Auslegung eines Synchrongelenks für den Einsatz in Schrägachsen-Axialkolbenmotoren

Steinwede, Johannes; Schröder, Kai-Uwe; Jacobs, Georg

doi:HT020871991

Auslegung eines Synchrongelenks für den Einsatz in Schrägachsen-Axialkolbenmotoren = Design of a homokinetic joint for use in bent axis axial piston motors

Steinwede, Johannes^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeJohannes Steinwede

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Verlagshaus Mainz GmbH 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Druckausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jacobs, Georg (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-00896
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/811044/files/811044.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung (411710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Auslegung (frei) ; Gleichlaufgelenk (frei) ; Hydraulik (frei) ; Schrägachsenmotor (frei) ; bent axis motor (frei) ; design (frei) ; homokinetic joint (frei) ; hydraulic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Hydrostatische Antriebe stehen im Wettbewerb mit anderen Antriebsarten bei mobilen Arbeitsmaschinen. Aus der Forderung nach höheren Fahrgeschwindigkeiten wird für die breit verbreiteten Schrägachsenmotoren die Notwendigkeit nach einem großen Schwenkwinkel abgeleitet. Konstruktiv ist dabei maßgeblich ein notwendiges Gleichlaufgelenk auszulegen, welches die Drehbewegungen von Triebwelle und Zylinder synchronisiert. Ausgehend von der Konzeptentwicklung werden drei Triebwerksvarianten entwickelt, welche verschiedene am Markt etablierte Konstruktionsmerkmale aufnehmen und über einen großen möglichen Schwenkwinkel verfügen. Zwei Konzepte verwenden ein Kugelgleichlaufgelenk, eines ein doppelt angeordnetes Tripodegelenk. Zur Identifikation von Geometrieparametern, welche die Gelenk-belastung bestimmen, wird die Betriebsbelastung der Gelenke zunächst mit analytischen bzw. empirischen Ansätzen beschrieben. Die Lastbeschreibung wird darauf folgend über den Vergleich mit Messungen an den Gelenken bei Betrieb auf einem Motor-Generator-Prüfstand validiert. Das Verhalten der verwendeten Gelenke wird insbesondere im Hinblick auf mögliche Übertragungsfehler mittels verschiedener Simulationsmethoden analysiert. Aufgrund der bisher nur auf Ermüdung berechenbaren Gelenke wird die Belastbarkeit der Gelenke unter den Bedingungen im Hydraulikmotor in stichprobenartigen Versuchen auf einem Gelenkprüfstand ermittelt. Nach einer Konzeptvorauswahl wird für das Triebwerk mit doppeltem Tripodegelenk der Einfluss des Gesamtsystems auf die Gelenkbelastung ermittelt, indem Prüfstand und Motor als Mehrkörpersimulation abgebildet werden und Rechenergebnisse mit Messungen verglichen werden. Anhand eines realnahen Fahrzyklus` wird die Lebensdauer des Gelenks für den Einsatz im Motor berechnet und zugleich der Einfluss des Fahrzyklus` auf die Gelenkbelastung ermittelt. Schlussendlich wird eine Auslegungsmethodik entwickelt, welche den universellen Einsatz von hydraulischen Schrägachsenmotoren insofern berücksichtigt, als explizit zwischen Maßnahmen in Produktentwicklung und Applikation unterschieden wird.

Hydrostatic drives compete against other drive types for use in mobile machinery. The demand for higher speeds leads to a demand for high swivel angles in the widely used bent axis motors. Key point for successful high angle motors is the design of a homokinetic joint that synchronizes drive shaft and cylinder barrel. Starting from a neutral design process, three different motor concepts are derived, all using well established machine elements, but deliver high possible swivel angles. Two concepts make use of a ball-type homokinetic joint. one uses a doubled tripod joint. First, geometric parameters that affect the loads on the synchronous joint were identified. Analytic and empiric models are used to describe the joint load. The results were validated by comparing them to load measurements from the motors tested on a motor-generator test bench.To analyze the joint characteristics, the joints of all concepts were modelled, both using multi body simulation tools and/ or finite element tools where necessary. Special regard was set on failures in the angular transmission behavior, which can lead to torsional vibrations. Since lifetime calculation models for the chosen homokinetic joints only consider fatigue failures, the load capability of all joints were roughly estimated by testing. Joint testing was done in a joint test bench under close to real loads (hydraulic fluid, additional load forces, similar torque levels). Following the selection of a final motor concept, the motor with doubled tripods joint was analyzed for further load sources. First, the influence of the connected system on the joint load is analyzed by comparing results from a multi body simulation to measurement data. Second, the influence of the driven load cycle on the joint load is analyzed by comparing loads derived by real life data to generic testing cycles. The joint lifetime is obtained by comparing the load cycles to an estimated Woehler-curve from joint testing. Finally, a methodic approach is derived to describe an appropriate design process for the homokinetic joint with special regard on the universal usage of bent axis motors by respecting the different phases of product design and product application.

OpenAccess:
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