Entwicklung eines neuen, innovativen Antriebskonzeptes für Teleskopausleger

Abstract

Im Zuge der aktuell voranschreitenden Elektrifizierung soll nun auch das Auslegersystem von Ladekranen neu gedacht werden. Dabei sind die konventionell hydraulisch betriebenen Teleskopausleger so zu adaptieren, dass sie rein elektrisch angetrieben werden können, um damit den geänderten Anforderungen des Marktes zu entsprechen. Durch diese grundlegende Neukonzeptionierung verspricht man sich ein sehr kompaktes, energieeffizientes System, welches speziell für die (teilweise) Automatisierung/Regelung geeignet ist. So soll darauf Wert gelegt werden, dass die Auslegerposition mittels des neuen Antriebskonzeptes zu jedem Zeitpunkt möglichst exakt ohne weitere Messsensorik bestimmt werden kann. Aufgrund der speziellen Anforderungen an das System wurde das „Harmonic-Drive“ Getriebe als Entwicklungsgrundlage gewählt. Somit soll bei der zu entwickelnden Lösung speziell der Fokus auf innovative Ansätze gerichtet werden. Diese Ausgangsposition der Entwicklung wurde in Kooperation mit den Firmen Gear Systems GmbH und Palfinger AG definiert, welche bereits einen guten Überblick über das Potential konventioneller Elektrifizierungsansätze besitzen. Daher stellen sie die optimalen Ansprechpartner zu Innovationsmöglichkeiten in dieser Branche dar. Im Rahmen der Arbeit wurde die Problemstellung in zwei große Bereiche aufgeteilt: Der erste Teil beschäftigt sich mit verschiedenen Getriebekonzepten, um möglichst kompakt eine Vorschubbewegung des Teleskopauslegers zu ermöglichen. Dabei werden, ausgehend vom „Harmonic-Drive“ Getriebe, sieben verschiedene Lösungsansätze aufgezeigt, welche auf Basis einer wellenförmigen Bewegung einen translatorischen Vorschub erzeugen können. Der zweite Teil behandelt diverse Antriebskonzepte, welche rein elektrisch die geforderten Antriebsparameter liefern können. Abschließend werden Kombinationsmöglichkeiten von Antriebs- und Getriebekonzepten gegenübergestellt, um die vielversprechendste Lösungsvariante zu identifizieren. Im Zuge der Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein translatorischer Vorschub durch Eingriffselemente in Wellenbewegung realisiert werden kann. Auch war es möglich, die Verwertbarkeit des entwickelten Antriebssystems nachzuweisen. Dafür wurde eine erste Dimensionierung durchgeführt. Die Lösungskonzepte mussten dabei den hohen Anforderungen des Anwendungsgebietes entsprechen. So konnte letztendlich das Konzept mit dem höchsten Potential identifiziert werden. In dieser Lösungsvariante presst eine „Dreifach“-Nocke separate Bolzen in einer lückenlosen Dreieck-Wellenform auf eine Zahnstange, um einen Vorschub zu generieren.

In the course of the currently ongoing electrification, the boom system of loading cranes has to be rethought. The conventional hydraulic telescopic booms must be adapted so that they can be operated purely electrically to meet the market's changing requirements. This fundamental redesign promises a very compact, energy-efficient system, which is especially suitable for (partial) automation/control. Therefore, increased emphasis should put on the fact that the position of the boom is known at any time. Using the new drive concept, this should be done without further measuring sensors. Due to the special requirements to the system, the “Harmonic-Drive” transmission was selected as the basis of the development. Therefore, the solution that has to be developed focuses on innovative approaches. The starting point of the development was defined in cooperation with the companies Gear Systems GmbH and Palfinger AG, which already have a good overview of the potential of conventional electrification approaches. They are therefore the ideal partners for innovation in this industrial sector. In course of this thesis, the problem was divided into two main parts. The first part investigates different transmission concepts with the goal to find a compact system to drive the telescopic boom. In this process seven different solutions, based on the “Harmonic-Drive” transmission have been analysed. All of them generate a translatory motion from a wavy input movement. The second part deals with various electric drive concepts, which meet the required parameters of the system. At the end, possible combinations of drive and transmission concepts are compared to identify the most promising solution. In the course of this paper, it could be shown that a translatory movement can be created by elements in a wave motion. Furthermore, the applicability of the drive concept could be proven. Therefore, the most promising concepts had to meet the high requirements of the application field. In the end, the concept with the highest potential for applicability could be identified. The resulting mechanism consists of “triple” nocks pressing separate bolts in a gapless triangular waveform on a corresponding rack. In course of that a forward motion is generated.