LESS – Lebensdauererhöhung bei Schwungradspeichersystemen

Schwungradspeicher können Hybridfahrzeuge zu wesentlichen Kraftstoffeinsparungen verhelfen. Die Lebensdaueranforderung ist mit Wälzlagern nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht mit technisch und wirtschaftlich vertretbarem Aufband realisierbar. Um diese trotzdem zu erreichen, sollen Maßnahmen zur Belastungsreduzierung untersucht werden. Hierfür wird eine Lagerabstützung mit Piezoaktoren simulationstechnisch untersucht und deren Funktion und Tauglichkeit am Prüfstand verifiziert.

Kurzbeschreibung

Schwungradspeicher können sowohl bei Nutzfahrzeugen als auch in Personenkraftwagen mit hybriden Antrieben zur Bremsenergierückgewinnung oder Lastpunktverschiebung eingesetzt werden und erlauben im urbanen Fahrzyklus eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 20 Prozent. Diese kinetischen Energiespeicher weisen einige spezifische Vorteile im Vergleich zu den konkurrierenden Speichertechnologien Batterie und Supercap auf. Schwungradspeicher bieten kurze Ladezeiten, einen exakt quantifizierbaren Energieinhalt, hohe Zyklenfestigkeit ohne Kapazitätseinbußen und enthalten keine umweltschädlichen bzw. beschränkt verfügbaren Rohstoffe.

Die Ergebnisse aktueller Forschungsprojekte im Bereich der Schwungradsysteme und die Beobachtung des Markts haben gezeigt, dass die Lagerung der Schwungmasse weiterhin ein wesentliches Problem darstellt. Speziell die lange Lebensdaueranforderung von einigen tausend Stunden im PKW bis hin zu über 40.000 Stunden pro Hauptuntersuchungsintervall bei Schienenfahrzeugen (7 Jahre) ist mit Wälzlagern nach dem derzeitigen Stand der Technik mit technisch und finanziell vertretbarem Aufwand nicht realisierbar. Magnetlager bieten zwar die geforderte Lebensdauer, aber der benötigte Bauraum, das resultierende Gewicht, wie auch die Kosten wären um ein vielfaches höher als bei einem Wälzlager. Aus diesen Gründen finden Magnetlager vor allem bei großen stationären Flywheels ihre Anwendung, für mobile Anwendungen wäre eine mechanische Lagerung mittels Wälzlager wünschenswert.

Um die gewünschte Lebensdauer zu erreichen, müsste man speziell die Krafteinwirkungen auf das Lager reduzieren. Da es mit vertretbarem konstruktivem und finanziellem Aufwand nicht möglich ist, die verursachende Unwucht („Wuchtgüte“) weiter zu reduzieren, soll in diesem Projekt untersucht werden, ob es möglich ist, zumindest die Auswirkungen der Unwucht bzw. der wirkenden Kreiselreaktionskräfte so weit zu reduzieren, dass das Wälzlager die benötigte Lebensdauer erreicht. Dies soll durch eine Entkopplung des Lagers vom Gehäuse durch eine aktive bzw. passive Lagerabstützung („weiche“ Ankopplung des Lageraußenrings an das Maschinengehäuse) erreicht werden. Der für die aktive Entkoppelung verwendete Piezoaktor erlaubt es, gezielt in das System einzugreifen, um so den unwuchtinduzierten Kräften entsprechend entgegenzuwirken.

Ein wesentliches Projektergebnis ist eine Simulationsumgebung, die das Schwungradsystem inklusive der Lagerabstützung nachbildet und so den theoretischen Nachweis über die gewünschte Funktion der Lagerabstützung ermöglicht. Zusätzlich liefert diese Simulation Aussagen über die Robustheit der verwendeten Regelalgorithmen (z.B. gegenüber einer Änderung der Unwucht im Laufe der Zeit), die Position und Anzahl der benötigten Sensoren zur Überwachung des Rotors sowie der Möglichkeit, die gewünschte Lagerabstützung auch durch eine passive Variante zu erfüllen. Ein weiteres Ergebnis ist ein Lagerabstützungs-Prüfstand, an dem die theoretischen Erkenntnisse verifiziert werden können.

Abbildung 1: Prüfstand zur Untersuchung der dynamischen Lagerlasten eines Schwungradspeichers
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Publikationen

  1. P. Haidl, M. Zisser, A. Buchroithner, B. Schweighofer, H. Wegleiter und M. Bader, “Improved test rig for vibration control of a rotor bearing system”, 23rd International Congress on Sound & Vibration (ICSV23), Athen, Griechenland, Juli 2016.
  2. H. Lang, A. Buchroithner und M. Bader, „A holistic approach for technical product optimization“, ICDPD 2016 - 18th International Conference on Design and Product Development, Paris, France, January 2016
  3. P. Haidl, M. Zisser, B. Schweighofer, H. Wegleiter und M. Bader, “Test Rig for Active Vibration Control with Piezo-Actuators” 22rd International Congress on Sound & Vibration (ICSV22), Florenz, Italien, Juli 2015.
Ansprechpartner
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Hannes Wegleiter
Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Tel.
+43 (316) 873 - 30512
Fax
+43 (316) 873 - 1030512
Sprechstunden
nach Vereinbarung
Steckbrief
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Projekttyp: Förderprojekt

Programm: FFG - Mobilität der Zukunft, 3. Ausschreibung

Laufzeit: 2 Jahre

Status: Abgeschlossen

Arbeitsgruppe: Energy Aware Systems

Partner
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  • Institut für Maschinenelemente und Entwicklungsmethodik (TU Graz)