Konzeption und Auslegung eines 1000Nm Stellantriebs

Abstract

Elektrische Stellantriebe sind in zahlreichen industriellen Anwendungen unverzichtbar, da sie eine präzise und zuverlässige Steuerung von Ventilen, Klappen, Schiebern und anderen Aktuatoren ermöglichen. Ihre Verwendung erstreckt sich über verschiedene Branchen, darunter die Chemie-, Öl- und Gasindustrie, in denen sie oft in Umgebungen mit explosionsgefährdeten Atmosphären eingesetzt werden. Explosionsgefährdete Bereiche erfordern spezielle Sicherheitsvorkehrungen, um das Risiko von Bränden und Explosionen zu minimieren. In solchen Umgebungen müssen alle eingesetzten Komponenten den strengen Anforderungen entsprechen und spezielle Zertifizierungen erfüllen. Elektrische Stellantriebe, die in solchen Umgebungen eingesetzt werden, müssen daher gemäß den geltenden Normen und Richtlinien entwickelt und hergestellt werden, um eine sichere und zuverlässige Leistung zu gewährleisten. Die Auslegung eines elektrischen Stellantriebs umfasst verschiedene wichtige Aspekte, darunter die Gestaltung des Antriebsstrangs. Dazu gehören typischerweise eine Stirnradverzahnung, eine Schneckenverzahnung und eine Planetenstufe. Jede dieser Verzahnungen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile und wird je nach den Anforderungen der Anwendung ausgelegt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein elektrischer Stellantrieb mit einem maximalen Abtriebsdrehmoment von 1000 Nm entworfen. Die konstruktive Gestaltung der Übersetzungen des Stirnradpaars, der Globoid-Schneckenstufe und der Planetenstufe wurde dahingehend konzipiert, dass sie sowohl im Betrieb mit einem Asynchronmotor als auch mit einem Bürstenlosen Motor die geforderten Abtriebsdrehzahlen und Abtriebsmomente sicherstellen können. Zusätzlich zur Auslegung des Antriebsstrangs ist die Festigkeit des Gehäuses eines elektrischen Stellantriebs von entscheidender Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die Anforderungen während des Zertifizierungsprozesses, bei dem ein interner Druck aufgebracht wird. Eine Finite-Elemente-Analyse ist eine gängige Methode zur Überprüfung der Festigkeit und Strukturfestigkeit eines Gehäuses unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Mithilfe der Finite-Elemente-Analyse können durch die Simulation von Druckbelastungen potenzielle Schwachstellen erkannt und das Design entsprechend optimiert werden. Auf diese Weise lassen sich erhebliche finanzielle, materielle und zeitliche Ressourcen einsparen, während gleichzeitig die Ziele der Typprüfung für die Zertifizierung effizient erreicht werden können.

Electric actuators are indispensable in numerous industrial applications, enabling precise and reliable control of valves, dampers, sliders, and other actuators. Their utility spans across various sectors, including the chemical, oil, and gas industries, where they are often deployed in environments with potentially explosive atmospheres.Explosive environments necessitate special safety measures to minimize the risk of fires and explosions. In such settings, all components used must adhere to stringent requirements and fulfill specific certifications. Therefore, electric actuators intended for use in such environments must be developed and manufactured in accordance with applicable standards and guidelines to ensure safe and reliable performance.The design of an electric actuator encompasses various critical aspects, including the configuration of the drive train. This typically involves components such as spur gears, worm gears, and planetary gears. Each of these gearing systems has its own advantages and disadvantages, and their selection depends on the requirements of the application.Within thesis, an electric actuator with a maximum output torque of 1000 Nm was designed. The design of the gearings, including spur gears, worm gears, and planetary gears, was conceived to ensure compatibility with both asynchronous and brushless motors, which can handle the required output speeds and torques during operation.In addition to the drive train design, the structural capacity of the housing of an electric actuator is crucial, especially concerning the requirements during the certification process, where internal pressure is applied. The Finite Element analysis is a common method for assessing the strength and structural capacity of a housing under various loading conditions. By simulating internal pressure, potential weaknesses can be identified, and the design can be optimized accordingly. This approach not only saves significant financial, material, and time resources but also efficiently achieves the goals of type testing for certification.