den Anspruch nach Recht- und Gleichzeitigkeit der Systemreaktion auf einen externen Prozess. Innerhalb des Steuergerätetakts müssen alle externen Daten korrekt verarbeitet und alle Ausgangssignale bereitgestellt werden. Bezogen auf die Simulation muss die Rechenzeit zur Auswertung des Modells stets kleiner als die zugehörige Zeitschrittweite sein. Zusätzlich ist die numerische Stabilität des Integrationsverfahrens eine begrenzende Eigenschaft. Je höher die Eigenwerte des Systems, umso kleiner muss die Schrittweite gewählt werden. Steife Systeme führen so zu sehr kleinen Schrittweiten. Dies schränkt den berechenbaren Modellumfang erheblich ein. Zudem ist die Auswertung algebraischer Bedingungen oder die genaue Identifikation von Unstetigkeitsstellen nur eingeschränkt zulässig.
Die Simulation fluidtechnischer Systeme in Echtzeit wurde bisher in der Literatur nur sehr rudimentär behandelt. Dabei führt die Modellbeschreibung im Kontext der Echtzeitsimulation oft zu Schwierigkeiten. Die Modelle weisen ein stark nichtlineares Verhalten auf. Bestimmte Modellansätze führen zu impliziten Ausdrücken. Charakteristische Elemente wie Sperrventile und starre Anschläge verursachen Unstetigkeiten. Kleine Volumina in Verbindung mit großen Volumenströmen führen zu steifen Systemen.
Der Beitrag beschreibt am Beispiel der Arbeitsausrüstung einer mobilen Arbeitsmaschine die Vorgehensweise bei der Generierung eines Echtzeitmodells. Grundlage ist ein validiertes nicht echtzeitfähiges Simulationsmodell aus dem Systementwurf. Die Anforderungen an die Echtzeitmodellierung bilden dem Ausgangspunkt der Erläuterungen. Das Paper zeigt den Einsatz von Analysewerkzeugen der Simulationsumgebung zur Identifikation kritischer Elemente. Im Fokus des Artikels steht jedoch vor allem die echtzeitfähige Modellbildung des hydraulisch-mechanischen Antriebs. Hierzu wird die vorhandene fluidtechnische Modellbibliothek der Simulationsumgebung ergänzt. Rechenzeitintensive Beschreibungen, Unstetigkeiten sowie iterative Auswertungen innerhalb der Elemente werden durch günstigere Formulierungen ersetzt. Steife Verbindungen außerhalb des verhaltensrelevanten Bereichs werden in quasistatische Zusammenhänge umgeformt. Abschließend wird anhand des Vergleichs mit Messdaten eines Applikationsprüfstandes die erreichbare Genauigkeit bewertet. Die aufgezeigten Maßnahmen und Anpassungen sind grundsätzlich auch auf andere Antriebslösungen und Simulationsumgebungen übertragbar.

In this paper an innovative design solution of a vane pump integrated in to an electric motor will be presented. An integrated motor-pump assembly together with a supply converter and control system will be developed, as well as electromechanical and hydraulic processes in the motor pump group analyzed. Simulation models of motor pump group will be designed in order to investigate its functionality, electromechanical and hydraulic parameters, total efficiency, vibrations, noise and system dynamics. The studies described in this paper relate to the double vane pumps, but these results will also be representative for hydraulic drives with other positive displacement pumps. Developing a new generation of fluid power pumps with integrated electric drive is an innovative solution and characterized by a wide range of possible applications. The proposed solution can be widely used in automation and robotics, aviation, automotive and other applications.

The proposed solution is based on the concept of mechatronic pump drive. In the suggested solution the positive displacement pump is built into the rotor of an electric permanent magnet motor. The inner parts of the pump are stationary, while the housing is spinning. Due to the lack of centrifugal force, the vanes are additionally pressed to the external cam ring using springs. The ability to control the pump flow directly through the speed control of the electric motor simplifies the fluid power control system, reducing the cost of implementation, and increasing the reliability. Results in this paper are presented for the double vane pump but are also applicable for other displacement pumps.

This new solution allows for a substantial (40%) reduction in volume of motor-pump groups compared to conventional solutions and has a significantly lower noise emission. Motors with permanent magnets are used in high performance drives with a wide range of rotational speed control. They have the highest energy efficiency of all electric motors, are characterized by the highest values of the nominal and maximum torque, have a big duty moment and allow high dynamics and precision adjustment of the drive, ie.: quick response to change of the drive load and the settings.

In the paper physical models for the evaluation of the functionality, the controllability, reliability and dynamic behavior of the motor pump group in the hydraulic systems will be presented. The proposed concept of the mechatronic positive displacement pump design solution meets many high requirements concerning hydraulic drives in industrial applications during recent years.

Der Optimierung des Gesamtwirkungsgrades von hydrostatischen Kolbenverdrängern sind physikalische Grenzen gesetzt, die bei einigen Bauarten durch empirische Entwicklung weitgehend erreicht sind.
Der Inhalt dieses Beitrages bezieht sich daher nicht nur auf die Optimierung des Wirkungsgrades im Allgemeinen, sondern speziell auf die Adaptierung bzw. Verschiebung der Bereiche hoher Effizienz in einen spezifischen Arbeitsbereich, der durch die Anwendung bzw. Nutzung der Verdrängermaschine vorgegeben ist.
Voraussetzung für die systematische Beeinflussung des Wirkungsgrades ist neben der Kenntnis der typischen Arbeitspunkte der eingesetzten Einheit insbesondere die möglichst genaue Betrachtung der Verlustmechanismen, um diese mit zutreffenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben und in der Folge auch zielgerichtet beeinflussen zu können.
Als hauptursächliche Verluststellen lassen sich typischerweise Reibung und Leckage zwischen Steuerplatte und Kolbentrommel, Kolben und Buchse sowie Kolbenschuh und Widerlager ausmachen. Durch die gezielte Verlagerung von volumetrischen und hydromechanischen Verlustmechanismen lässt sich der Bereich des theoretisch erzielbaren Gesamtwirkungsgrades deutlich verlagern und führt somit zu einem effizienteren Einsatz der Einheit im gewählten Arbeitsbereich.
Als Versuchsträger, der eine direkte Beeinflussung der besagten Verluststellen ermöglicht, wird die RAC-Einheit (Radialkolbenmaschine mit konischen Steuerplatten) eingesetzt, die gleichwertig als Pumpe und Motor verwendet werden kann.
Die Verlustleistungen an den funktionellen Komponenten werden zunächst analytisch ermittelt und beschrieben, wobei gezielt freie Parameter für die Einflussnahme ausgewählt werden. Anschließend werden diese Parameter miteinander kombiniert, um den Bereich hoher Gesamtwirkungsgrade zu ermitteln und mit dem gewählten Betriebspunkt oder Betriebsbereich abzustimmen.
In einem Wirkungsgradprüfstand werden die nach den Parametervorgaben modifizierten Komponenten in einem gemeinsamen Versuchsträger auf die Wirksamkeit der Betriebspunkt-Adaptierung untersucht. Dies soll für mehrere typische Anwendungsbereiche aus der Mobil- bzw. Stationärhydraulik durchgeführt und verglichen werden.
Ziel ist die Entwicklung eines analytischen Werkzeugs, das dem Konstrukteur schon während der Auslegung ermöglicht, den Bereich der besten Gesamtwirkungsrade in die Bereiche der späteren Nutzung zu verschieben, um so eine auf die Einsatzbedingungen optimal zugeschnittene Verdrängereinheit zu erhalten.

Emitted noise is one of the biggest drawbacks by using fluid power systems. By using variable pump/motor units the fluid power architecture is more flexible and the efficiency is drastically improved. However, the noise level at fragment displacement angles is not proportional to the power output. The noise level is rather increased with decreased setting angle.
This study investigates the oscillations of swash plate due to piston forces acting on the swash plate in in-line pumps. Most of the earlier investigations done in variable axial piston pumps assume fixed swash plate angle, i.e. the swash plate are fixed at different displacement angles. In normal operation conditions the swash plate is controlled by hydraulic actuators which affect the swash plate. The flow pulsation and force and movement oscillations are affected by the additional dynamics from the swash plate control. The states which are considered in this study include flow pulsations, force and moment pulsations as well as energy losses.
A model to understand the pump/motor behavior at variable displacement angles is presented. Model includes the important forces created due to pressure build up in the pump and acting on the swash plate. The pump/motor control cylinder is modeled to enable investigations of the oscillations on the swash-plate caused by the piston forces on the swash-plate. The model is able to separate all different losses caused by the pump pulsations and the controller. The results show behavior which will affect both efficiency and noise.

In the wide range products such as wind turbine generator, engine generator, railway vehicle, ship and so on, the demands for large capacity hydrostatic transmission with high efficiency are increasing as a substitute of conventional transmission such as gearbox in the drive train systems for improvement and differentiation of such products.
For satisfying such demands, large capacity hydrostatic transmission with variable displacement was developed, which is comprised of original hydraulic pump and motors with applying the Digital Displacement ® technology by Artemis Intelligent Power, Ltd.
The hydrostatic transmission to introduce here is comprised of multistage radial piston hydraulic pump and motors. Hydraulic pump is comprised of rotating multi-lobe ring cams and pistons located around ring cam radially, and hydraulic motor is comprised of pistons located radially and crankshaft driven by these pistons. In particular, it is able to change the displacement of pump and motors by controlling each valve individually, where valves are installed in all cylinders. The authors succeeded in the development of large capacity hydrostatic transmission with variable displacement over 7MW by applying these systems.
As a result, the authors confirmed that it is possible to manufacture and provide the compact and light-weighted hydrostatic transmission with high efficiency and large capacity compared with conventional type transmission such as gearbox and there is a possibility to it seems to be able to improve and differentiate various products above mentored by applying these technologies.

In the coming decade, cost reduction and energy efficiency will be the dominating success factors for any industry. Currently, the hydraulic industry is not fit to meet these demands: hydraulic systems and components are simply too expensive and too inefficient. It is important to mention that there are no fundamental reasons for the poor performance and high manufacturing, production, and engineering cost. Without doubt, hydraulics can be efficient and low-cost. However, the niche market in which the hydraulic industry operates simply does not have an alternative for the hydraulic cylinder. Without feeling the heat of competition, the hydraulic industry has not had enough incentive to invest in new products and technologies. But changes are apparent. Relatively high labour cost already threatens the production industry in Europe and North America. Moreover, the uncertainty about future fuel and energy prices, and CO2 emission demands, will force the industry to change. If it does, it will create unprecedented market opportunities, utilizing the full potential of high power, torque, and force densities, combined with flexibility in control and power management. The fluid power industry really does not have an alternative. It is convicted to innovation.

Im Wasser-/Dampfkreislauf thermischer Kraftwerke müssen Dampfmassenströme zuverlässig manipuliert werden. Dabei sind über Dampfventile sowohl diskrete Absperrfunktionen zu erfüllen als auch Druck und Temperatur entsprechend den Erfordernissen nachfolgender Systeme, beispielsweise der Turbine, feinfühlig einzustellen und zu regeln. Beim Betrieb verfahrenstechnischer Anlagen im Kraftwerk sind zudem hohe Sicherheitsanforderungen einzuhalten, da sie ein erhöhtes Gefährdungspotential für Mensch und Umwelt darstellen und im Störungsfall Schäden verursachen können. Nichtsdestoweniger soll eine hohe wirtschaftliche Verfügbarkeit gewährleistet werden. Vor diesem Hintergrund wird der Steuerfunktion der Dampfventile häufig eine Sicherheitsfunktion zur Schnellauslösung überlagert.

Mit elektrohydraulischen Stellantrieben können gesteuerte wie geregelte Bewegungen von Dampfventilen zur Erfüllung der genannten Funktionen effektiv und zuverlässig realisiert werden. Im Beitrag werden Aufbau und Funktionsweise herkömmlicher Dampfventilstellantriebe vorgestellt. Als Aktuatoren kommen üblicherweise hydraulische Gleichgangzylinder zum Einsatz, als Energiespeicher für die Schnellauslösung Tellerfederpakete. Die Versorgung eines kompletten Turbinensatzes (8-10 Antriebe) erfolgt aus einem zentralen Hydraulikaggregat. Die Auslösung der Sicherheitsfunktion erfolgt durch Ventilsteuerungen, die in verschiedenen Auswahllogiken (1 von 1, 1 von 2, 2 von 3 usw.) verschaltet sein können. Ausführung der Auswahllogik, Eigenschaften der Komponenten, Redundanzen und Überwachungsmöglichkeiten beeinflussen maßgeblich die funktionale Sicherheit, bewertet durch den Sicherheitsintegritätslevel (SIL) nach DIN EN 61508, sowie die wirtschaftliche Verfügbarkeit.

In diesem Bereich ergeben sich aus Entwicklungssicht diverse Tätigkeitsfelder. Schwerpunkt des Vortrags ist die Entwicklung von Stellantrieben auf Basis eines alternativen Konzepts, das sich durch zwei wesentliche Innovationen von konventionellen Stellantrieben abhebt:
• Zum einen wird ein Paradigmenwechsel weg von der Zentralhydraulik hin zu dezentralen autarken Antrieben vollzogen. Diese Kompaktantriebseinheiten sind eigenständig und können nach dem Plug-and-Work-Prinzip eingesetzt und ausgetauscht werden.
• Zum anderen wird die mechanische Feder (meist Tellerfedern) durch eine hydropneumatische Feder in Form eines oder mehrerer Hydrospeicher ersetzt. Die Federkennlinie kann dabei sowohl durch die Komponentenkonstellation als auch durch eine ständig wirkende Druckstelleinrichtung flexibel kontrolliert werden.

Mit diesem Antriebskonzept können diverse Vorteile erzielt werden:
• Hohe Modularität und Anpassungsfähigkeit, Redundanz leicht realisierbar
• Geringe Antriebsvariantenvielfalt, viele Gleichteile
• Hohe Flexibilität durch Kennlinien- und Kraftniveauanpassung, auch im Betrieb
• Einsatz eines Antriebs an unterschiedlichen Dampfventilen durch einfache Umbauten und Einstellungen möglich
• Während der Bewegung ständige Überwachung der Schließkraftverfügbarkeit
• Zuverlässige Ausübung der Sicherheitsfunktion durch bewährte Technik und Bauteile
• Auswahllogik der Sicherheitssteuerung austauschbar; SIL 2 für Einzelantrieb, SIL 3 für Serienschaltung möglich

Die Eigenschaften des autarken Hydrospeicherantriebs eröffnen prinzipiell auch Anwendungen außerhalb des Kraftwerksbereichs, insbesondere dort, wo Regel- und Steuerfunktionen in Kombination mit sicherheitsrelevanter Schnellauslösung gefragt sind, z.B. in Prozesstechnik- und Industriearmaturen, Klappensteuerungen, Marine- und Offshoreanwendungen oder Leistungsschalterantrieben.

Durch Initiativen der EU und auch aus wirtschaftlichen Gründen rückt die Reduzierung des Energiebedarfs bei der Entwicklung von Maschinen und deren Antrieben immer stärker in den Vordergrund. Die gesetzlichen Vorgaben haben auch Auswirkungen auf die Gestaltung der hydraulischen Systeme. So fordert die europaweit geltende Elektromotorenverordnung (640/2009 vom 22.07.2009) den nächsten Schritt zur Reduzierung der Energieverluste von elektrischen Motoren schon ab dem 01.01.2015. Während der Einsatz von IE1 – Motoren heute schon in der EU untersagt und durch IE2 – Motoren als Antrieb von Hydraulikpumpen ersetzt wurden, ist zukünftig nur noch der Einsatz von IE3-Motoren erlaubt. Die kostengünstigeren IE2 – Motoren sind ab 01.01.2015 nur noch im drehzahlgeregelten Betrieb zulässig.

Die Eingruppierung eines Elektromotors hinsichtlich seiner Energieeffizienz erfolgt auf Basis seiner Verluste im Nennbetriebspunkt. Da Elektromotoren an Pumpen hydraulischer Druckversorgungen während des Maschinenbetriebs meist in stark wechselnden Betriebspunkten betrieben werden, lässt die Energieeffizienzklasse des Motors keinen Rückschluss auf die Energieeffizienz in der speziellen Applikation zu. Der optimale Arbeitspunkt des Elektromotors wie auch der Hydraulikpumpe wird in vielen Anwendungen nur in kurzen Betriebsphasen genutzt, so dass die Optimierung des Gesamtsystems „Drehzahlgeregelte Motor-Pumpen-Einheit“ zu fordern ist.
Deshalb gilt es bei der energetischen Optimierung drehzahlveränderbarer Pumpensysteme wie beispielsweise der Parker Drive-Controlled-Pump eine applikationsorientiert optimierte Konfiguration unter Berücksichtigung der verschiedenen Elektromotor- und Pumpenkonzepte zu finden, um das Potential der energetischen Optimierung auszuschöpfen.

Als hydraulische Lösung zum Energiesparen wurde nach der in Stufen schaltbaren Konstantpumpe die Verstellpumpe mit änderbarem Schluckvolumen bei konstanter Drehzahl entwickelt. Eine Hydraulikpumpe mit veränderlichem Schluckvolumen ist deutlich kostengünstiger als ein zusätzlicher Frequenzumrichter für den drehzahlvariablen Betrieb eines Elektromotors. Verstellbare Pumpen erreichen in ihrem Nennarbeitspunkt gute Wirkungsgrade. Allerdings fällt der Wirkungsgrad im Teillastbereich bei zurückgeschwenkter Pumpe stark ab. Auch benötigt die hydraulische Verstellung des Schluckvolumens eine Steuerleistung, die unabhängig von der abgegebenen Leistung ist. Durch den reduzierten Hub verliert der Pumpvorgang an Effektivität.

Konstantpumpen in Zahnrad-, Flügelzellen- und Kolbenbauweise benötigen keine hydraulische Vorsteuerung, die Verluste erzeugt, die Pumpe fördert immer ihr spezfisches Verdrängungsvolumen. Die einfache Mechanik führt zu sehr niedrigen Verlusten im unteren Teillastbereich, wenn z.B. drucklos zum Tank umgewälzt wird. Werden in Stufen schaltbare Konstantpumpen drehzahlvariabel angetrieben, kann wahlweise energieeffizient mit kleinem Drehmoment ein großer Volumenstrom bei kleinem Druck oder ein kleiner Förderstrom bei hohem Druck gefördert werden.
Besonders gute Wirkungsgrade lassen sich durch die Kombination von Konstantpumpe und verstellbarer Pumpe erreichen. Der große Volumenstrom wird dabei von allen Pumpen gefördert und der Druck von der verstellbaren Pumpe alleine gehalten. Die Konstantpumpe verbessert den Wirkungsgrad in der Teillast.

Bei der Konfiguration der optimalen Motor-Pumpen-Kombination wird auch die Charakteristik unterschiedlicher Elektromotorkonzepte zur Erzielung eines optimierten Energieverbrauchs in der Applikation berücksichtigt. Insbesondere vor dem Hintergrund der Elektromotorenverordnung werden neben den heute gebräuchlichen Asynchron- und Synchronmotoren auch neue Entwicklung alternativer Motorkonzepte wie beispielsweise der Reluktanzmotorentechnik betrachtet.

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In the most applications of hydraulic actuators in industrial automation and power generation there is a demand for reduction of energy consumption. The competitive electromechanical actuators full fill this requirement. They are characterised by limited forces and lower reliabilities and availabilities. Electro hydrostatic actuators combine the advantages of both technologies (hydraulic and electro mechanical), which means:
 Low energy consumption – power only on demand
 Easy implementation of a linear movement
 High force levels
 Line replaceable unit
 Power by wire
The following picture shows the circuit and the implementation of such an actuator for the pitch control of a 3 MW wind turbine:

This paper describes the integration of the components of the actuator and the adaptation of the subsystems and components. All elements of the actuator are based on well proofed developments and have been modified for this highly integrated system. From outside the actuator is easy to use and to connect, so mechanical, electrical and SW interfaces are described in the paper. Such an actuator has to full fill other requirements like minimised service intervals, self-diagnosis and noise emission, which is also described in this paper.

Die Bewertung von Antriebstechnologien bezüglich Energieeffizienz wird häufig an Hand des Wirkungsgrads durchgeführt. Dabei wird oftmals elektrischen Antrieben pauschal ein Wirkungsgrad von ca. 80%-90% und der Drucklufttechnik ein Wirkungsgrad von ca. 5%-10% zugesprochen. Daraus abgeleitet ergibt sich ein ca. 8 bis 18-fach höherer Energieverbrauch der Pneumatik, teilweise werden sogar noch deutlich höhere Faktoren von bis zu 30 zum Nachteil der Pneumatik in der Literatur angegeben. Doch wie wird der Wirkungsgrad bestimmt? Im Speziellen bei Antrieben in horizontaler Orientierung wird physikalisch betrachtet keinerlei Arbeit verrichtet, so dass schon allein die Angabe von Wirkungsgraden fragwürdig ist - wie soll er dann erst gemessen werden?
In diesem Beitrag wird die Angabe der Wirkungsgrade bzw. der damit verbundene Vergleich indirekt durch ein Experiment untersucht. Wenn die Wirkungsgrade einen Unterschied von ca. 18 aufweisen, muss sich dies auch in der aufgenommenen Energie bei der gleichen Bewegungsaufgabe niederschlagen.

Hierzu wird zunächst der Unterschied beider Antriebssysteme in Bezug auf das Kraft- und Bewegungsverhalten analysiert. Dabei wird ersichtlich, dass erst durch eine Vereinheitlichung der Kraft- und Bewegungsfunktionen ein sinnvoller Vergleich möglich wird. Durch diesen Vergleich wird ein energiesparender Modus für den Pneumatik- Antrieb abgeleitet und am Aufbau steuerungsstechnisch realisiert.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen deutlich geringere Unterschiede der beiden Technologien als in der Literatur angegeben. Die Plausibilität dieser Ergebnisse wird abschließend durch die Betrachtung eines Exergieflussdiagramms für den pneumatischen Antrieb und einem sogenannten Muscheldiagramm für den elektrischen Antrieb im Start-Stop Modus überprüft.

Hohe Energiepreise, Kostendruck und Bewusstsein für den Klimaschutz
machen Energieeffizienz zu einer unternehmerischen Kernaufgabe. Im
Kontext der Energieeffizienz hat das Monitoring und die Diagnose
relevanter Kenngrößen einen hohen Stellenwert. Angewendet auf die
Pneumatik geht es darum, Fehler oder andere Unregelmäßigkeiten in
einer Anlage anhand des Musters der Durchflusskurve zu erkennen.

Das hier vorgestellte Diagnosemodul soll als Blackbox auf beliebig
komplexe Anlagen anwendbar sein, für die kein mathematisches Modell
existiert. Es muss also in der Lage sein, Abweichungen des Musters der
Durchflusskurve vom Normalbetrieb zu erkennen. Ausserdem muss (mangels
mathematischem Modell) das für die zu lösende binäre
Klassifikationsaufgabe benötigte Wissen aus Betriebsdaten der Anlage
ermittelt werden. Für solch ein Szenario bieten sich maschinelle
Lernverfahren (ein Teilgebiet der Künstlichen Intelligenz) an.

Eine besondere Herausforderung in dem Projekt ergab sich durch die
Forderung von Festo, dass die Anlage in der Lernphase nur im
Normalbetrieb läuft. Der verwendete Lernalgorithmus hat also während
der Lernphase keinen Zugriff auf fehlerhafte Betriebszustände der
Anlage, muss aber später trotzdem sicher zwischen Normalbetrieb und
Fehlerzustand unterscheiden können. Zur Lösung dieses Problems wurden
die One-Class-Learning (OCL) Verfahren Nearest-Neighbour-Data-Description
(NNDD) und Support-Vektor-Data-Description [Tax01] eingesetzt und
verglichen.

Das Diagnosemodul verwendet einen Durchflusssensor, der den gesamten
Luftstrom durch die Anlage misst. Aus einer Zeitreihe fester Länge von
Durchflusswerten wird ein Merkmalvektor berechnet, der als Eingabe für
den OCL-Klassifizierer dient. Mit OCL wird (zum Beispiel bei
Inbetriebnahme der Anlage) ein merkmalbasierter Klassifizierer
trainiert, der später erkennen soll, ob der Kurvenverlauf von dem bei
der Inbetriebnahme vorgegebenen Standardverlauf abweicht.

Die für das Lernen und die Klassifikation benötigten Merkmale werden
wie folgt berechnet. Auf einem Zeitintervall fester Länge der
Durchflusskurve und ihrer Ableitung werden jeweils die folgenden neun
statistischen Werte ermittelt:

Minimum, 1. Quartil, Median, 3. Quartil, Maximum, Arithmet. Mittel,
Standardabweichung, Schiefheit (Skewness), Kurtosis

Ausserdem wird das Periodogramm als Schätzer für die Spektraldichte
der Zeitreihe berechnet und mittels Hauptkomponentananalyse (PCA) auf
vier Werte komprimiert. Zusammen mit den statistischen Merkmalen
ergibt sich ein Vektor von 22 Merkmalen. In der Lernphase werden alle
aus der Durchflusskurve erzeugten Merkmalvektoren als Trainingsdaten
verwendet, um mittels One-Class-Learning den Klassifizierer zu
trainieren.

Zur Evaluation des Verfahrens wurde der Klassifizierer auf einer
pneumatischen Anlage mit zwei Betriebsmodi (Füllen und Leeren) im
fehlerfreien Zustand trainiert. Dann wurde die Anlage mit sieben
verschiedenen Fehlern versehen und darauf der Klassifizierer
getestet. Als Fehler wurden Lecks und Verzögerungen unterschidelicher
Größe und Kombinationen davon verwendet. Für insgesamt 328
Testdatensätze wurden keine falsch positiven und falsch negativen
Klassifikationen ermittelt. Das Verfahren arbeitet also auf allen
Testdatensätzen fehlerfrei und kann perfekt zwischen Normalbetrieb und
Defekt unterscheiden. Dies zeigt die Stärke und das Potenzial des
verwendeten One-Class-Learning für beliebige pneumatische Anlagen auf.

Die in diesem Projekt entwickelte Lösung ist aufgrund ihrer
universellen Anwendbarkeit und der sehr einfachen Sensorik auf viele
andere technische und nicht technische Diagnoseaufgaben anwendbar. Das
Innovationspotential könnte beispielsweise bei einer automatischen
Selbstdiagnose von Haushaltsgeräten, Elektromotoren und Ottomotoren
genutzt werden.

Literatur:
[Tax01] D.M.J. Tax. One-class classification. Dissertation, Delft University of Technology,
2001.

Eine der wichtigsten Branchen für die Pneumatik ist die Automobilindustrie. Ein typisches Anwendungsfeld ist die Karosseriefertigung. Dort werden Wartungseinheiten, Ventile und Ventilinseln, Spanner- und Stiftziehzylinder und servopneumatische Schweißzangen eingesetzt. An vielen Stellen spielt die Pneumatik seit vielen Jahren ihre Stärken wie Schnelligkeit, Einfachheit, Sauberkeit, Überlastsicherheit, u.v.m. aus.

Vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und der intensiver werdenden Wahr-nehmung des Themas Energieeffizienz ist auch die Pneumatik als „zu teuer“ in die Diskussion geraten. Bei vielen Kunden wird „die Elektrifizierung“ diskutiert z.B. bei servopneumatischen Schweißzangen, die ein Hochdrucknetz voraussetzen.

Festo als Hersteller sowohl pneumatischer als auch elektrischer Antriebstechnik hat sich zum Ziel gesetzt, seinen Kunden die für den jeweiligen Anwendungsfall „geeignetste“ energieeffiziente und somit wirtschaftlichste Lösung anzubieten. Ein wichtiger Schritt hierzu ist, die stark „emotionale“ Diskussion zur Energieeffizienz auf eine solide Basis „ver¬gleichbarer“ Zahlen zu stellen.

Hierzu wurde in einem gemeinsamen Projekt von Festo, VW, Boge und dem IWU der TU Chemnitz Messungen in der Produktion durchgeführt und damit erstmals transparente Zahlen für Komponenten, Zellen, Hallen in einem Automobilwerk ermittelt. Gemeinsames Ziel war es, die wichtigsten Stellhebel zur Reduzierung des Druckluftverbrauchs im Karosseriebau zu identifizieren, um an den „richtigen“ Stellen anzusetzen.

Einige Zahlen mit Bezug auf das im Projekt definierte Referenzwerk. Der Anteil der Druckluft am Gesamtenergieverbrauch des Werk beträgt 7,6 %, der Druckluftanteil am Energieverbrauch im Karosseriebau beträgt 8,6 %, der Anteil der Druckluft im Karos¬serie-bau am Ge¬samtenergieverbrauch des Werks liegt bei 3,7 %. Rechnet man Energiebedarf für diese 3,7 % in € um, zeigen sich die tatsächliche Kosten für die Druckluft in diesem wichtigen energieintensivem Gewerke des Karosseriebaues –die derzeit geführten emotionalen Diskussionen werden auf eine sachliche Basis gesetzt: Der Kostenanteil des Karosseriebaus beträgt z.B. weniger als 2,7 €/Fahrzeug.

Der Hebung von Einsparpotenzialen stehen Hindernisse im Weg. Fehlende Daten und Tools behindern die transparente Betrachtung des Energieverbrauchs und Identifikation der Verluste und Optimierungspotentiale. Ein Grund ist die nur bedingt stattfindende Ab-stimmung zwischen Erzeugung, Verteilung und Nutzung der Druckluft im Planungsprozess. Eine ganzheitliche Betrachtung der Energieeffizienz findet nicht statt - es bleibt oft bei Einzelmaßnahmen ohne Nachhaltigkeit.

Der Vortrag stellt Ergebnisse von Messungen des Druckluftverbrauchs auf Anlagen- und Komponentenebene vor. Mit den Messungen liegen einerseits Überblickswerte auf Hallenebene vor, andererseits auch detaillierte Angaben auf Funktionsebene (z.B. „Was kostet ein Schweißpunkt elektrisch oder pneumatisch oder servopneumatisch angetrieben?“ „Was kostet ein pneumatischer Spannvorgang“ etc.). Notwendige Tools zur ganzheitlichen Betrachtung und optimalen Dimensionierung der Druckluftverteilung und -erzeugung und zur Abschätzung des Energieverbrauchs unter Berücksichtigung der Lebenszykluskosten von Anlagen (TCO) werden vorgestellt. Auf dieser Basis werden systematische Optimierungspotentiale aufgezeigt und die Ergebnisse in einem Leitfaden zum effizienten Drucklufteinsatz im Karosseriebau erfasst.

Die implementierten Tools zur Planung von Druckluftverbrauch, -erzeugung und -erteilung wurden miteinander vernetzt und anhand von Anwendungsbeispielen erprobt.

Der Vortrag schließt mit Schlussfolgerungen für die Pneumatik im Karosseriebau:
• Wann/ Wo ist die Pneumatik effektiv eingesetzt?
• Wie hoch sind tatsächliche Verbräuche (prozentual, absolut)
• Lohnen sich Maßnahmen zur Druckabsenkungen oder Hochdrucknetze?
• Welche Tools mit welcher Simulationstiefe werden für den Planer benötigt?
• Wo liegen Einsparpotentiale und reale Stellhebel?

Vakuum Greifsysteme werden zunehmend als universelles Komplettlösungen für automatisierte Handhabungsaufgaben eingesetzt. Neue technologische Entwicklungen ermöglichen die Erschließung vieler Applikationen in der Holz- und Möbelindustrie, in der Logistik und Verpackung, beim Handhaben von Glas und Metall: Flächengreifelemente mit und ohne Strömungsventiltechnik ermöglichen eine variable Belegung des Systems mit unterschiedlichen Werkstücken. Sie ermöglichen die Handhabung von Werkstücken mit porösen oder rauen Oberflächen und garantieren somit universellen Einsatz. Neue Steuerungs- und Regelungs-Funktionen garantieren zudem die Integration in moderne Automatisierungskonzepte. Condition Monitoring und die Berechnung vorausschauender Wartungsfunktionen ermöglichen eine effiziente Instandhaltung.
In diesem Vortrag werden diese technologischen Entwicklungen an Beispielen aus verschiedenen Branchen aufgezeigt und zukünftige Entwicklungen aufgezeigt. Ein besonderer Schwerpunkt wird dabei den Anforderungen an die applikationsspezifische Auslegung und das Systemdesign gewidmet.
Die vakuumtechnische Auslegung basierte bisher auf empirische Werten, Überschlagsrechnungen oder Versuchsergebnissen. Die Zukunft liegt in der Systematisierung des fluidtechnischen Auslegungsprozesses als Teil eines durchgängigen IT gestützten Engineerings. Dies erfordert den Einsatz von modellgestützten Berechnungen, die Integration von Versuchsergebnissen in diese Berechnungen und Optimierungsalgorithmen.
Das funktionale Systemdesign war bisher oft auf Anschluss und Weiterleitung weniger Sensorsignale beschränkt. In Zukunft werden neue Funktionen wie die Erkennung der zu greifenden Werkstücke, die energieoptimale Ansteuerung der Vakuumerzeugung und die Abstimmung mit dem Bewegungsprogramm Gegenstand des Engineerings sein. Auch die Condition Monitoring Funktionen, das Energie-Monitoring und die Erzeugung von Wartungsmeldungen müssen als Teil des Systemengineerings integriert werden. Fluidtechnische Auslegung und funktionales Engineering werden im mechatronischen Systemdesign weitgehend zusammenwachsen.

Im Feld der Werkzeugmaschinen finden hydraulische Antriebe dort Verwendung, wo sie mit Ihren folgenden Eigenschaften vorteilhaft sind:

- Hohe Lebensdauer des Aktors
- Hohe Kraft- bzw. Leistungsdichte am Aktor
- Inhärente Überlastfestigkeit
- Hohe Prozesskräfte, vorzugsweise in linearen Bewegungen
- Hohe Dynamik bei gleichzeitiger hoher Genauigkeit

Dieser Beitrag betrachtet die heutige Stellung und den Ausblick für die hydraulischen Antriebe im Bereich der Stanz- und Umformmaschinen, im Wettbewerb zu elektromechanischen Antriebstechnik.
Jährlich werden weltweit mehrere tausend Stanz-Nibbelmaschinen hergestellt. Die gemeinsamen Merkmale dieser Maschinen werden zusammegefasst:

- Bearbeitung ebener Blechtafeln
- Blechdicken typisch bis 8 mm
- Werkzeugwechselsystem für flexible Bearbeitung
- Stanzen: für Löcher/Ausbrüche mit werkzeuggebundenen Geometrien
- Umformen: Herstellung von Sicken, Abkantungen, Gewinden, etc.

Die Blechtafel (Werkstück) wird auf einem X/Y-Koordinatentisch unter dem ortsfesten Werkzeug positioniert. Das Werkzeug wird durch den Stanzantrieb in der Z-Achse gegen das Werkstück geführt.

Besonders die gleichzeitige Darstellung der Prozesse Stanzen und Umformen ist problematisch. Beim Stanzen sind Kräfte von 200..300 kN bei höchster mechanischer Belastung erforderlich, während für die Genauigkeit einige 0,1 mm genügen. Dagegen sind die Kräfte beim Umformen meist geringer, allerdings bei Genauigkeiten von wenigen 0,01 mm.

Die ersten CNC gesteuerten Stanzmaschinen hatten weggebundene Z-Antriebe in Form von Exzenterantrieben. Gesteuert über eine Kupplungs-Brems-Kombination (KBK) wird die Energie eines Schwungrades auf den Exzenter übertragen. Oberer Totpunkt (OT) und unterer Totpunkt (UT) des Arbeitshubes sind durch die Mechanik unveränderlich vorgegeben. Solche Maschinen werden, vor allem in Asien (China), heute noch hergestellt.

Die Forderung nach Programmierbarkeit für den Hubverlauf führte in den frühen 1980er Jahren zur Einführung der hydraulischen Stanzantriebe. Diese Antriebe definieren heute das technisch Machbare für Produktivität, Präzision und Zuverlässigkeit. Spezielle Hydraulikschaltungen ermöglichen einen energieeffizienten Betrieb:

- Speicherladung zur Eliminierung von Druckregelverlusten
- Betrieb mit mehreren Druckkreisen zur bedarfsgerechten Bereitstellung von Maximalkraft

Ende der 1990er Jahre erschienen erste Stanzmaschinen mit elektromechanischen Antrieben. Hier betätigt ein rotativer Servomotor ein Getriebe zur Umsetzung der drehenden Bewegung auf die lineare Betätigung des Werkzeuges in Z-Richtung. Für dieses Getriebe gibt es verschiedene maschinenbauliche Ansätze:

- Gewindetrieb mit direkter Werkzeugbetätigung
- Gewindetrieb mit Werkzeugbetätigung über Kulisse mit Rollenbetätigung (Prinzip „Schiefe Ebene“)
- Gewindetrieb mit Werkzeugbetätigung über Hebel oder Kniehebel
- Kurbelwelle mit Exzenterantrieb

Die Verwendung der elektromechanischen Antriebe ist hauptsächlich durch folgende Punkte motiviert:

- Vermeidung von hydraulischen Systemen („trockene“ Maschine)
- Steigerung der Energieeffizienz

Dieser Beitrag vergleicht den polulären servoelektrischen Ansatz der Kurbelwelle mit Exzenterantrieb mit eablierten hydraulischen Lösungen.

Der servoelektrische Antrieb wird mittels Simulation untersucht. Die Simulation bildet folgende Komponenten ab:

- Netzeinspeisung
- Zwischenkreis
- Servoumrichter
- Servomotor
- Kurbelwelle
- Exzenterantrieb

Die Simulationsergebnisse werden durch Messungen an einem Versuchsaufbau validiert.
Der hydraulische Antrieb wird durch Messungen an einem realen Antrieb mit Speicherladung und zwei Druckstufen untersucht.

Schließlich werden folgende Eigenschaften vergleichend dargestellt:

- Produktivität (Geschwindigkeit des Z-Antriebs)
- Genauigkeit
- Energieeffizienz
- Flexibilität und Einsatzspektrum
- Skalierbarkeit
- Netzbelastung
- Zielerreichung für „Ölfreie Maschine“

Fluidtechnische Systeme in Werkzeugmaschinen erfüllen neben der Werkzeug- und Werkstückspannung heute vor allem die Funktion der Temperierung. Sie ermöglichen die Kühlung und Vorwärmung sowohl einzelner Komponenten als auch gesamter Baugruppen, beispielsweise von Gestellbauteilen und –strukturen, Antriebsmotoren, Arbeitsspindeln und Werkzeugen. Folglich bilden Fluidsysteme ein wichtiges Stellelement zur Steuerung und Beherrschung des thermo-elastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. Speziell unter dem Fokus der Genauigkeit in Verbindung mit einer energieeffizienten Fertigung sind fluidtechnische Systeme als integraler Bestandteil von Werkzeugmaschinen von Beginn an in die Untersuchungen zur Gestaltung dieser einzubeziehen. Die zunehmende Leistungsfähigkeit und Komplexität der fluidtechnischen Systeme bedingt grundsätzlich einen erhöhten Hilfsenergiebedarf, welcher sowohl aus betriebswirtschaftlicher als auch aus ökonomischer Sicht kritisch zu hinterfragen ist. Hieraus ergibt sich ein Optimierungsproblem, das angesichts der komplexen Systemstrukturen und fehlenden Grundsatzuntersuchungen sowie Auslegungskriterien heute nicht zufriedenstellend gelöst ist. Diesem Anliegen widmet sich das Institut für Fluidtechnik (IFD) innerhalb des SFB Transregio96 zur „Thermo-energetischen Gestaltung von Werkzeugmaschinen“. Unter ganzheitlicher Betrachtungsweise werden Modellierungsgrundlagen und Berechnungsmethoden für eine wissenschaftlich begründete Auslegung speziell mit dem Schwerpunkt eines optimalen thermischen Verhaltens bei minimalem Hilfsenergieeinsatz erarbeitet.
Im vorliegenden Beitrag werden erste Ergebnisse der experimentellen Analyse eines Fräsbearbeitungszentrums vorgestellt. Die hierbei untersuchten fluidtechnischen Systeme lassen sich anhand ihrer Funktion in folgende Teilsysteme gliedern: Hydraulik-, Getriebeschmierung-, Kühlschmierstoff- und Kühlsystem. An diesen Teilsystemen werden für unterschiedliche Betriebszustände der Maschine Analysen durchgeführt. Ausgehend von der Gesamtmaschinenanalyse und der Identifikation fluidischer Subsysteme können fluidtechnische Hauptkomponenten und deren Modellierungsanforderungen festgelegt werden. Die Arbeitsspindel stellt eine wichtige Hauptkomponente der Werkzeugmaschine dar. Hier auftretende Wärmeverluste können die Lagersteifigkeit verringern und thermische Verformungen hervorrufen, die eine Verlagerung des Tool Center Points (TCP) bedingen und somit die Fertigungsqualität negativ beeinflussen. Zur Charakterisierung des thermischen Verhaltens der Motorspindel wurde ein Versuchsstand entwickelt, der für verschiedene konstruktive Ausführungen der Statorkühlhülse eine gezielte Analyse der Temperaturverteilung erlaubt. Im Beitrag werden die experimentellen Analysen, sowie darauf basierende Simulationsmodelle vorgestellt.

Assistenzsystem zur Unterstützung der Inbetriebnahme hydraulischer Positionierantriebe


Wenn in der Hydraulik über Intelligenz gesprochen wird, so ist meist damit gemeint, dass eine Elektronik oder Sensoren vorhanden sind. Oder dass eine Funktion steuerbar / regelbar wurde.
Wir denken aber, dass eine intelligente Hydraulik etwas mehr können sollte.
Intelligenz fängt für uns da an, wo der Anwender von komplexen Aufgaben entlastet werden kann.
Das heißt, die Inbetriebnahme und Auslegung einer geregelten Achse ist sicherlich keine triviale Aufgabe. Mit unserem Assistenten zur Analyse und Parametrierung der hydraulischen Achse gehen wir den Schritt, dem Inbetriebnehmer ein Werkzeug zur Hand zu geben, mit dem die wichtigsten Kenndaten ermittelt werden und eine robuste Parametrierung ermöglicht wird.
Wir kennen alle Assistenzsysteme aus modernen Autos, die dem Fahrer helfen, kritische Situationen leichter zu beherrschen.
Was ist nun eine kritische Situation in der Hydraulik? Natürlich die Inbetriebnahme (insbesondere, wenn Achsen nicht vorab berechnet oder simuliert wurden). Mögliche Fehler vom falsch montierten Rückschlagventil, über Verrohrungs- bzw. Verkabelungsfehler und Fehlauslegung (nicht geeignete Komponenten für die Anwendung) bis hin zu den fehlenden Informationen über das dynamische Systemverhalten erlauben oft nur eine experimentelle Vorgehensweise. Dies ist dann sehr zeitintensiv.
Experimentieren kann eine Elektronik aber schneller und immer nach einem logischen Konzept. Das Softwaremodul, das hier vorgestellt werden soll, analysiert das Systemverhalten und trifft die entsprechenden Entscheidungen, die dann zu einem zuverlässigen Systemverhalten führen. Es geht dabei weniger um die mathematische Analyse des Systems (diese ist nur bei der Einstellung der Regelparameter notwendig) sondern vielmehr um die logischen Schritte bei der Inbetriebnahme und der Bewertung, wenn es zu einem unerwarteten Verhalten kommt.
Um das Ganze in einem akzeptablen Kostenrahmen zu realisieren, werden keine weiteren Sensoren benötigt, es werden nur die Informationen des Positionssensors ausgewertet. Im Optimierungsprozess werden die Polarität, die Geschwindigkeiten und die Kennliniencharakteristik, die Nullpunktdrift, die eventuelle positive Überdeckung und die Systemdynamik ermittelt. Ausgehend von diesen Daten werden die Systemparameter für die Regelung eingestellt.
Gleichzeitig soll dieser Assistent dem Nutzer die ermittelten Informationen zur Verfügung stellen. Bei einem funktionierenden System ist dies auch problemlos machbar, aber wenn der Assistent den Optimierungsprozess abbrechen muss, so ist eine möglichst genaue Analyse des Abbruchgrundes zur Fehlerbehebung notwendig.
Bei der Realisierung des Inbetriebnahme Assistenten hat sich dann herausgestellt, dass nicht die Qualität der dynamische Optimierung eine Maß für die Intelligenz ist, sondern es sind die eher profanen Punkte, die der Mensch mit einem Blick erfasst. So kann der Assistent nicht sehen, ob die Achse an einem Anschlag steht, ob ein falsches Ventil verwendet wird oder die Achse am Anschlag bei falscher Polarität und ungeeignetem Ventil steht.
Mit diesem Vortag wollen wir die Entwicklung zu diesem Assistenten vorstellen und praktische Ergebnisse präsentieren.

This paper focuses on the design and robust nonlinear controller synthesis based on the backstepping approach for force/position real-time control of a 50-kN hydraulic press. The main feature of the test system is its open hardware structure and easy programmability using different control devices and appropriate control strategies. A nonlinear dynamic model of the hydraulic system interacting with environment has been developed. The press contains a servo-solenoid pressure-control valve for regulating the pressure in the cylinder chamber. The press is equipped with a pressure transducer installed in the cylinder chamber for indirectly measuring the pressing force as well as with a load cell inserted between the piston rod and environment for directly measuring the applied force. This fact allows a more accurate procedure of the cylinder friction force parameterization. On the press is also possible to measure the position of the upper plate by using a micro-pulse linear transducer, which creates a precondition for the realization of a hybrid force/position-control algorithm. The article also discusses the case related to the velocity control of the hydraulic press up to the moment of contact with the work piece, and upon sensing a nonzero force value the algorithm switches to control the force of hydraulic actuator. The control algorithms and monitoring process are implemented on a real-time hardware board. The control programs are tested experimentally to verify their practical use and effectiveness. The experimental results are compared to those obtained with a classical linear controller to prove that the proposed approach can achieve better performance of the control system in terms of robustness and accuracy. Based on the experimental results it can be concluded that electrically actuated control components supported by appropriate control algorithms enable the realization of improved characteristics of hydraulic systems required in modern industrial plants.

Starting from today’s commercially widespread load sensing systems the general lecture will focus on novel ideas to save fuel in mobile machines.
The overview will systematically build upon the well-known circuits divided into resistance and displacement control. The different avenues that research and development efforts in academia and industry are focusing on will be discussed with regard to their inherent advantages and disadvantages. By addressing these aspects it will become clear that a design solely focused on the hydraulic circuit is not sufficient. The combustion engine as well as the load cycle must be included into the drive’s design.
To further improve efficiency much research has been conducted into the recovery and reuse of energy in mobile machines. Against this background the lecture will consider the concept of energy storage as a method to recapture energy during a load cycle allowing downsizing of the combustion engine and enabling operation around its optimal point. For this reason the talk will cover circuit configurations allowing the use of electrical, mechanical and hydro-pneumatic energy storage. Thus it will treat hybrid solutions, clearly distinguishing between flow and pressure impressed circuits, by covering their inherent characteristics and focusing on strengths and weaknesses.
After the presentation the audience should be able to systematically classify the various solutions and identify a design guideline for application or customer specific circuits.

Abstract für 9. IFK 2014 Aachen, 15.05.2013 Sg, Vu, Mh

Dipl.-Ing. Sebastian Sgro, RWTH Aachen University, IFAS
Dipl.-Ing. Milos Vukovic, RWTH Aachen University, IFAS
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, RWTH Aachen University, IFAS

„STEAM – Hydraulic Design for Engine Integration“

Due to fading fossil energy resources and rising fuel prices, as well as, more stringent emission guidelines, mobile machine manufacturers are being forced to increase the energy efficiency of their products. Optimisation potential in mobile working machines can be found in the transmission and working hydraulics. More efficient drives have already been introduced using hydro-mechanical powersplit transmissions.
An entire investigation of the complete work transmission from the internal combustion engine (ICE) to the working hydraulics is necessary to improve the energy efficiency of mobile working machines. The efficiency of combustion engines is strongly dependent on their operating point and full load operation leads to maximum efficiencies. Hence, a constant full loading of the combustion engine should be targeted to increase the energy efficiency of mobile working machines. To achieve this, a constant pressure system with a fixed displacement unit in an accumulator charging circuit can be utilised. For rotational drives the adaptation of the constant pressure system to the load pressure can easily be done using variable displacement units, an energy efficient adaption for linear actuator requires more effort.
Investigations of an innovative valve controlled constant pressure system with an intermediate pressure rail for an efficient pressure adaption (STEAM-system) are introduced in this paper. The idea of this system is to keep the load torque on the internal combustion engine of mobile working machines constant, so that it is forced to operate in an energy efficient region. The additional intermediate pressure rail is used to adapt the constant pressure to the load pressure of linear actuators efficiently. The three pressure rails, i.e. high, intermediate and tank pressure, can be connected independently to the cylinder using simple 2/2 way switching valves. In this manner only a low pressure difference between supply and load pressure has to be throttled. Additionally, independent metering edges are used for the STEAM-system. They further improve the system efficiency by avoiding throttling losses of the meter-out volume flow. The control algorithm connects the three pressure rails individually to the cylinder in such a way that only a minimum pressure difference has to be throttled. The intermediate pressure rail is supplied by a fixed displacement unit in an accumulator charging circuit, while the high pressure rail is supplied by the intermediate pressure rail. The pressure transformation is done using a hydraulic transformer (cf. Figure 1).


Figure 1: Hydraulic circuit of the STEAM-system

Bei der Weiterentwicklung mobiler Arbeitsmaschinen steht heute neben der Steigerung von Produktivität und Bedienerkomfort vor allem die Verbesserung der Energieeffizienz und die Einhaltung der gesetzlichen Abgasemissionsrichtlinien (US TIER 4 final, EU Stufe 4) im Fokus. Ansatzpunkte sind das optimale Zusammenspiel aller Komponenten des Antriebssystems, die Optimierung der Arbeitsprozesse und die Steigerung der Effizienz durch den Einsatz alternativer Antriebe. Die Entwicklung von energieeffizienten und emissionsarmen Antrieben für mobile Arbeitsmaschinen bedeutet eine immense Herausforderung, da gleichzeitig Aspekte wie Wirtschaftlichkeit, Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grund haben sich unter dem Titel „TEAM – Entwicklung von Technologien für energieeffiziente Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen“ 20 Industrieunternehmen und fünf Hochschulinstitute zusammen¬geschlossen, um sich dieser komplexen Aufgabe zu stellen. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundforschungsprojekt bearbeiten die Partner innerhalb von drei Jahren fünf sich ergänzende Schwerpunkte.

Im Themenschwerpunkt „Grüner Radlader“ werden unter Berücksichtigung der aktuellen Entwicklungen in Forschung und Industrie am Beispiel eines Radladers und eines Tagebaubaggers neue Antriebslösungen für die Hauptverbraucher mobiler Arbeitsmaschinen konzipiert und bewertet. Für den Radlader werden die gefundenen Lösungen in einer Demonstratormaschine, einem 24 t Radlader mit einer Antriebsleistung von 200 kW, zusammengeführt und erprobt.

Im vorgeschlagenen Beitrag werden die aktuellen Arbeiten zur Entwicklung des Antriebssystems des Radladers und der zugehörigen Steuerung vorgestellt Ein Leistungsverzweigungsgetriebe für den Fahrantrieb, ein verdrängergesteuerter Antrieb für die Arbeitsausrüstung sowie ein auf einen eingeschränkten Betriebsbereich optimierter Dieselmotor ersetzen das konventionelle Antriebssystem. Außerdem bietet ein hydrostatisches Hybridmodul die Möglichkeit, die Energieflüsse im System z. B. durch Rekuperation gezielt zu beeinflussen. Die sich durch den Einsatz der genannten Technologien ergebenen Freiheitsgrade und Funktionen (z. B. durch die konsequente Nutzung von Rekuperation sowohl im Fahrantrieb als auch in der Arbeitsausrüstung) ermöglichen eine optimierte Abstimmung der Systeme zueinander, erhöhen allerdings wesentlich die Komplexität des Antriebs- und Steuerungssystems. Die Entwicklung einer geeigneten Steuerungsstrategie bildet daher den Schwerpunkt der vorgestellten Arbeiten.

Für den Erfolg des Projektes ist ein systematisches Vorgehen im Entwicklungsprozess unerlässlich. Hierzu gehört zum Einen der Entwurf der Betriebsstrategie, der durch den gezielten Einsatz der Systemsimulation unterstützt wird. Zum Anderen ist es notwendig, die entwickelten Algorithmen für die Erprobung im Demonstratorfahrzeug in eine Maschinensteuerungs¬software zu überführen. Die Funktionsfähigkeit in Verbindung mit dem realen Steuergerät wird vorab innerhalb einer Hardware-in-the-Loop Umgebung gegenüber einer virtuellen Maschine getestet.

Der vorgeschlagene Beitrag erläutert zunächst die Konzeption der Antriebsstruktur mit den genannten Subsystemen und deren Dimensionierungsgrundlagen. Systemsimulationen zeigen anhand repräsentativer Lastzyklen das Energieeinsparpotenzial der entwickelten Antriebslösung im Vergleich zu konventionellen Systemen auf. Die Entwicklung der Steuerungssoftware ausgehend von den gefundenen Steuerungsalgorithmen und deren Umsetzung auf eine Mobilsteuerung liegen neben der Validierung am HiL-Prüfstand im Fokus des Artikels. Außerdem wird die konstruktive Integration der Komponenten in das Demonstratorfahrzeug dargestellt. Den Abschluss bildet ein Ausblick auf zu erwartende Ergebnisse im Fortgang des Projektes.

In every aspect of engineering, the improvement of energy efficiency is promoted. In mobile hydraulics, the most visible efforts of industrial development or academic research are concentrating on either reduced losses for main functions (pump control vs. valve control for cylinders, hydrostatic drive trains with mechanical gearbox, closed-center load-sensing systems vs. open-center main control valves, …), energy recuperation (most relevant for lower dynamics, e.g. on cranes [Liebherr IFK 2012] or the efficiency improvements in certain main components such as pumps.

Many approaches for energy efficient hydraulic circuits are featuring a variety of pumps to reduce pressure loss, additional valves for energy regeneration, accumulators for energy recuperation or combinations of these additional components. These additional parts are expected to pay for themselves even before the system is sold to the customer, who focuses on higher productivity through efficiency going along with energy savings, but dislikes every additional cost. To reduce the additional cost is a benefit to use some of the components in several ways, e.g. while the relevant drive is idling. In an (stationary hydraulic) example, the vane pump of a “Drive Controlled Pump” [Parker HIM/bauma 2013] demonstrator isn’t exclusively used to drive a cylinder in an efficient way, but part-time instead of idling for cooling and filtration of the whole circuit.

The way how volume flow is provided for so-called minor or subordinate hydraulic functions like piloting, cooling and flushing is usually not considered for further discussions. Of course, it is advantageous to concentrate on significant savings for big energy consumers first, but relevant shares for further improvement can be identified in these minor functions. These are less linked to the main hydraulics dynamics, so a variety of different solutions can be applied without disturbing the machine behavior, which is a sacred cow especially in construction machinery.

The paper discusses different new or known ways to save energy in minor hydraulic functions with low or no additional cost.

Alternative circuits supplying valve-controlled systems, such as simple load sensing (LS) or negative flow control (NFC) systems, with piloting oil can save energy and investment cost. The flow demand for piloting is calculated and validated by measurements. The efficiency of the standard piloting circuit with gear pump and pressure relief valve is discussed. As the pilot oil flow is low, a remarkable amount of energy can be saved by removing the gear pump and replacing it by a pressure reducing valve, disregarding the throttling losses. Cost savings and the high energy savings are calculated and validated by measurements, resulting in lower fuel consumption for idle state and a higher productivity during work with higher rotational speed of the diesel engine.

Regarding closed circuits, an energy-efficient way to provide the flushing flow is discussed that also eases the cooling. The cooling flow’s compression energy is regenerated. This reduces energy consumption as well as required cooling capacity.
In both secondary areas, there are remarkable and predictable savings to be earned with low effort.