Seit Anfang des 20. Jahrhunderts werden Gleitlager, dynamische Dichtungen und andere bewegte hydraulische Komponenten mit der Reynoldsschen Gleichung der Schmiertheorie ausgelegt. Diese parabolische Differentialgleichung beschreibt die Druckverteilung in einem Schmierspalt. Die dabei möglichen Strömungsformen werden durch Randbedingungen (i. A. Druckrandbedingungen)während der Integration vorgegeben. Für diese Gleichung existieren, abhängig der Randbedingungen, eine Vielzahl analytischer Lösungen für verschiedene hydrodynamisch geschmierte Maschinenelemente; vgl. z.B. Lang und Steinhilper.
Für die Herleitung der Reynoldsschen Gleichung wird als Randbedingung an der Wand die Haftbedingung vorausgesetzt, d. h. Normal- und Tangentialgeschwindigkeit von Flüssigkeit und Wand sind an der Wand identisch. Die Haftbedingung ist für makroskopische Strömungsvorgänge, bei denen die typische Abmessung viel größer ist als die Gleitlänge, eine hinreichend genaue Approximation der Strömungsvorgänge an der Wand, vgl. Stokes.
In Dichtsystemen und hydraulischen Komponenten treten jedoch Schmierspalte in der Größenordnung von Mikrometern auf. Für diese Strömungsgeometrien beobachten insbesondere Dichtungshersteller Abweichungen zwischen experimentell gemessenen und mittels Reynoldsscher Gleichung oder elastohydrodynamischer Simulationen berechneten Leckageströmen und Reibkräften. Diese Abweichungen zwischen Theorie und Experiment werden nach Pelz mit der Hypothese:
„In tribologischen Systemen des Maschinenbaus tritt Wandgleiten auf.“
erklärt. Diese Hypothese zu verifizieren und Wandgleiten für die Bewegung ausgewählter Hydraulikflüssigkeiten relativ zu einer Stahloberfläche zu messen ist Ziel dieser Arbeit.
Aktualisiert: 2020-01-28
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Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich aktiv geregelte Feder-Dämpfer-Systeme anbieten, um die steigenden Anforderungen an den Fahrkomfort beim autonomen Fahren zu erfüllen. Durch eine Entkopplung des Fahrgastraums von der Straßenanregung werden der Fahrkomfort gesteigert und das Auftreten von Kinetose verringert. Mit der aktiven Luftfeder der TU Darmstadt - einer Synthese aus Luftfeder und aktiver Federung - wird ein derartiges System konzipiert, entwickelt und ein Funktionsprototyp im Versuch validiert. Der Grundgedanke ist, die Vorteile einer konventionellen Luftfederung mit denen eines aktiven Systems zu kombinieren. Die aktive Luftfeder ist teiltragend und die Kraftstellung erfolgt durch eine Verstellung der tragenden (druckeffektiven) Fläche der Luftfeder im Betrieb mit hydraulischen Aktoren. Diese sind in die Abrollkolben der Luftfeder integriert und arbeiten mit einer Eckfrequenz von ca. 5 Hz. Ausgehend von der Frage nach der optimalen vertikaldynamischen Schwingungsminderung, wird zunächst ein Verfahren erarbeitet, um Vertikaldynamiksysteme bereits in einer frühen Phase der Entwicklung im Spannungsfeld zwischen Funktion und Aufwand bewerten zu können. Hierfür wird die Maximierung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit als mathematisches Optimierungsproblem - der Minimierung der H2-Norm der Übertragungsfunktionen der Aufbaubeschleunigung und der Radlastschwankung - formuliert. Basierend auf den theoretischen Voruntersuchungen wird ein Prototyp der aktiven Luftfeder entwickelt. Um diesen unter möglichst realistischen Bedingungen im Experiment zu untersuchen, werden Hardware-in-the-Loop-Versuche durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Fahrkomfort bei der Fahrt auf einer Bundesstraße mit 100 km/h bei verbesserter Fahrsicherheit um ca. 35 % gesteigert wird.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Pumpen und Pumpensysteme sind in Summe einer der größten Verbraucher elektrischer Energie im heutigen Europa. Die problemspezifische Systemauslegung ist der Schlüssel zu einem System, das genau die gewünschte Funktion erfüllt und dabei sparsam arbeitet. Dem gegenüber steht ein großes Angebot technischer Komponenten unterschiedlicher Hersteller, die ihre Produktpalette verstärkt nicht nur in Katalogen präsentieren, sondern auch die automatische Auswahl eines Produkts für einen gegebenen Betriebspunkt durch einfache Software anbieten.
Die Auswahl einzelner Pumpen mithilfe von Computern ist nicht nur möglich sondern bereits Realität. Wünschenswert ist als nächster Schritt die automatisierte Zusammenstellung und Bewertung von Systemen. Die Anwendung exakter Optimierungsverfahren zur Systemauslegung garantiert dafür die globale Optimalität einer gefundenen Lösung.
Der Einsatz exakter Verfahren zur Systemplanung und Bewertung erfordert einen einfachen Zugang zu deren Nutzung. In dieser Arbeit wird deshalb die strukturierte Modellbildung für Fluidfördersysteme allgemein und Druckerhöhungsanlagen im Speziellen erarbeitet, begründet und beschrieben. Auf der Grundlage eines Flussgraphen werden die technischen Bedingungen zur Modellierung einer Menge möglicher Systeme formuliert und für unterschiedliche praxisrelevante Probleme angewandt.
Die exakte Optimierung wird genutzt, um eine energetisch optimale Steuerung für den Betrieb von Druckerhöhungsanlagen unterschiedlicher Konfiguration auszulegen. Durch die Überlagerung von Betriebs- und Kaufentscheidung erfolgt die automatisierte Auswahl und Zusammenstellung von Einzelpumpen zu optimalen Anlagen für unterschiedliche Lastprofile. Die Garantie der globalen Optimalität erlaubt die Nutzung der Modelle zur Bewertung von Anlagen.
Diese Arbeit zeigt Modellierungstechniken und Praxisanwendungen für Verfahren der exakten Optimierung zur Planung und Bewertung von Fluidsystemen und Druckerhöhungsanlagen.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode zur Aufwertung des Wirkungsgrades bei Modellabnahmemessungen für Radial- und auch Axialventilatoren, die auf Vorgängerarbeiten aufbaut, hergeleitet und erweitert. Zur Validierung wurden weiterhin zwei Versuchsventilatoren experimentell untersucht, die Verluste dieser Ventilatoren analytisch modelliert und darüber hinaus eine numerische Simulation der Ventilatoren durchgeführt.
Die in dieser Arbeit behandelte Aufwertungsmethode ermöglicht die Übertragung der am Modell gemessenen Werte von Wirkungsgrad und Druckziffer auf eine Großausführung mit relativ hoher Genauigkeit. Die Methode ist axiomatisch hergeleitet und ist eine integrale Methode, die nicht auf Einzelverlustanalyse beruht. Vielmehr werden nur die Änderungen im Wirkungsgrad durch maßgebliche von der Reynoldszahl abhängige Verluste, sprich Reibungsverluste, betrachtet. Dies hat den Vorteil, dass Unsicherheiten bei der Modellierung der anderen Verlustanteile nicht in die Methode eingehen. Die Methode besteht aus zwei Schritten: Erst wird die Wirkungsgradänderung im Optimalpunkt der Maschine berechnet. Anschließend wird die Kennlinie entlang einer Geraden im Optimalpunkt zu höheren Durchsätzen verschoben.
Die Methode wird durch die Messdaten der geometrisch ähnlichen Radialventilatoren, die in dieser Arbeit untersucht wurden, gut validiert. Sie liefert durchgängig bessere Ergebnisse als bisher verwendete Methoden, wie die Ackeret-Gleichung. Auch bei Axialventilatoren liefert die Methode gute bis sehr gute Ergebnisse im Vergleich zu anderen Aufwertungsmethoden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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