Hydraulik Simulation nutzen und Hydrauliktanks optimieren

Anbieter zum Thema

CADFEM Germany GmbH

item Industrietechnik GmbH

SMC Deutschland GmbH

Parker-Hannifin GmbH Seal Group Europe

Parker-Hannifin Corporation

Mit der Umstellung auf Elektrifizierung von mobilen Maschinen bietet sich auch die Möglichkeit, Hydraulikkomponenten neu zu konzeptionieren. Beispielsweise lässt sich mithilfe von Simulation der Hydrauliktank optimieren.

Ein optimierter und somit kompakterer Hydrauliktank schafft nicht nur mehr Platz für zusätzliche Batteriekapazität in elektrifizierten mobilen Maschinen, sondern bietet auch eine Reihe weiterer Vorteile, darunter:

• ein geringerer Kraftstoffverbrauch,

• weniger CO₂-Emissionen (für Dieselfahrzeuge),

• verbesserte Sicherheit,

• niedrigere Herstellungskosten,

• geringere Wartungskosten,

• geringere Umweltbelastung und

• niedrigere Gesamtbetriebskosten.

Bei der Optimierung des Hydrauliktanks hilft Simulation. Sie kann beispielsweise bei Design und Entwicklung schnell und kostengünstig eingesetzt werden. Obwohl sie konventionelle Prototypenerstellung und Tests nicht ersetzt, kann sie die Entwicklungszeit und die Anzahl der erforderlichen Iterationen erheblich reduzieren und die Markteinführungszeit für OEMs beschleunigen. Simulationen fördern zudem ein effizientes Management der technischen Ressourcen, indem sie geeignete Materialien und Toleranzen sowie angemessene Herstellungsmethoden vorschlagen.

Luftzufuhr reduzieren dank numerischer Strömungsmechanik

Virtuelles Engineering, insbesondere die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD), ist sehr effektiv, um die Konstruktion von Hydrauliktanks zu optimieren – beispielsweise mit einer drastischen Reduzierung der Luftzufuhr.

Über den Rücklaufstrom werden Hydrauliktanks mit Fremdstoffen mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften verunreinigt. Obwohl feste Verunreinigungen mit einem Rücklauffilter vom Ölstrom getrennt werden können, gelangen unweigerlich einige Luftblasen durch den Filter in den Tank und anschließend in die Saugleitung. Was die Angelegenheit noch verkompliziert: Das Strukturverhalten des Tanks als Reaktion auf Strömung und Druck sowie die variable Wärmebelastung stellen ein mehrschichtiges physikalisches Problem hinsichtlich Schwappen, Blasenbewegung, Turbulenzen, Wärmeübertragung und struktureller Dynamik dar.

Fallstudie bei Parker Hannifin zeigt Vorteile der Simulation auf

In einer kürzlich von der Filtration Group von Parker Hannifin durchgeführten Fallstudie wurden die Vorteile aufgezeigt, die CFD bei der Optimierung des Konstruktions- und Entwicklungsprozesses eines Hydrauliktanks bieten kann.

Zunächst ist zu bedenken, dass die Einlasskonfiguration eines Hydrauliktanks einen direkten Einfluss auf das gesamte Strömungsbild hat und die auf die Innenflächen des Tanks wirkende Kraft beeinflusst. Im Rahmen der Studie entwarf Parker den Tank mit der Möglichkeit, die Position des Trichters zu ändern. Mithilfe von fünf Trichterkonfigurationen konnte das Team den Einfluss der Einlasseigenschaften auf das Strömungsmuster untersuchen:

• Trichter bei 0° (mit schrägem, offenem Boden),

• Trichter bei 90°,

• Trichter bei 180°,

• perforierter Trichter bei 0° und

• perforierter Trichter mit flachem Boden.

Wie sich Simulationsergebnisse auf die Tank-Konstruktion auswirken

Die Ergebnisse der Computersimulationen ergaben interessante Resultate mit erheblichen Unterschieden bezüglich des Auftretens von Verwirbeln, Mischen und Schwappen der Hydraulikflüssigkeit. Zu beachten ist, dass sich die Luftmenge, die den kritischen Bereich erreicht, mit der Drehung des Trichterwinkels verringert. Darüber hinaus wurde bei der Festigkeitsanalyse auf der Grundlage des von CFD vorhergesagten Drucks, der auf die Innenwände des Tanks ausgeübt wird, die Größe der daraus resultierenden Spannungen und Verformungen des Strukturmaterials berücksichtigt. Dies ermöglichte die Identifizierung von kritisch belasteten/versetzten Stellen und die Bewertung der strukturellen Sicherheit.

Weitere nützliche Beobachtungen, die sich aus den Simulationen ergaben, waren die Auswirkungen der Trichterposition auf die Schwerkraftverteilung, die Tankwandreibung und die Wärmeübertragung.

Unter anderem wirkten sich die Trichterkonstruktionen mit Durchfluss durch Perforationen erheblich auf die Strömungsdynamik aus, was zu einer verbesserten Verteilung des Ölstroms im Tank führt.

Von Diesel auf Batterie umsteigen, ohne die äußere Form zu ändern

CFD wird bei Konstruktions- und Entwicklungsaufgaben wie der Optimierung von Hydrauliktanks immer wichtiger, da es Maschinen-OEMs und Endbenutzern zahlreiche Vorteile bietet. Viele dieser Vorteile resultieren in einer deutlichen Reduzierung des Tankgewichts und der Stellfläche.

Dies zeigt sich vor allem als sinnvoll bei der Umgestaltung von bislang dieselbetriebenen Maschinen in batteriebetriebene elektrische Gegenstücke, die in der Regel ohne Änderung der äußeren Form erfolgen muss. Bei einer solchen Einschränkung ist es oft schwierig, ausreichend Platz für einen Batteriesatz zu finden. Die Reduzierung der Stellfläche des Hydrauliktanks schafft jedoch ausreichend Platz für mehr Batteriekapazität, sodass Maschinen mit einer einzigen Ladung länger laufen können.

Live-Simulation

Entwerfen, experimentieren und validieren

Größe um 75 Liter, Gewicht um 100 Kilogramm pro Maschine reduziert

In der Fallstudie von Parker konnte die Stellfläche des Hydrauliktanks um 75 Liter pro Maschine reduziert werden. Alternativ kann eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts die Ladekapazität potenziell erhöhen, sodass Ingenieure die Konstruktion entsprechend den individuellen Maschinenanforderungen optimieren können.

In Bezug auf das Gewicht lassen sich durch den Einsatz leichterer Komponenten sowohl Kraftstoffverbrauch als auch CO₂-Emissionen senken. Die Fallstudie zur Optimierung des Hydrauliktanks von Parker ergab eine Gewichtseinsparung von 100 kg pro Maschine, was zu einer höheren Kraftstoffeffizienz und einer Reduzierung der CO2-Emissionen beiträgt.

Lufteinschlüsse im Hydrauliksystem lassen sich vermeiden

Die Sicherheit ist ein weiterer Faktor, der durch die Optimierung von Hydrauliktanks gewonnen wird. Das Hauptaugenmerk liegt hier auf der Reduzierung der oben erwähnten Luftzufuhr. Bei der Betätigung eines Hydraulikzylinders beispielsweise saugt die Pumpe im Wesentlichen Öl aus dem Tank in das System. Wenn die Hydraulikflüssigkeit jedoch in den Tank zurückkehrt, wird sie normalerweise belüftet. Wenn diese Luft nicht entfernt wird, bevor sie in den Ansaugstrom gelangt, verteilt sich die Luft im gesamten Hydrauliksystem, was Handhabung und Bewegung der Maschine beeinträchtigen kann.

Mit der Tankoptimierung besteht das Potenzial, jegliche Luftverunreinigungen, die in den Ansaugstrom gelangen, auf nahezu 0 Prozent zu reduzieren. Ein solches Ergebnis führt zu einer verbesserten Bedienbarkeit der Maschine sowie zu einer besseren Sicherheit für den Bediener und alle Arbeiter in diesem Bereich.

Konstruktionsleiterforum

Produktentwicklung neu denken

Der Schlüssel für den Erfolg eines Unternehmens liegt in Konstruktion und Entwicklung. Hier entstehen innovative Produkte, die die Wettbewerbsfähigkeit sichern. Doch kennen Sie die Herausforderungen der Produktentwicklung im 21. Jahrhundert?

Das Konstruktionsleiterforum will Konstruktions- und Entwicklungsleiter für Hürden sensibilisieren, sowie Tools und Methoden aufzeigen, um innovative Ideen strukturiert zu entwickeln und den Produktentstehungsprozess so schlank und effizient wie möglich zu gestalten.

Jetzt anmelden

Niedrigere Herstellungs- und Wartungskosten

Eine weitere Einsparung ist durch niedrigere Herstellungskosten möglich. Aufgrund reduzierten Tankgröße lässt sich auch die Stahlmenge um ca. 30 Prozent reduzieren, was sowohl Material- als auch Schweißkosten spart. Dadurch wird auch die erforderliche Hydraulikflüssigkeitsmenge und damit die Umweltbelastung reduziert.

In der Fallstudie zur Optimierung des Hydrauliktanks von Parker konnten 500.000 Liter Hydraulikflüssigkeit pro Maschinenserie und Jahr eingespart werden. Insgesamt wurden anhand des Tests über einen Zeitraum von 12 Monaten voraussichtliche Einsparungen bezüglich Stahl und Flüssigkeiten von ca. 1 Mio. Euro pro Maschinenserie aufgezeigt.

Auch die Wartungskosten fallen geringer aus. Luft im System kann nicht nur die Handhabung der Maschine, sondern auch die Lebensdauer empfindlicher Hydraulikkomponenten beeinträchtigen. Durch die Tankoptimierung (und die Möglichkeit, die Luftzufuhr zu reduzieren) können Endbenutzer die Wartungskosten senken. Bei mobilen Geräten ist die häufigste Fehlerursache in der Regel die Hydraulikpumpe. Es ist teuer, diese Komponente zu reparieren oder zu ersetzen, während ihr Ausfall zudem erhebliche Maschinenstillstandszeiten erfordert. Ausfallzeiten sind kostspielig, insbesondere beim Bergbau und in Steinbrüchen, da diese Betriebe oft rund um die Uhr arbeiten.

Wärme gleichmäßig verteilen und Durchflussverteilung verbessern

CFD unterstützt auch dabei die Wärme gleichmäßig zu verteilen und die Temperatur der Flüssigkeit zu senken, bevor sie in das System eintritt. Die Fluideigenschaften werden durch zu hohe Temperaturen beeinträchtigt, was wiederum die Lebensdauer der Komponenten beeinträchtigen kann.

Ein weiterer Vorteil der Simulation ist das Potenzial, die Durchflussverteilung von den Rücklauffiltern in den Ansaugstrom zu verbessern. Als Teil des Tankoptimierungsprozesses entwickelt Parker spezielle interne Leitbleche, die das Öl zum besten Durchflussweg führen. Die Leitbleche optimieren nicht nur die Stromlinien, sondern helfen auch bei der Wärmeableitung und Entlüftung.

Simulation und Prognosen, die sich aus dem Simulationsprozess ergeben, helfen Entwicklern dabei, Zusammenhänge zu verstehen und so die Konstruktion von mobilen Hydrauliksystemen immer weiter verbessern zu können.

Simulation im Liebherr-Werk Ehingen, Teil 3

Wie CFD-Simulation Konstrukteure im Kranbau unterstützt

* Sietse Baars ist Market Development Manager – Mobile, Hydraulic and Industrial Process Filtration Division EMEA (HIFE), Filtration Group bei Parker Hannifin.

(ID:49420002)