Ziel der Entwicklung
Die derzeitigen Bemühungen zur Ablösung von alleinigen thermodynamischen Mobilitätslösungen hin zu effizienten Hybriden aus thermodynamisch / elektrischer Krafterzeugung und fahrelektrischen Systemen stellen ein weites Bedarfsfeld für fortschrittliche mechanische Kraftquellen beziehungsweise Kraftwandelsysteme dar. Die wesentlichsten Faktoren, die gegen die effiziente Umwandlung der in diese Systeme eingespeisten thermodynamischen Energie arbeiteten, sind die internen Verluste infolge der Massenträgheit und Reibung der mechanischen Kraft-Wandlungskomponenten. Die Überwindung der Massenträgheiten in derartigen Systemen benötigt einen gewissen Anteil der eingespeisten Energie. Somit sind Lösungen zur Reduktion der bewegten Massen bei der Kraftwandlung eine der wesentlichsten Herausforderungen zur Verbesserung der Energieeffizienz. Durch die Reduzierung der internen Verluste sinkt der Bedarf an einzuspeisender Energie für eine definiert abzugebende Kraftwirkung. Darüber sollen Energieträger eingespart werden und deutliche Umwelt- und Reichweitenvorteile in der unmittelbaren Anwendung gegenüber klassischen thermodynamischen Kraftquellen-Ausführungen entstehen. Der Hauptentwicklungsschwerpunkt des Vorhabens ist es somit, die bewegte Masse eines Kraftwandelgetriebes umfassend zu reduzieren, um interne Verluste zu minimieren. Darauf aufbauend soll das gesamt Gewicht einer vorliegenden Motor-Getriebeeinheit reduziert werden. Hierzu sind Lösungen für Oval-Zahnräder in Leichtbaumaterialbauweise zu entwickeln und in einer realtechnischen Beispielapplikation zu testen. Die Reduzierung der internen Verluste der Kraft-Wandel-Einrichtung soll durch Vergleich der Drehmomente von Vollstahl-Oval-Zahnrädern zu Leichtbau-Oval-Zahnrädern bei definierten Arbeitspunkten demonstriert werden. Als Getriebeausführung wurde ein Oval-Zahnrad-Umlaufgetriebe ausgewählt. Das Getriebe besitzt zwei relativ einfach auszutauschenden Orbital-Zahnradmodule, die für die Versuche durch Leichtbauvarianten ersetzt werden sollen. Bezüglich der Entwicklung dieser Leichtbau-Oval-Zahnräder sollen mehrere Ausführungsformen entworfen und die Konzepte numerisch miteinander verglichen werden. Als Konzepte werden Leichtbau-Zahnräder mit Metallzahnkranz und Carbon-Radkörpern sowie Voll-Carbon-Zahnräder mit masseoptimierten Vollstahl-Zahnrädern betrachtet. Nach Abschluss der nummerischen Untersuchungen sollen Labormuster erstellt und in Laborversuchen auf Verwendungsfähigkeit geprüft werden. Für die Laborversuche wird ein Versuchstand für Oval-Zahnräder aufgebaut, mit dem einzelne Leichtbau-Exemplare in Kombination mit Metall-Exemplaren zur Ermittlung der statischen und dynamischen Parameter bei unterschiedlichen Beschleunigungen, statischen Geschwindigkeiten und/oder statischen Lastmomenten betrieben werden können. Nach dem Abschluss der Untersuchungen zur Verwendungsfähigkeit der erstellten Oval-Zahnrad-Labormuster erfolgen weitere Erprobungen in einen Realtechnologie-Demonstrator. Hierfür wird die ausgewählte Kraftquelle mit ihrer Orbital-Zahnrad-Getriebekonfiguration in einen Motorversuchsstand integriert. Der Motorversuchstand wird für die Getriebe-Laufversuche mit einem drehzahlmäßig steuerbaren Schleppmotor sowie Messtechnik zur Erfassung der Drehmomente konfiguriert. Zusätzlich werden ein Thermografie-Messsystem und eine akustische Messeinheit integriert. Somit kann das Versuchsträger mit konventionellen Stahl-Oval-Zahnrad-Orbitalmodulen und nach kurzer Rüstzeit (max. 30min) mit den Leichtbauvarianten im geschleppten Betrieb bei statischer Gegenlast mit variablen Drehzahlen gefahren werden. Als Ergebnis der Untersuchungen sollen die maximalen und mittleren Drehmomente des Getriebes in unterschiedlichen Umdrehungen, die Laufgeräusche sowie die Thermische Entwicklung auf Grund von Reibung mittels einem ölfreien Testbetrieb bestimmt werden. Für den Fall eines erfolgreichen Einlauf- und Testbetriebes mit den umlaufenden Oval-Zahnrädern, ist optional zu prüfen, wie das Anschub- und Antriebsrad auf der zentralen Achse des Getriebes durch entsprechende Leichtbaumuster ersetzt werden kann. Dabei ist zu beachten, dass die mechanischen Anforderungen bezüglich des Anschub- und Antriebsrades der Getriebeeinheit deutlich höher sind, als bei den Orbitalmodulen. Aus den gewonnenen Daten und Erfahrungen wird der Änderungs- und Weiterentwicklungsbedarf des vorliegenden Leichtbau-Oval Zahnrad-Getriebes ermittelt, um eine spätere Vermarktung vorzubereiten.
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen der Arbeiten konnte die grundlegende Zielstellung der Entwicklung von Voll-CFK-Oval-Zahnrädern für den Einsatz innerhalb eines Leichtbaugetriebes für mechanische Kraftquellen realisiert werden. Weiterhin konnten für alle vorgesehen Einwicklungsschwerpunkte tragfähige Lösungen und Konzepte erstellt werden. Die primäre Zielstellung der Austestung einer maximalen Masseneinsparung der gewählten Grundkonstruktion konnte mit 63,7 Prozent reiner Massereduktion der substituierten Baugruppe und bis 14 Prozent Reduzierung der internen Gesamtträgheitsmomente erfolgreich umgesetzt werden. Die optimierte Version der Voll-CFK-Zahnräder ermöglichten es, das Demonstrator-Getriebesystem bei konstanter Last im unteren Drehzahlbereich von bis 700 min-1 sicher zu fahren. Hierbei ist zu beachten, dass in den Demonstrator noch kein System zur Schmierung integriert wurde. Somit war die Belastung in den Untersuchungen deutlich höher, als sie in einem späteren Applikationsbetrieb zu erwarten ist. Die orbitalen Oval-Zahnrad-Module in CFK-Ausführung weisen mit 75 Prozent Masseeinsparung gegenüber der Stahlausführung die erwarteten deutlich verringerten Gegendrehmomente auf. Besonders positiv hervorzuheben ist die Verringerung des Geräuschpegels bei Getriebelauf infolge der geräuschdämpfenden Wirkung des CFK-Materials in den Zahnradmodulen. Bei den Versuchen konnte eine deutliche Reduzierung des mittleren Drehmoments ab einer Drehzahl (DRZ) von 500 min-1 um -14,6 Prozent, bei DRZ. = 600 min-1 um - 16,3 Prozent und bei DRZ = 700 min-1 um -11,9 Prozent festgestellt werden. Unterhalb der DRZ = 300 min-1 wurden keine wesentlichen Unterschiede in den mittelten Drehmomenten festgestellt. Die Massereduktion der einzelnen CFK-Oval-Zahnräder beträgt über 75 Prozent gegenüber den Einzelrad-Stahlausführungen. Die Massereduktion der Orbitalmodule aus den CFK-Oval-Zahnrädern gegenüber der Stahlvariante beträgt 63,73 Prozent. Die zu Montage und Stabilisierung eingesetzten Metallteile (Achslager, Verstiftungen) reduzieren hierbei den Faktor der Massereduktion minimal. Für eine Bestückung des Demonstrators werden zwei Oval Zahnradmodule benötigt. Das ausgewählte Versuchsgetriebe mit rotierendem Getriebekasten stellt als solches konstruktiv ein neuartiges mechanisches Konzept dar. Einer der wesentlichsten Vorteile dieses Systems besteht in den Möglichkeiten für schnelle Reparaturen und Wartungen sowie des hohen Gleichteileanteils in Bezug auf die Kraftübertragung (Zahnräder) Bei den Untersuchungen im geschleppten Betrieb konnte eine deutlich wahrnehmbare Reduzierung der Laufgeräusche bei der Verwendung der CFK-Oval-Zahnräder bestätigt werden. Bei einer Drehzahl von 500 min-1 konnte im Vergleich mit den Stahl-Oval-Zahnrädern eine Reduzierung von sieben Prozent bei einer Drehzahl von 600 min-1, - 7,1 Prozent und acht Prozent bei 700 min-1 ermittelt werden. Die CFK-Oval-Zahnräder arbeiten somit wesentlich geräuschärmer, als die Stahlvarianten. Im Rahmen der Untersuchungen trat ein Havarieereignis ein. Bei dem Versuch wurde eine schnellen Beschleunigung im Drehzahlbereich 700 min-1 zu 1.000 min-1 durchgeführt. Infolgedessen kam es zum Bruch eines Zahnes auf Grund eines verdeckten Fertigungsmangels. Entsprechend dem Sicherheitskonzept der Getriebekonstruktion wurden geplante Sollbruchmuster in den leicht zu ersetzenden Orbitalmodulen ausgelöst und die Triebstange getrennt. Dieses Zusatzergebnis macht neben den zu realisierenden Verbesserungen der Fertigungsabläufe die Notwendigkeit eines gesteuerten Hochfahrens der Drehzahl mit begrenzter Beschleunigung deutlich. Bei der Sichtung der Schadensstellen konnte in der Bruchstelle eine Schwächung der Zahnwurzel infolge von außen nicht erkennbaren Lunkern festgestellt werden. Im Ergebnis der Auswertung wurde der Änderungsbedarf für eine weitere konstruktive Anpassung der CFK-Zahnradgeometrien abgleitet. In der folgenden Phase der Überführung der Entwicklungsergebnisse in eine anwendungsbereite technologische Lösung sollen weitere Optierungen zur Verbesserung der Zahnstabilität gegen Zug-, Druckbelastungen an der Zahnwurzel erfolgen. Bei der Funktion in realtechnischen Getrieben rollen die winkelversetzten Orbital-Oval -Zahnradmodule in ihrer Orbital-Bewegung auf den zugeordneten An-, Abtriebs-Zahnrädern ab. Dabei führt der Momentenwechsel zu einer wechselseitigen Scherbelastung. Zusammenfassend kann gesagt wer-den, dass die Erwartungen an die Reduzierung der Laufgeräusche und der internen Verluste durch die Trägheitsmomente erfüllt wurden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der ITW e.V. Chemnitz als gemeinnützige FuE-Einrichtung verwertet seine Ergebnisse im Bereich Prototypen- und Funktionsmusterbau und ist in Auftragsforschung und technischen Entwicklungsdienstleistungen tätig. Die Vermarktung wird im Rahmen der Vermarktung in Drittunternehmen in einem fach- und interessenbezogenen Netzwerk organisiert, dieses besteht neben den Mitgliedsunternehmen des ITW e.V. Chemnitz aus Unternehmen des Sondermaschinenbaus sowie der Elektrotechnik und weiteren Branchen, mit denen langjährigen Kooperationsbeziehungen bestehen. Erwartete sekundäre wirtschaftliche Effekte für den ITW e.V. Chemnitz sollen in generierten Dienstleistungen und Industrieaufträgen im Bereich Prozess- und Technologieentwicklung sowie Technologietransfer in Form von FuE-Folge- und Applikationsaufträgen erzielt werden. Darüber werden im ITW vorhandene Arbeitsplätze gesichert beziehungsweise neue anspruchsvolle Arbeitsplätze für die Erweiterung der Geschäftsfelder Fertigungstechnik / Messtechnik / Automatisierungstechnik geschaffen. Beabsichtigte wirtschaftliche Vorteile für die Systemhersteller (Maschinenbau / Anlagenbau) beinhalten eine Erweiterung der Produktkompetenzen sowie die Sicherung der Arbeitsplätze in der Fertigung. Neben dem Einsatz von marktverfügbaren Bauteilen kann mehr als 50 Prozent der Teilefertigung durch Fertigen des lokalen Maschinenbaues mittels Standard CNC-Anlagen erfolgen. Somit soll der Hauptteil der Wertschöpfung bei diesen KMU liegen. Die Fähigkeit, schnell und individuell auf Kundenwünsche zu reagieren, stellt einen grundlegenden Wettbewerbsvorteil der heimischen KMU gegenüber externen Wettbewerber dar. Als Zielmarkt sind primär Anwendungen von Kraftquellen für die lokale Erzeugung von elektrischer Energie zu sehen, insbesondere für Anwendungen, wo energieökonomische Kraftquellen mit geringen Arbeitsgeräuschen erwünscht sind. Die geringe technische Komplexität in Bezug auf Anzahl und Typen von Verschleißteilen stellen einen Substitutionsvorteil bei Wartung und Reparaturen insbesondere bei dezentralen Lösungen mit vielen kleinen Kraftquellen dar. Innerhalb des europäischen Marktes nehmen die deutschen Hersteller für Elektroenergie-Erzeugungstechnologien eine führende Position ein. Jedoch sind sie mit ihren investitions-intensiven und exportabhängigen Produktpaletten sehr abhängig von der weltweiten Entwicklung. Der konventionelle Kraftwerksbau ist in Deutschland entgegen dem internationalen Trend weitgehend zum Erliegen gekommen. Das Wachstum von Windgeneratorsystemen steht durch die Auslandsverlagerung der Produktion von Schlüsselkomponenten (Flügel) und der aktuellen Energiesituation 2022 bis 2024 vor erheblichen Unsicherheiten. Hieraus entsteht jedoch ein immer deutlicherer Bedarf an Notfall- und Spitzenlast-Sicherstellungslösungen, insbesondere für lokale Inselfähige Netzstrukturen mit vielen vernetzungsfähigen Quellen, welche als Rückversicherung für insbesondere kommunale, kleingewerbliche und ländliche Zonen gegen Not-Lastabwurfmaßnahmen betrieben werden können. Die Forderungen zur Spitzenlast-Absicherung werden durch kraftgekoppelte Elektromotoren/Generatoren sehr gut erfüllt. Weiterhin sind diese Systeme auch zunehmend als Notlauf-Absicherungen in Industrieanlagen sowie temporären Energieversorgungen zunehmend in Einsatz. Weiterhin entwickelt sich insbesondere in den sogenannten Schwellenländern ein erheblicher Bedarf an derartigen Systemen. Um die wirtschaftliche Gesamtbilanz von mechanischen Kraftwandler-Systemen zu verbessern, ist die Wirkungsgradverbesserungen bei gleichem oder geringeren Materialauf-wand der logische Weg. Die deutliche Reduzierung der bewegten Masse ist hierbei der wirksamste Schritt. Grade die gesamttechnologischen Entwicklungslinien für Leichtbau-Kraftquellen mit optimiertem konstanten Betriebspunkt, eignet sich für den Betrieb von kleinen Schwarzstart-fähigen Stromerzeugern, die voneinander entkoppelte lokale Versorgungscluster aus Insellösungen bedienen können. Aber auch als drahtlos aktivierbares Notfallnetzwerk den Betrieb überregionaler kritischer Infrastrukturobjekte (Pumpen / Sicherheits-schleusen / subterrane Belüftungen) im Falle überregionaler Netzabwürfe sicherstellen. Durch viele Insellösungen kann der extern zugeführte Grundlastbedarf in entsprechenden Gegenden über definierte Zeiträume sehr stark reduziert werden, so das Spitzenlasten abgefangen werden. Die ersten Applikationen für die entwickelte Kraftquelle sind in temporär benötigte Prozessabsicherungen bei Maschinen und Anlagen zu sehen. Hierbei ist sicherzustellen, dass bei Ausfall der externen Hauptenergieversorgung die Maschinen und Anlagen in sichere definierte Zustände gefahren werden. Somit stehen in der ersten Phase der Markteinführung vor allen kleine und mittlere gewerbliche sowie kleinere kommunale Anwendungen beziehungsweise kritische Infrastruktursysteme mit zyklischer Bedarfsanforderung im Mittelpunkt.
