erstellt von

Prof. Dr.-Ing. Dieter SchrammSpessartstrasse 570469 Stuttgart

und

Dr.-Ing. Benjamin HesseUedemerfelder Weg 19

47589 UedemUedem

Kurzgutachten Zentrifugalmotor für die Fa. Etorque GmbH

04.07.2012

Analyse der Funktion und Begutachtung eines „Zentrifugalmotors“

1.Beispielhafte Modellierung des Antriebsprinzips und Funktionsnachweis unter verschiedenen relevanten Bedingungens. Anlage 1 (Matlab) und Anlage 2 (Maple)

a. Aufstellung der Bewegungsgleichungen des Gesamtsystemss. 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

Verwendete Konfiguration IHochschule Eisenstadt

Verwendete Konfiguration I

Verwendete Konfiguration IIIHochschule Eisenstadt

eR

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

x

y

Trägerplatte (Abtrieb)

Motor (Antrieb)

Modellierung II

Bewegungsgleichungen von Trägerplatte und Unwuchten

Grundlegende Gleichungen

Sperrmoment des Freilaufs in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit

Bewegungsgleichung der Trägerplatte (Abtrieb) bei konstanter Drehzahl des Elektromotors

Erforderliches Antriebsmoment des Elektromotors

Verwendete Gleichungen

Trägheitseffekte

Lastmoment

Sperrmoment

Unwuchtkraft

ReibungseffekteTrägheitseffekte

Massenmittelpunkt

Drehachse

Exzenterscheibe

Beispiel für einen SimulationslaufParameter wie Prototyp mit verdoppelter Unwuchtmasse

Anlaufsituation„Eingeschwungener“ Zustand

Simulationslauf Beispiel – Detailansicht Drehwinkel

Rückdrehung Freilauf

„Vorschub bei einem Hub“

Simulationslauf Beispiel – Detailansicht Drehgeschwindigkeit

Drehgeschwindigkeit 1/min

Simulationslauf Beispiel – Detailansicht Sperrmoment

Sperrmoment Freilauf (Nm)

Übertragungsverhalten – Variation der Antriebsdrehzahl

• Drehzahl der Trägerplatte oberhalb einer Mindestdrehzahl proportional zur Antriebsdrehzahl

• Unterhalb einer Mindestdrehzahl kein Betrieb möglich

Übertragungsverhalten – Variation des Lastmoments

• Drehzahl der Trägerplatte nimmt mit zunehmender Last degressiv ab• Wirkungsgrad nimmt mit zunehmender Last progressiv ab

Übertragungsverhalten

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

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

Dynamische Sperrmomente im Freilauf

• Hohe dynamische Belastung des Freilaufs

• Belastung proportional zur Eingangsdrehzahl zunehmend

Unterschiedliche Radien der Trägerplatte

• Größere Radien führen zur deutlichen Verbesserung der Performance

• Aber: deutlich erhöhter Platzbedarf

Wechselnde Last

• Lastwechsel

Rückdrehwinkel des Freilaufs

Aufgenommene Energie

Abgegebene EnergieDrehwinkel Trägerplatte (Abtrieb)

• Wirkungsgrad teilweise > 96%• Wirkungsgrad E-Motor 50-70%

(unbekannt)• Messungen kaum vergleichbar

• Unpräzise Wertaufnahme• Parameter nicht vollständig

bekannt

• Abweichungen von Messung und Simulation

• Unerklärbare Schwankungen in Messung

• Min. Antriebsdrehzahl verschieden evtl. anderer Aufbau als angenommen

Typische Getriebevarianten und Zentrifugalgetriebe im Vergleich

• Harmonic Drive:– Übersetzungsverhältnis 30:1 .. 300:1– Wirkungsgrad: 85%

• Planetengetriebe– Übersetzungsverhältnis Sehr hohe Übersetzungen

möglich (i = 30000 realisiert)– Wirkungsgrad bei moderaten Übersetzungen

(i = 30) ca. 95%

• Einstufiges Zahnradgetriebe– Übersetzungsverhältnis <10 (gebräuchlicher Bereich)– Wirkungsgrad 95-98%

• Zentrifugalgetriebe (etorque)– Übersetzungsverhältnis > 100 stark lastabhängig und variabel – Wirkungsgrad 95-98%

• 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

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

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

Material aus

Patenten und Vorarbeiten

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 dis closed 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 unidirec tional rotation and including a driving train for the transmis sion 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 assem bly 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.

• 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.

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

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

Base

Fixed Shaft

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

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

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

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

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