Fluidtechnik & CAD-Entwicklung

Themen aus dem Arbeitsbereich Konstruktionstechnik 1

Vor wenigen Tagen hatte der AB Konstruktionstechnik 1 einen wichtigen Termin: der Industriearbeitskreis des BMWi/AiF-geförderten und von der Deutschen Gesellschaft für Mineralöl und Kohle e. V. (DGMK) koordinierten Forschungsprojekts „Mechanische Prüfung von Hydraulikflüssigkeiten” tagte in der TUHH, um den Startschuß für den zweiten Teil des Projekts zu geben und die Inbetriebnahme des Verschleißprüfstands zu beobachten. Der Prüfstand ist das Ergebnis des ersten Projektabschnitts, er wurde im Arbeitsbereich konzipiert und in seinen mechanischen, elektrischen, elektronischen und informationstechnischen Komponenten ausgelegt, um dann in den Werkstätten der TU gefertigt und im Arbeitsbereich zusammengebaut zu werden. Das engagierte Zusammenwirken aller am Bau beteiligten Bereiche war Anlaß zu einer kleinen Einweihungsparty, an der auch Mitglieder des Arbeitskreises teilnahmen.

Zum Projekt: es wurde vor drei Jahren begonnen und wird bis Ende 2000 abgeschlossen sein. Das Projekt hat zum Ziel, ein Testverfahren zu entwickeln und die Testmaschine zu konstruieren, die erforderlich sind, um die Schmierfähigkeit der unterschiedlichen Typen von Hydraulikflüssigkeiten zu untersuchen und Flüssigkeiten für die Anwendung zu qualifizieren. Das neue Verfahren soll existierende Prüfverfahren ersetzen bzw. ergänzen, bei erfolgreichem Abschluß des grundlagenorientierten Projekts ist mit der Normung des Verfahrens zu rechnen. Der Kern des Verfahrens wurde zum Patent angemeldet, der erteilte Prüfungsbescheid war positiv. Für die Projektbearbeitung wurden bisher Drittmittel in Höhe von DM 800.000,-- eingeworben, davon DM 580.000,-- Personalmittel für Wissenschaftler, Techniker und studentische Hilfskräfte und DM 220.000,-- für Sachmittel (Testeinrichtung).

Axialkolbenpumpe mit Keramikbauteilen

Keramik in der Fluidtechnik
Ein zweites Forschungsprojekt mit großer Breitenwirkung hat zum Ziel, den Werkstoff Keramik im Maschinenbau der Fluidtechnik einzuführen. In einem ersten Vorhaben wurde die Funktionsgruppe Lagerplatte-Ventilplatte einer Axialkolbenmaschine in verschiedenen keramischen Werkstoffen ausgeführt (s. Bild), darunter das vom Arbeitsbereich Technische Keramik entwickelte reaktionsgebundene Aluminiumoxid (RBAO). Die erfolgreiche Kooperation von zwei Hochschulinstituten und zwei Industrieunternehmen, dem Keramikhersteller CeramTec und dem Hydraulikhersteller SauerSundstrand, soll nun in einem weiteren Vorhaben mit einer größeren Zahl von Unternehmen der Fluidtechnikbranche und der Keramikbranche fortgesetzt werden. Am Beispiel unterschiedlicher Bauteile sollen durch den Arbeitsbereich Konstruktionstechnik 1 die Vorzüge des Werkstoffs Keramik, insbesondere im Vergleich zu Buntmetallen, gezeigt und Auslegungsverfahren, Testverfahren und Gestaltungsregeln weiterentwickelt werden. Neuartige Werkstoffe und die zugehörigen Prozesse zur Herstellung von Teilen im Industriemaßstab sind das Thema des Arbeitsbereichs Technische Keramik in diesem Vorhaben. Mehrere Gespräche beim BMBF über das geplante Vorhaben und die Absicht der Fachgemeinschaft Fluidtechnik des VDMA, das Projekt massiv mitzufinanzieren, lassen uns davon ausgehen, daß mit der Forschungsarbeit Mitte des Jahres begonnen werden kann. Von dem voraussichtlichen Finanzvolumen von DM 4 Mio. werden dann etwa DM 1,5 Mio. an die TUHH fließen.

Der Arbeitsbereich und seine Einbindung in die Struktur der TUHH
Der Arbeitsbereich Konstruktionstechnik I ist Teil des Forschungsschwerpunkts 5 – Werkstoffe-Konstruktion-Fertigung. Er wurde 1982 als eines der ersten Institute der TUHH eingerichtet und vom derzeitigen Leiter, Prof. Dr.-Ing. D. G. Feldmann, aufgebaut. Der Arbeitsbereich ist in der Lehre des Grundstudiums Maschinenbau mit der Lehrveranstaltung Maschinenelemente und Grundoperationen der Fertigungstechnik (gemeinsame Lehrveranstaltung mehrerer Kollegen) und in der Lehre des Hauptstudiums mit den Lehrveranstaltungen Rechneranwendung in Entwicklung und Konstruktion, Hydrodynamische und hydrostatische Getriebe und Produktplanung und -entwicklung vertreten. Prof. Feldmann und seine Mitarbeiter halten engen Kontakt zu Industrieunternehmen, hieraus ist eine beachtliche Zahl von Kooperationsprojekten erwachsen. Der Pflege und dem Ausbau dieser Kooperationen dient die Mitarbeit im Berliner Kreis, im Hamburger Gesprächskreis Produktion, im Forschungsfond Fluidtechnik des VDMA und, in der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Maschinenelemente und Konstruktionsforschung.

Forschungsschwerpunkte des Arbeitsbereichs
Die Forschungsarbeiten des Arbeitsbereichs sind den Gebieten Rechnereinsatz zur Unterstützung der Projektierungs-, Entwicklungs- und Konstruktionsarbeit und Antriebstechnik mit Schwerpunkt auf fluidischen Systemen zuzuordnen. Sie werden aus Haushaltsmitteln und zu mehr als 50% aus Drittmitteln (AiF, DFG und Firmenmittel) finanziert. Auf dem Forschungsgebiet Rechnerunterstützung wurden und werden auf der einen Seite grundlegende Fragestellungen zu CAD untersucht, zum anderen werden Grundlagen für Werkzeuge zur allgemeinen und zur anwendungsspezifischen Unterstützung der technischen Aufgabenbearbeitung erforscht und solche Werkzeuge prototypisch realisiert. Zur Zeit wird an folgenden Projekten gearbeitet:

– CAD-gerechte Erfassung von technischen Zeichnungen durch
   Erkennung und Auswertung von Bemaßungen,
– Automatische Klassifikation von technischen Zeichnungen durch
   Feature-Erkennung,
– Qualitätsverbesserung in der Produktentwicklung durch Nutzung von
   Erfahrungswissen,
– Bauteilübergreifende Maß-, Form- und Lagetoleranzanalyse,
– Projektierung fluidischer Systeme auf der Basis von Produktmodellen
– Qualitätskennzahlen in der Entwicklung und Konstruktion im
   Flugzeugbau und
– Konstruktionssystem für hydraulische Steuerblöcke.

Die Arbeiten auf dem Forschungsgebiet Antriebstechnik lassen sich der Thematik Zuverlässigkeit, Verschleiß, Lebensdauer und Umweltverträglichkeit zuordnen. Sie konzentrieren sich einmal auf grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung von Hydraulikflüssigkeit und Komponenten des hydrostatischen Systems, zum anderen wird – für die Fluidtechnik neu – die Möglichkeit und das Potential des Einsatzes von Keramik für tribologisch hoch beanspruchte Bauteile untersucht. Energieeinsparung, Reduzierung des Bauaufwands und Optimierung des Betriebsverhaltens ist das Thema eines weiteren Projekts, das sich mit Antrieben kleiner Leistung befaßt. Die Projekte im einzelnen sind:

– Umweltverträgliche Hydraulikflüssigkeiten für Schiffsdeck-Maschinen,
– Untersuchung von biologisch schnell abbaubaren und nicht toxischen
   Flüssigkeiten in hydrostatischen Getrieben,
– Mechanische Prüfung von Hydraulikflüssigkeiten,
– Linearantriebe kleiner Leistung,
– Entwicklung mechanisch hoch beanspruchter Keramikbauteile.

Ausstattung des Arbeitsbereichs
Der Arbeitsbereich betreibt ein CAD-Labor und ein Antriebstechniklabor. Das CAD-Labor ist mit sechs Konstruktionsarbeitsplätzen ausgestattet. Es werden mehrere CAD- Systeme und periphere Werkzeuge eingesetzt: SolidDesigner, ME10, Soli-dEdge, SolidWorks, Marc/ Mentat und Matlab/Simulink. Im Rahmen eines der Forschungsprojekte wird der ACIS-Modellierer von Spatial Technology genutzt. Im Antriebstechniklabor stehen vier universell einsetzbare Prüfstände großer Leistung für Kurzzeit- und Dauerlaufversuche zur Verfügung. Ein Prüfstand für die Untersuchung von Antrieben kleiner Leistung ergänzt die Ausstattung. Zum Laborbereich gehören außerdem weitere Prüfstände für Sonderaufgaben sowie ein Schallmeßraum. Drei der Universalprüfstände werden im folgenden näher beschrieben. Der Schwungradprüfstand wird für Dauerlauftests von hydrostatischen Getrieben zu Lebensdauer-, Verschleiß und Zuverlässigkeitsuntersuchungen eingesetzt, bei denen eine zyklische Belastung mit Drehrichtungswechsel für den Abtrieb (konstante Drehzahl und Drehrichtung am Antrieb) realisiert werden soll. Nachgebildet wird hier die typische Belastungsart für Mobilgetriebe. Die zur Verfügung stehende Leistung beträgt 140 kW. Auf dem Prüfstand wurden Qualifizierungstests für neuartige, u.a. biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten durchgeführt. Auf dem Verspannungsprüfstand werden Dauerlauftests von Getrieben unter im wesentlichen stationären Betriebsbedingungen durchgeführt. Der Prüfstand wird von einem drehzahl- oder drehmomentgeregelten Asynchronmotor (45 kW, 7000 min-1) angetrieben, es kann kontinuierlich eine Prüfleistung von bis zu 200 kW gefahren werden. Der Prüfstand wird zur Zeit zur Untersuchung der Lebensdauer, Zuverlässigkeit und des Verschleißverhaltens hydrostatischer Getriebe verwendet, die mit Bauteilen aus neuartigen Werkstoffen (Keramik) ausgerüstet sind.

Der Schallmeßraum zur Untersuchung der Schallemission von Aggregaten, insbesondere von Antriebskomponenten, hat folgende technische Daten:

– Meßraum 6m x 4m x 3m (Länge x Breite x Höhe)= 72 m3 Volumen
   für Schalldruckpegel- und Schalleistungsmessungen nach DIN 45635,
   Genauigkeitsklasse 2.

Technologietransfer in und Kooperationsangebote an die Industrie
– Begleitung von CAD-Teams in Unternehmen bei der Auswahl und
   Einführung von CAD.
– Durchführung von Workshops zu den Themen DV-Integration,
   3D-CAD und Zeichnungsverwaltung.
– Unterstützung von Unternehmen bei der Lösung antriebstechnischer
   Problemstellungen durch allgemeine Information und Lösung
   konkreter Aufgabenstellungen.
– Durchführung von Prüfläufen zur Untersuchung von
   Hydraulikflüssigkeiten oder Komponenten der Hydraulik.
– Unterstützung von Unternehmen bei der Modernisierung der
   Konstruktion und Entwicklung, insbesondere Systematisierung
   der Arbeit, Auf- bzw. Ausbau der Versuchstechnik, Weiterentwicklung
   der bestehenden Produkte und Ausweitung des Produktspektrums.
– Durchführung von FEM-Analysen mit dem Ziel der Bauteiloptimierung. – Durchführung von Schallmessungen nach DIN 46535.

Prof. Dr.-Ing. D. G. Feldmann
Arbeitsbereich Konstruktionstechnik I
Denickestr. 17, 21 071 Hamburg
Tel.: (040) 42878 - 3031
www.tuhh.de/kt1