erstellt von Prof. Dr.-Ing. Dieter Schramm Spessartstrasse 5 70469 Stuttgart und Dr.-Ing. Benjamin Hesse Uedemerfelder

Typische Getriebevarianten und Zentrifugalgetriebe im Vergleich

3.60M

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Механика

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Kurzgutachten Zentrifugalmotor für die Fa. Etorque GmbH

1. erstellt von Prof. Dr.-Ing. Dieter Schramm Spessartstrasse 5 70469 Stuttgart und Dr.-Ing. Benjamin Hesse Uedemerfelder

Kurzgutachten Zentrifugalmotor für
die Fa. Etorque GmbH
04.07.2012
erstellt von
Prof. Dr.-Ing. Dieter Schramm
Spessartstrasse 5
70469 Stuttgart
und
Dr.-Ing. Benjamin Hesse
Uedemerfelder Weg 19
47589 Uedem
Uedem

2.

Analyse der Funktion und Begutachtung eines „Zentrifugalmotors“
1.
Beispielhafte Modellierung des Antriebsprinzips und Funktionsnachweis unter verschiedenen
relevanten Bedingungen
s. Anlage 1 (Matlab) und Anlage 2 (Maple)
a. Aufstellung der Bewegungsgleichungen des Gesamtsystems
s. Anlage 2
b. Untersuchung der Grenzfrequenz des Freilaufs
c. Abgleich mit Versuchen, die beim Auftraggeber durchgeführt wurden
2.
Animation der Funktion des Versuchssystems (Anlage 3)
3.
Rechnerische Bestimmung des theoretischen Wirkungsgrades; Abgleich mit Messungen
4.
Vorschläge für eine Optimierung der Designparameter
5. Kurzer Abschlussbericht mit den Ergebnissen der Begutachtung
Präsentation bei Vermot

3.

Verwendete Konfiguration I
Hochschule Eisenstadt

4.

Verwendete Konfiguration I

5.

Verwendete Konfiguration III
Hochschule Eisenstadt
R
e

6.

Modellierung I
• Modellierung als Mehrkörpersystem mit den Abmaßen des Beispielsystems
• Auswertung in Matlab und Maple
• Keine Reibungseffekte, da keine Messwerte verfügbar
• Einfaches Modell für Freilauf ohne quantitativ reale dissipative Effekte
• Elastizität des Riemens (des Prototypsystems) nicht berücksichtigt

7.

y
Modellierung II
x
Motor (Antrieb)
Trägerplatte (Abtrieb)

8.

Grundlegende Gleichungen
Bewegungsgleichungen von Trägerplatte und Unwuchten
Sperrmoment des Freilaufs in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit

9.

Verwendete Gleichungen
Bewegungsgleichung der Trägerplatte (Abtrieb) bei konstanter Drehzahl des
Elektromotors
Sperrmoment
Unwuchtkraft
Lastmoment
Trägheitseffekte
Erforderliches Antriebsmoment des Elektromotors
Trägheitseffekte
Reibungseffekte

10.

Exzenterscheibe
Drehachse
Massenmittelpunkt

11.

Beispiel für einen Simulationslauf
Parameter wie Prototyp mit verdoppelter Unwuchtmasse
Anlaufsituation
„Eingeschwungener
“ Zustand

12.

Simulationslauf Beispiel – Detailansicht Drehwinkel
Rückdrehung
Freilauf
„Vorschub bei einem Hub“

13.

Simulationslauf Beispiel – Detailansicht Drehgeschwindigkeit
Drehgeschwindigkeit 1/min

14.

Simulationslauf Beispiel – Detailansicht Sperrmoment
Sperrmoment Freilauf (Nm)

15.

Übertragungsverhalten – Variation der Antriebsdrehzahl
• Drehzahl der Trägerplatte oberhalb einer Mindestdrehzahl proportional zur Antriebsdrehzahl
• Unterhalb einer Mindestdrehzahl kein Betrieb möglich

16.

Übertragungsverhalten – Variation des Lastmoments
• Drehzahl der Trägerplatte nimmt mit zunehmender Last degressiv ab
• Wirkungsgrad nimmt mit zunehmender Last progressiv ab

17.

Übertragungsverhalten
• Größere Unwuchtmassen führen bei gleicher Antriebsdrehzahl zu einer in Richtung
höherer Abtriebsdrehzahlen verschobenen Kennlinie

18.

Einfluss des Freilaufs
• Die Freilaufsteifigkeit hat nahezu kein Einfluss auf das Übersetzungsverhältnis
• Die Freilaufsteifigkeit hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad:
Versuchstechnische Bestimmung der Parameter erforderlich

19.

Dynamische Sperrmomente im Freilauf
• Hohe dynamische Belastung des Freilaufs
• Belastung proportional zur Eingangsdrehzahl zunehmend

20.

Unterschiedliche Radien der Trägerplatte
• Größere Radien führen zur deutlichen Verbesserung der Performance
• Aber: deutlich erhöhter Platzbedarf

21.

Wechselnde Last
• Lastwechsel
Rückdrehwinkel des Freilaufs
Aufgenommene Energie
Drehwinkel
Trägerplatte (Abtrieb)
Abgegebene Energie

22.

23.

Heben von 46 kg auf 2m Höhe
300
Simulationen
250
Messungen
Zeit in s
200
150
100
50
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
• Abweichungen von Messung und
Simulation
• Unerklärbare Schwankungen in
Messung
• Min. Antriebsdrehzahl verschieden
evtl. anderer Aufbau als
angenommen
Antriebsdrehzahl in 1/min
Heben von 46 kg auf 2m Höhe
Wirkungsgrad (Getriebe) in %
120
100
80
60
40
Simulationen
20
Messungen
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Antriebsdrehzahl in 1/min
6000
7000
• Wirkungsgrad teilweise > 96%
• Wirkungsgrad E-Motor 50-70%
(unbekannt)
• Messungen kaum vergleichbar
• Unpräzise Wertaufnahme
• Parameter nicht vollständig
bekannt

24. Typische Getriebevarianten und Zentrifugalgetriebe im Vergleich

Harmonic Drive:
– Übersetzungsverhältnis
– Wirkungsgrad:
Planetengetriebe
– Übersetzungsverhältnis
– Wirkungsgrad
30:1 .. 300:1
85%
Sehr hohe Übersetzungen
möglich (i = 30000 realisiert)
bei moderaten Übersetzungen
(i = 30) ca. 95%
Einstufiges Zahnradgetriebe
– Übersetzungsverhältnis
– Wirkungsgrad
<10 (gebräuchlicher Bereich)
95-98%
Zentrifugalgetriebe (etorque)
– Übersetzungsverhältnis
– Wirkungsgrad
> 100 stark lastabhängig und variabel
95-98%

25.

Max Rückdrehwinkel abhängig von Frequenz und Lastmoment
Reibung im Freilauf bedingt Hysterese
Drehung der Trägerplatte bei positivem Arbeitshub muss die maximale Rückdrehung bei
entsprechender Last übersteigen (ansonsten keine Drehung der Abtriebswelle)
Grenzfrequenz abhängig von Last und Freilauf
Beispielhafte Kennlinie für einen Klemmrollenfreilauf
Schwellende Last mit 5Hz
Max. Lastmoment 750 Nm

26.

Fazit
• Das System ist grundsätzlich funktionsfähig und als Getriebe nutzbar
• Das Getriebe hat eine hohe Übersetzung und einen sehr guten Wirkungsgrad im Vergleich zu
anderen Getrieben
• Starke Abhängigkeit des Wirkungsgrades vom Freilauf
Genauere Aussagen erfordern experimentelle Untersuchungen, bzw. eine genauere
Kenntnis des Freilaufs
Rein mechanische Freiläufe sind wegen ihrer (Reibungs-) Verluste eher schlecht geeignet
Insbesondere ist zu klären, ob die Anzahl der zulässigen Lastwechsel gängiger Freiläufe
ausreicht
• Der Wirkungsgrad ist darüber hinaus stark von der Last- und der Eingangsdrehzahl abhängig
• Wirkungsgradverluste durch Reibung und Dämpfung können nicht beurteilt werden. Hierzu sind
experimentelle Untersuchungen erforderlich.
• Das Ansprechverhalten ist in der Simulation überraschend gut. Die Dynamik wird durch die
Dynamik des Antriebsmotor und die Trägheit der Unwuchtscheiben maßgeblich bestimmt
• Empfehlung für weiteres Vorgehen
• Aufbau eines optimierten Modells und Einsatz präziser Meßmethoden, insbesondere zur
Bestimmung der Reibung
• Überprüfung der Steuer- bzw. Regelbarkeit (z.B. Einstellen einer Sollabtriebsdrehzahl bei
schwankender Last)
• Auswahl einiger weniger Anwendungen und dort Benchmark mit vorhandenen Technologien

27.

Empfehlung für weiteres Vorgehen
• Aufbau eines optimierten Modells und Einsatz präziser Messmethoden, insbesondere zur
Bestimmung der Reibung
• Abgleich mit den vorhandenen Simulationsmodellen
• Überprüfung der Steuer- bzw. Regelbarkeit (z.B. Einstellen einer Sollabtriebsdrehzahl bei
schwankender Last)
• Auswahl einiger weniger Anwendungen und dort Benchmark mit vorhandenen Technologien

28. Material aus Patenten und Vorarbeiten

29.

The invention relates to inertial systems for the accumulation and conversion of energy,
and can be used as a power unit to drive various machines and vehicles.
According to the disclosed method, a source of mechanical oscillations is used to
generate an alternating rotational torque which is applied to the working train made
capable of unidirectional rotational motion.
An inertial vibrator disposed axially on the working train is used as the oscillation source.
The power unit putting the method into practice comprises an electrical generator, a
control device and a power drive, including a base on which a first assembly is disposed,
with the capability of unidirectional rotation and including a driving train for the transmission of operating torque and a motor with the capability of free rotation of at least one
member with unbalanced mass on a shaft disposed on the first assembly axially relative
to the rotation of the driving train, in so doing the kinematic linkage between it and the
final driven train contains a second assembly having the capability to transmit the
operating torque.
The invention makes it possible to eliminate the negative feedback effect of the
mechanical load on the motor.

30.

• The power unit includes a base 1 carrying a
fixed shaft 2 with a first freewheeling clutch 3
mounted thereon.
• The inner ring of the clutch 3 is fixed and its
outer ring is able to rotate freely only in the
direction Q (see FIG. 3 and FIG. 4).
• On the outer ring of the clutch 3 are attached a
gearwheel 4 and a platform 5.
• The following are carried on the platform 5:
shafts 11 and 12 whereon are mounted
pinions 9 and 10 capable of free rotation and
including unbalanced masses 13 and 14;
electric motor 6 on the shaft 7 of which is
attached driving pinion 8 disposed in meshing
engagement with the driven pinions 9 and 10.
• The current collector 15 is designed to deliver
a power supply to the electric motor 6. The
pinion 16 and gearwheel 17 are mounted on a
common shaft 18 with the ability to rotate.
• The gearwheels and pinions 4, 16, 17 and 19
form a two-stage multiplying gear designed to
increase the rotational speed of the shaft 22
connected to the rotor of the electric generator
21.
• The shaft 22 is connected to the pinion 19 via
a second freewheeling clutch 20.
• The latter transmits operating torque to the
shaft 22 as the rotational speed of the pinion
19 increases, and breaks the kinematic chain
when the rotational speed of the pinion 19
decreases, in accordance with the graph
shown in FIG. 5.

31.

1.
Base
2.
Fixed Shaft
3.
First Freewheel Clutch
4.
Gear Wheel
5.
Platform
6.
Electric Motor
7.
Electric Motor Shaft
8.
Driving Pinion
9.
Driving Pinions
10. Driving Pinions
11. Axis of Rotation
12. Axis of Rotation
13. Unbalanced Mass
14. Unbalanced Mass
15. Current Collector
16. Pinion
17. Gear Wheel
18. Shaft
19. Pinion
20. Second Freewheel Clutch
21. Electrical Generator
22. Electrical Generator Rotor
23. Foundation

32.

33.

Fixed Shaft
Base

34.

35.

36.

37.

38.

39.

X, Y
Ω
ω
r
R
F
Fy
Coordiante Axes
Angular Speed of Rotation of Platform 5 and Driving Gear Wheel 4
Angular Speed of Rotation of the Mass 14
Radius of Rotation of Mass 14
Radius of Translational Rotation of Axis 12
Centrifugal Force
Projection of Centrifugal Force F on the X Axis

English Русский Правила