Entwicklung und Charakterisierung von Gasfederkonzepten für einen Freikolbenlineargenerator und Entwurf der Steuerungsstruktur eines Gasfederprüfstandes

Kurzfassung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung und Charakterisierung eines Gasfederkonzeptes für einen Freikolbenlineargenerator (FKLG). Zusätzlich sollte die Prüfstandssteuerung für die zu implementierende Gasfeder erstellt werden. In einem ersten Schritt wurden verschiedene Varianten zur Realisierung einer Gasfeder zusammengestellt. Eine Bedingung für die Gasfeder war die Einstellbarkeit des Kraft-Weg Verlaufs. Diese Bedingung ergab sich aus der Anwendung der Gasfeder in einem FKLG. Die Gasfederkonzepte konnten untergliedert werden in Varianten, deren Einstellbarkeit auf einer Variation der Gasmasse in der Feder beruht und in Varianten, deren Einstellbarkeit durch eine Variation des Federvolumens erreicht wird. Dies bedeutet, dass prinzipiell der Druck in der Gasfeder zum einen durch eine Veränderung der Gasmasse und zum anderen durch eine Veränderung des Volumens bei gleichbleibender Gasmasse verändert werden kann. Theoretisch ist eine Druckänderung nach dem allgemeinen Gasgesetz ebenso durch eine Temperaturänderung zu erreichen, doch ist dies für den Einsatz in einem FKLG nicht praktikabel. Die Varianten wurden anschließend auf ihre Realisierbarkeit hin untersucht. Es wurde geprüft, inwieweit Komponenten für die einzelnen Gasfedervarianten zur Verfügung standen. Hierbei musste festgestellt werden, dass die für die Realisierung der auf der Variation der Gasmasse beruhenden Gasfederkonzepte notwendigen Ventile nicht verfügbar waren. Die für diese Varianten erforderlichen Ventile müssen schnelle Schaltzeiten, hohe Druck- und Temperaturbeständigkeit und hoch Durchflüsse aufweisen können. Diese Kombination von Anforderungen wurde von keinem Ventil erfüllt. Die auf Gasaustausch beruhenden Konzepte konnten daher nicht weiterverfolgt werden. Desweiteren wurden Methoden entwickelt, um das Gasfederverhalten zu charakterisieren. Durch diese Methoden sollte ein numerischer Vergleich der einzelnen Konzepte und so eine erste Abschätzung der Varianten ermöglicht werden. Aus den Berechnungen ging hervor, dass Varianten, deren Federverhalten durch Veränderung des Gasvolumens eingestellt werden kann, für einen Einsatz im FKLG geeignet sind. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse konnten die einzelnen Varianten bewertet und eine Auswahl getroffen werden. Hierbei erzielte die Gasfeder mit Steuerkolben das beste Ergebnis. Bei dieser Variante laufen ein Arbeitskolben und ein Steuerkolben, der für die Einstellbarkeit der Gasfeder eingesetzt wird, in einem gemeinsamen Zylinder. Dadurch erhält man ein geschlossenes System, dessen Federverhalten durch den Steuerkolben eingestellt werden kann. Die Konstruktion dieser Gasfeder wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Bolenz und Schäfer durchgeführt. Anschließend wurden Vorbereitungen für den Aufbau des Prüfstandes getroffen. Hierfür war es vor allem notwendig, eine Prüfstandssteuerung zu entwerfen. Die Ausgangssignale dieser Steuerung sollen die Sollpositionen der beiden Kolben darstellen, welche dann in einer angeschlossenen Regelungseinheit durch Abgleich mit den Istpositionen zu Stellgrößen verarbeitet werden. Die Steuerung wurde auf MATLAB/Simulink programmiert und anschließend auf das Echtzeitsystem der Firma dSPACE überspielt. Zusätzlich wurde eine Benutzeroberfläche erstellt, die die Schnittstelle zwischen Benutzer und Prüfstand darstellt. Mit der entworfenen Steuerung ist es möglich, verschiedene Sollpositionen für beide Kolben und zusätzlich einen Sinusverlauf für den Arbeitskolben zu erzeugen. Das Programm erzeugt die für die Regelung notwendigen glatten Sollwertverläufe und enthält Funktionen zur Gewährleistung der Betriebssicherheit.