ECODWELL: Effiziente Gestaltung von Rasten in hochdynamischen Getrieben
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Motivation
Mit dem Ziel des Klimaschutzplans 2050 die globale Erwärmung auf 1,5°C zu begrenzen werden in vielen industriellen Bereichen Forschungen unternommen, um Maschinen, Prozesse und Technologien energieeffizienter zu gestalten. Durch die steigenden Energiepreise gewinnt die Erhöhung der Energieeffizienz zugleich an ökonomischer Bedeutung.
Produktionsmaschinen erfüllen ihre Aufgaben häufig mithilfe von Bewegungssystemen. Der Betrieb in der sogenannten Eigenbewegung ist eine Möglichkeit, die Energieeffizienz von Bewegungssystemen zu steigern.
Bei Rastgetrieben werden fast ausschließlich Kurvengetriebe verwendet. Hier bietet sich hohes Potential zum Einsparen von Energie, da solche Getriebe, die in hochdynamischen Maschinen wie beispielsweise Webmaschinen, Druckmaschinen oder Verpackungsmaschinen zu finden sind, häufig im Mehrschichtbetrieb laufen.
Die Betätigung eines klassischen Kurvengetriebes mit einer konstanten Eingangsgeschwindigkeit ist bei Rastbewegungen üblich, da die Kurvenscheibe eine nahezu willkürliche Bewegung des Abtriebsglieds zulässt und dennoch ziemlich robust ist. Ebenfalls werden auf einem Koppelgetriebe basierende Rastgetriebe ohne Kurvenscheibe mit konstanter Eingangsgeschwindigkeit in verschiedenen Maschinen verwendet. Diese Mechanismen können angenäherte Rasten erzeugen. Sie erlauben jedoch keine willkürliche Bewegung zwischen Rasten, da diese Bewegung durch Eigenschaften des Mechanismus vordefiniert ist. Die letzte Kombination des Standes der Technik ist die direkte Erzeugung der Abtriebsbewegung durch eine variable Ansteuerung ohne mechanische Komponente (beispielsweise durch einen Servoantrieb). Da sich die Technologie der Servoantriebe schnell weiterentwickelt, wird diese Kombination für industrielle Anwendungen immer attraktiver. Diese Kombination erfordert jedoch leistungsstarke Antriebe, die die Wirtschaftlichkeit dieser Lösung aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten verringern.
Ziel
Während dieses Projekts wird eine Strategie zur Entwicklung effizienter Rastmechanismen für hochdynamische Anwendungen ausgearbeitet. Es werden die Möglichkeiten aufgezeigt, elektrische und mechanische Komponenten optimal zu kombinieren. Im Gegensatz zu diesen klassischen Kombinationen zur Erzeugung einer Rastbewegung hat die Ansteuerung einer Rastmechanik mit variabler Eingangsbewegung viele Vorteile. Zum einen kann der Mechanismus in seiner Eigenbewegung betätigt werden. Das Antreiben eines Mechanismus in seiner Eigenbewegung ist sehr energieeffizient, da keine Energie benötigt wird, um die Trägheitskräfte zu überwinden. Daher kann der Servomotor verkleinert werden. Im Gegensatz zum klassischen Rastmechanismus ohne Kurvenscheibe können exakte Rasten realisiert werden, indem während der Rast eine Eingangsgeschwindigkeit von null vorgegeben wird. Die Rast kann verlängert werden, indem der Antrieb während der Ruheposition der Mechanik abgebremst wird. Dieser Effekt kann genutzt werden, um die Maße der Kurvenscheibe zu verringern oder die Übertragungswinkel zu vergrößern und so das erforderliche Übertragungsdrehmoment zu verringern. Trotz dieser Vorteile wurden diese Kombinationen bisher kaum erforscht.
Vorgehen
Um die Kombinationen und ihre Vorteile besser verfügbar zu machen, wird im Rahmen dieses Projekts eine Anleitung zur Synthese dieser Kombinationen entwickelt. Diese Anleitung wird eine Strategie für die Struktur- und Maßsynthese von Rastmechanismen bereitstellen. Dies beinhaltet die Synthese der Möglichkeiten, eine variable Eingangsgeschwindigkeit bereitzustellen. Um die Anwender*in beim Prozess der Struktursynthese zu unterstützen, werden die Kombinationen aus Servomotor, Koppelgetriebe und Kurvengetriebe auf ihre technischen Grenzen hin untersucht. Diese Grenzen helfen dem Anwender, Strukturen auszuschließen, die die Anforderungen an die Bewegung und die wirtschaftlichen Anforderungen nicht erfüllen. Die zum Stand der Technik gehörenden Methoden zur Maßsynthese der Strukturen sind in der Literatur ausreichend beschrieben. Die Entwicklung der zum Forschungsgegenstand gehörenden Methoden wird im Rahmen dieses Projekts durchgeführt. Da diese Strukturen eine Möglichkeit beinhalten, die Eingangsbewegung zu variieren, können die Verfahren des Leistungsausgleichs verwendet werden, um die Effizienz des Mechanismus zu erhöhen. Daher umfasst die Maßsynthese nicht nur die Bestimmung der kinematischen Parameter des Mechanismus, sondern auch die Bestimmung der Trägheitsparameter. Da die Masse eines Gliedes in direktem Zusammenhang mit seiner Steifigkeit steht, muss der Einfluss flexibler Glieder für diese Art von Anwendung analysiert werden. Die Validierung der Methoden und der Nachweis der Vorteile der Kombinationen innerhalb des Forschungsgegenstandes werden durch die Integration der Methoden in die Getriebesoftware MechDev sowie ein physikalisches Modell in die Praxis umgesetzt.