antriebstechnik 10/2016

08 Simulationsergebnisse des Vergleichs zwischen
SMDS-Getriebe und MMDS-Sammelgetriebe
des Prüfstandantriebssystems mit vier identischen Motoren mit
jeweils 35 Nm Nenndrehmoment angenommen. Weiterhin wurde
angenommen, dass in Abhängigkeit des erforderlichen Antriebsdrehmoments
die vier Motoren sukzessive zugeschaltet werden
und die jeweiligen Einzelantriebsstränge bis zum Zeitpunkt der
Motoreinschaltung mechanisch vollständig durch ein Schieberadkonzept
von dem Sammelrad des Getriebes entkoppelt sind. Der
sich für diese Betriebssituation bei der Nenndrehzahl des Getriebes
ergebende Getriebewirkungsgrad ist in Bild 09 dargestellt. Zusätzlich
sind die Wirkungsgrade des MMDS-Sammelgetriebes ohne
Berücksichtigung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit sowie
der SMDS-Getriebewirkungsgrad abgebildet.
Durch die Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit lässt
sich eine Verbesserung des MMDS-Sammelgetriebewirkungsgrades
im Teillastbereich erzielen. Gegenüber dem leistungsäquivalenten
SMDS-Getriebe konnte hier eine maximale Wirkungsgradsteigerung
um 2,8 % erreicht werden. Dieses Wirkungsgradverhalten ist auf die
Vermeidung der lastunabhängigen Verlustanteile der mechanisch
entkoppelten Wellen des MMDS zurückzuführen. Sobald der Drehmomentbedarf
die Zuschaltung eines weiteren Motors erfordert,
fallen diese Verlustanteile jedoch wieder in voller Höhe an, wodurch
sich der stufenförmige Verlauf des Wirkungsgrades im Bereich
der Motornenndrehmomentgrenzen bei 35 Nm, 70 Nm und
105 Nm erklärt.
Es ist allerdings zu beachten, dass durch die sukzessive Zuschaltung
das antriebsseitige Drehmoment asymmetrisch auf die vier
Zahneingriffsstellen des Sammelrades verteilt wird. Somit liegt eine
Kraftkompensation nur bedingt vor, wodurch die Lagerbelastung
an der Abtriebswelle gegenüber einer symmetrischen Drehmomentverteilung
ansteigt. Weiterhin kann eine ungünstige Zuschaltreihenfolge
dazu führen, dass die Kraftkompensation bei zwei
aktiven Motoren nicht genutzt wird, was zu gesteigerten lastabhängigen
Lagerverlusten über den gesamten Drehmomentbereich
bis zum Nenndrehmoment führt (Bild 09 unten). Dieser Verlustanteil
ist jedoch geringer als der Anteil der lastunabhängigen Lagerund
Verzahnungsverluste. Folglich kann der Gesamtwirkungsgrad
des Getriebes auch bei Nichtbeachtung der Zuschaltreihenfolge
und dementsprechend einer asymmetrischer Drehmomentverteilung
verbessert werden.
Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeiten wird untersucht werden,
auf welche Weise eine möglichst symmetrische Drehmomentverteilung
bei Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit
realisiert werden kann. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang,
dass weitere Bestandteile einer intelligenten Betriebsstrategie – wie
beispielsweise die elektrische Rekonfigurierbarkeit (siehe Beitrag 1
und Beitrag 3 der Artikelserie) – anders geartete Drehmomentverteilungen
bevorzugen oder erfordern können. Ziel muss es sein,
einen Kompromiss zu finden, sodass die Effizienz des Gesamtsystems
ein globales Wirkungsgradoptimum erreicht. Einen weiteren
Schwerpunkt der Forschungsarbeiten stellt die technische Realisierung
der automatisierten Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit
dar. In diesem Themenfeld werden unterschiedliche
Schaltaktorikkonzepte und deren Integration in eine intelligente
Betriebsstrategie untersucht werden.
Modellbasierter Vergleich
Im Folgenden wird unter Verwendung des aus dem ersten Beitrag
bekannten Arbeitsprozesses des Kautschukinnenmischers gezeigt,
welches Effizienzsteigerungspotential ein MMDS-Sammelgetriebe
gegenüber einem konventionellen Getriebekonzept besitzt. Hierzu
wurde der Arbeitsprozess auf das Antriebssystem des Prüfstands
skaliert, so dass die Nennleistungsauslastung mit der realen
Produktionsanlage übereinstimmt. Mit Hilfe des Simulationsmodells
wurden die Verlustleistungen des SMDS-Getriebes und des MMDS-
Getriebes berechnet. Für das MMDS wurden eine Antriebssystemkonfiguration
mit vier identischen Motoren und die durchgängige
Nutzung der mechanischen Rekonfigurierbarkeit mit einer sukzessiven
Aufteilung des erforderlichen Antriebsdrehmoments angenommen.
Die mechanische Entkopplung und erneute Einkopplung der
Einzelantriebsstränge wurde idealisiert ohne ein Zeitverhalten der
Schaltaktorik betrachtet. Bild 10 zeigt in den oberen beiden
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