Das Ziel dieser Projektarbeit ist es, mittels eines Prüfstandes die Simulation des hydraulischen Systems eines Modellbaubaggers zu ermöglichen. Dazu wird auf Basis von Komponenten und in Zusammenarbeit mit der Firma Modellbau ein Prüfstand entwickelt und gebaut, welcher den funktionalen Aufbau eines Modellbaubaggers wiedergibt. Der Prüfstand soll die Möglichkeit bieten, veränderlich zu sein, um unterschiedliche Systeme eines Modellbaubaggers nachstellen zu können. Um die Simulation eines Modellbaubaggers zu ermöglichen, müssen elektrisch-hydraulische Komponenten (Pumpe, Ventile) ansteuerbar und regelbar sein. Weiterhin sollen mittels des Prüfstandes Messungen durchgeführt und die Messdaten erfasst werden können. Dazu sind geeignete Messsysteme am Prüfstand unterzubringen.
Um die Funktionalität des Prüfstandes zu verifizieren, wird eine abschließende Versuchsreihe durchgeführt.
In dieser Projektarbeit ist mit den folgenden Software-Produkten gearbeitet worden: Mit Matlab/Simulink sind sowohl die Ansteuerung der Beckhoff-Klemmen als auch für die Programmierung des Arduino MEGA 2560 durchgeführt worden. Mit dem Programm Testmanager ist das in Matlab/Simulink erzeugte Programm für das User Frontend kontrolliert und ist zur Aufnahme der Messdaten verwendet worden. Mittels dem 3D-CAD Programm Solidworks sind komplexere Einzelteile modelliert und als 2D-Zeichnung ausgeleitet worden, damit diese gefertigt werden können. Die Einzelteilzeichnungen sind im Anhang B: Einzelteilzeichnungen zu finden. Alle dargestellten Maße sind, sollten keine Einheiten angegeben sein, in Millimeter [mm] angegeben. Einfache Bauteile sind lediglich als Handskizzen erstellt und der Werkstatt übergeben worden. Alle hydraulischen Schaltpläne sind mit dem Scheme Editor 6 der Firma Bosch Rexroth erstellt worden. Der elektrische Schaltplan ist mit der kostenlosen Software TinyCAD erstellt worden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Zielsetzung
1.1. Vom Modellbaubagger zum Prüfstand
2. Planungsphase
2.1. Aufgaben der Projektarbeit
2.2. Prüfstand zu Beginn der Projektarbeit
3. Vom Modellbaubagger zum Prüfstand (Entwurfsphase)
4. Aufbau des Prüfstandes (Konstruktionsphase)
4.1. Das hydraulische System
4.1.1. Simulation der mechanischen Belastung
4.2. Das elektronische System
4.2.1. Servopumpe
4.2.2. Servoventile
4.2.3. Ansteuerung der Pumpe und Ventile
4.2.4. Einrichtung des Messsystems
4.2.5. Einrichtung der Testumgebung
5. Modellierung (Phase Inbetriebnahme)
6. Nachweis der Funktionstüchtigkeit (Phase Abschluss)
6.1. Versuchsvorbereitung
6.2. Versuchsdurchführung
6.3. Auswertung der Messergebnisse und Beobachtungen
7. Zusammenfassung und Ausblick
8. Literatur
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung und dem Aufbau eines Prüfstandes, um die Simulation des hydraulischen Systems eines Modellbaubaggers zu ermöglichen. Hierbei soll ein funktionaler Aufbau realisiert werden, der durch eine steuerbare Elektronik und geeignete Sensorik die Erfassung von Messdaten erlaubt, um Abläufe eines realen Baggers präzise nachzustellen.
- Konstruktion eines modularen Prüfstandsaufbaus mittels Profilsystemen
- Implementierung hydraulischer Komponenten und Simulation mechanischer Lasten
- Entwicklung eines elektronischen Steuerungssystems auf Basis von Arduino und Matlab/Simulink
- Einrichtung eines Messdatenerfassungssystems für Druck- und Wegmessungen
- Verifizierung der Systemfunktionalität durch systematische Versuchsreihen
Auszug aus dem Buch
4.1.1. Simulation der mechanischen Belastung
Um eine realitätsnahe Simulation eines Modellbaubaggers zu ermöglichen, muss die Möglichkeit geschaffen werden, die Hydraulikzylinder des Prüfstandes mechanisch zu belasten. Damit jeder einzelne Zylinder nicht einer ungleichen Abnutzung unterliegt, werden die Hydraulikzylinder vertikal ausgerichtet. Eine horizontale Ausführung kann eine ungleiche Lastverteilung bedeuten und zu einem schnelleren Verschleiß der Zylinder führen. Zudem bedeutet die vertikale Ausführung, dass die Zylinder direkt von den Gewichten belastet werden und diese nicht lediglich verschieben.
Um die Zylinder mit Gewichten beaufschlagen zu können, werden die standardmäßigen Verbindungsstücke, wie sie am Modellbaubagger zu finden sind (siehe Abbildung 12) gegen Gewindestangen ausgetauscht. Damit die Hydraulikzylinder, welche den gesamten Baggerarm mit Schaufel anheben, parallel laufen, werden diese ebenfalls mechanisch miteinander verbunden (siehe Abbildung 13).
Die Gewindestange dienen dazu, Gewichte aufeinander stapeln zu können und somit die Hydraulikzylinder belasten zu können.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Zielsetzung: Definition des Projektrahmens und Vorstellung des Ziels, einen Prüfstand zur Simulation hydraulischer Baggersysteme zu errichten.
2. Planungsphase: Festlegung der Aufgabenbereiche, Erstellung eines Meilensteinplans und Analyse des Ausgangszustands der vorhandenen Hardware.
3. Vom Modellbaubagger zum Prüfstand (Entwurfsphase): Erstellung des hydraulischen Schaltplans und Planung der Komponenten für den Modellmaßstab.
4. Aufbau des Prüfstandes (Konstruktionsphase): Detaillierte Beschreibung der mechanischen, hydraulischen und elektronischen Montage sowie der Programmierung und Testumgebung.
5. Modellierung (Phase Inbetriebnahme): Theoretische Betrachtung der Druckverluste im System zur Bewertung der Notwendigkeit einer Druckreduktion.
6. Nachweis der Funktionstüchtigkeit (Phase Abschluss): Durchführung und Auswertung von Versuchsreihen zur Verifizierung der Systemfunktionalität und Sensorik.
7. Zusammenfassung und Ausblick: Kritische Reflexion der erreichten Projektziele und Empfehlungen für zukünftige Optimierungen.
8. Literatur: Auflistung der verwendeten technischen Datenblätter, Web-Quellen und Software-Dokumentationen.
Schlüsselwörter
Projektarbeit, Modellbaubagger, Simulation, Hydraulik, Mechanik, Elektronik, Prüfstand, Matlab, Simulink, Arduino, Messdatenerfassung, Servopumpe, Servoventile, Wegaufnehmer, Drucksensoren
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Projektarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Prüfstandes im Modellbaumaßstab, um das hydraulische Verhalten eines echten Baggers unter kontrollierten Bedingungen zu simulieren.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Felder sind die Hydraulik (Pumpen, Ventile, Zylinder), die Mechanik (Lastsimulation) sowie die Elektronik (Steuerung, Sensorik und Messdatenverarbeitung).
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, einen funktionstüchtigen Prüfstand zu schaffen, der veränderlich ist, um verschiedene Szenarien eines Modellbaubaggers nachzustellen und dabei präzise Messdaten zu erfassen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird ein konstruktiver Ansatz verfolgt: Von der Anforderungsanalyse und Entwurfsplanung über die praktische Konstruktion bis hin zur Inbetriebnahme und experimentellen Verifizierung durch Versuchsreihen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil widmet sich dem mechanischen Aufbau, der Integration der hydraulischen Komponenten, der elektrischen Verschaltung (Interface) und der Programmierung der Steuerung sowie der Testumgebung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich maßgeblich durch die Begriffe Modellbaubagger, Hydrauliksimulation, Teststand-Konstruktion, Sensorik, Matlab/Simulink und Arduino charakterisieren.
Warum wurde eine vertikale Ausrichtung der Zylinder gewählt?
Die vertikale Anordnung dient dazu, ungleichmäßige Lastverteilungen und den daraus resultierenden vorzeitigen Verschleiß der Zylinder zu vermeiden, indem die Last direkt auf das System wirkt.
Welches Verhalten wurde bei der Pumpe während der Versuche beobachtet?
Es wurde ein sporadisches, willkürliches Anhalten der Pumpe bei maximaler Signalansteuerung festgestellt, was zu Druckschwankungen und beeinflussten Messergebnissen führte.
Wie werden die Wegaufnehmer am Prüfstand angebunden?
Die Wegaufnehmer, die auf potentiometrischer Basis arbeiten, werden mechanisch mit den Zylindern gekoppelt und über Analogeingangsklemmen zur Messdatenerfassung integriert.
- Arbeit zitieren
- Malte Kanngießer (Autor:in), 2017, Entwicklung und Konstruktion eines Prüfstands im Modellbaumaßstab, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/452034
