Die Leistung von Scherenhebebühnen durch Simulationen verbessern und die Umstellung von Verbrennungs- auf Elektromotor vollziehen

Sicherheit ist oberstes Gebot

Wenn Sie Ihren Blick über eine Baustelle Ihrer Wahl schweifen lassen, dann werden Sie eine Vielzahl von Scherenhebebühnen erblicken, die sich für viele verschiedene Aufgaben einsetzen lassen. Von Malerarbeiten in Innenräumen bis hin zu Renovierungsarbeiten außen an Gebäuden muss diese Art von Hebevorrichtung zum Bereitstellen einer Arbeitsbühne unter einer Vielzahl schwieriger Einsatzbedingungen gut funktionieren.

Einsätze im Außenbereich können äußerst anstrengend sein, wenn man mit dieser Art von Ausrüstung arbeitet. Der Boden kann schlammig, uneben und schwer zu befahren sein. Morastige Steilhänge erfordern eine gute Traktionsleistung, damit das Fahrzeug nicht überfordert wird.

Ein weiterer wichtiger Faktor sind Emissionsvorschriften bezüglich Lärm und Verbrennungsabgase. Hebevorrichtungen sollen möglichst keine Abgase ausstoßen und dürfen in Sachen Lärmentwicklung bestimmte Dezibelgrenzwerte nicht überschreiten. Nur so lässt sich die Sicherheit des Bedienpersonals und des Personals insgesamt gewährleisten, insbesondere in Innenräumen. Im Zuge dessen müssen die Konstrukteure den vom Motor und den Betätigungssystemen erzeugten Lärmpegel insgesamt verringern und die stetig strenger werdenden Normen für Verbrennungsmotoren erfüllen. Da in immer mehr Ballungszentren zonenweise Obergrenzen für Emissionen eingeführt werden, sind die Hersteller gezwungen, ihre Innovationsmaßnahmen zu beschleunigen und mit alternativen Energien betriebene Maschinen und Fahrzeuge zu produzieren. In vielen Fällen scheint ein Elektrofahrzeug die vielversprechendste Lösung zu sein.

Schließlich ist die Sicherheit bei Baumaschinen und Hebevorrichtungen ganz allgemein von größter Bedeutung. Diese Art von Maschine dient dem Zweck, hoch über dem Boden arbeiten zu können. Folglich hat Stabilität sowohl für die Hersteller als auch für die Endnutzer höchste Priorität.

Kennen Sie jemanden, der eine Scherenhebebühne in der Garage hat?

Wie auch in anderen Bereichen der Baubranche sind 80 Prozent der Kundschaft im Bereich der Hebevorrichtungen keine Endnutzer, sondern gewerbliche Ausrüstungsverleiher. Diese Verleiher müssen ihren Kunden leistungsstarke und vielseitige Maschinen anbieten. Die Kunden wollen für ein und denselben Einsatzort nicht mehrere verschiedene Maschinen mieten müssen. Eine vielseitige und leistungsstarke Anlage im Angebot erweist sich als enorm wertvoll für das Geschäftsmodell einer Leihmaschinenflotte.

Die Baureihe Pulseo kommt ins Spiel

Um diese Marktlücke zu schließen, hat das im französischen Lorette ansässige Unternehmen Haulotte als führender Hersteller und Lieferant von Hebebühnentechnik Pulseo entwickelt: eine aus geländegängigen elektrischen Scherenhebebühnen einer neuen Generation bestehende Baureihe. Die vollelektrischen Pulseo Hebebühnen eignen sich für Arbeiten im Innen- wie im Außenbereich und zeigen sich im Vergleich zu früheren Modellen mit Verbrennungsmotor in ihrer Leistung verbessert.

Bei der Entwicklung dieser neuen Modelle nutzten Arnaud Chaigne, Leiter der Abteilung für Simulation und digitale Validierung bei Haulotte, und sein Entwicklungsteam die Möglichkeiten der Simulation, um Konstruktionschancen zu untersuchen und die Leistung der Maschinen zu prognostizieren.

„Dank der Simulation konnten wir die Realisierbarkeit verschiedener Innovationsszenarien untersuchen und dabei die Auswirkungen auf verschiedene Systeme wie Hydraulik, Elektrik, Regelungen und Steuerungen sowie die Stabilität der Maschine und die Sicherheit des Bedienpersonals berücksichtigen“, so Chaigne.

Design architecture evaluation using Simcenter Amesim.

Die Simulationswerkzeuge der Wahl

Haulotte nutzt Simcenter™ Softwaretools für mechanische und Systemsimulationen. Simcenter ist Bestandteil des Xcelerator-Portfolios, des umfassenden integrierten Portfolios bestehend aus Software und Services aus der Hand von Siemens Digital Industries Software. Mit Hilfe dieser Simulationswerkzeuge haben die Konstrukteure von Haulotte eine aus marktreifen Scherenhebebühnen mit einem 12 kW starken Elektromotor bestehende Baureihe entwickelt. Die neuen Hebebühnen boten ein höheres Leistungsvermögen als das Vorgängermodell, das noch mit einem 23 kW starken Verbrennungsmotor ausgestattet war. Die neuen elektrischen Scherenhebebühnen arbeiten nicht nur abgasfrei und leise, sondern bieten auch insgesamt eine bessere Leistung. Sie lassen sich auf eine Arbeitshöhe von bis zu 15 m statt 12 m hochfahren und besitzen eine Tragfähigkeit von 750 kg statt 500 kg.

Als es an die Bestimmung der optimalen Architektur für kommende Modelle der geländegängigen Scherenhebebühnen der Baureihe Pulseo ging, nutzte Chaigne die Software Simcenter Amesim™ für die Systemsimulation. Einer der schwierigsten Aufgabenaspekte war es, das Leistungsvermögen des Elektromotors zu optimieren. Anders als bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren musste das Team sich während der Konstruktionsphase mit vielen weiteren Fragen und Hürden befassen, damit der Elektromotor die benötigte Leistung liefern konnte.

Zunächst ermittelte Chaigne die Energieverluste auf allen Ebenen: vom Motor über die gesamte Struktur bis hin zur Hydraulikverteilung.

„Zunächst haben wir uns die Modellierung des bestehenden Wärmekraftsystems vorgenommen. So wollten wir jene Teile finden, welche die meiste Energie verbrauchen, also eine Kartierung der Energieverluste“, sagt Chaigne. „Auf diese Weise konnten wir eine neue Architektur definieren, die sich besser für eine vollelektrische Maschine eignet, bei welcher der gesamte Energieverbrauch zählt.“

Definieren einer optimalen Systemarchitektur

Im Rahmen des Projekts zur Definition einer optimalen Architektur arbeitete das Team an der Dimensionierung des Akkus für die elektrische Anlage der Maschine.

Chaigne erklärt: „Um den Akku richtig zu dimensionieren, mussten wir zwei wichtige Bereiche untersuchen: zum einen die Gesamtmenge der für den Routinebetrieb benötigten Energie und zum anderen den hohen Energiebedarf bei Leistungsspitzen. Das Risiko besteht in der Überdimensionierung der Konstruktion, wenn man sich von diesen Leistungsspitzen leiten lässt. Daher haben wir uns an die Modellierung von Steuerungsgesetzen gemacht, um solche Leistungsspitzen zu begrenzen.“

Während der Analysephasen beobachteten Chaigne und sein Team, dass die Spitzenwerte bereits zu Beginn des Hubvorgangs erreicht wurden, als die Aktuatoren die Bewegung einleiteten.

„Um die Akkugröße zu optimieren, mussten wir Steuerungsgesetze erarbeiten, mit denen sich die Leistungsspitzen abfedern ließen, ohne dass dies zu merklichen Verzögerungen bei den Hubvorgängen führte“, sagt Chaigne. „Dies ermöglichte ein konstantes Leistungsniveau über die gesamte Hubbewegung hinweg.“

Customized process-oriented workflow tool using NX™ Open software, in Simcenter 3D.

Simulation of in-operation machine stability, using Simcenter 3D Motion.

Stabilität erreichen mit Simcenter 3D Motion

Gemäß in vielen Ländern geltenden Vorschriften müssen Hebevorrichtungen stabil bleiben, unabhängig davon, ob sie gerade auf einer Baustelle in die gewünschte Position gefahren werden oder stillstehen, wenn sich z. B. Bedienpersonal oder Handwerker auf der Arbeitsbühne befinden.

„Um die Produktivität unserer neuen Scherenhebebühne zu verbessern, war es unerlässlich, ihre Stabilität während der Fahrten zum Einsatzort zu untersuchen“, sagt Chaigne. „Wenn die Maschine bewegt und ausgefahren wird, muss man das Verhalten der Pendelachse untersuchen, damit die Gesamtstabilität des Fahrzeugs gewahrt bleibt.“

Um alle denkbaren Szenarien vorhersehen zu können, untersuchten Chaigne und sein Team mit Hilfe der Software Simcenter 3D Motion das dynamische Verhalten der Scherenhebebühne.

„Wir haben die dynamische Mehrkörpersimulation dafür genutzt, um die Scherenhebebühnen so zu dimensionieren, dass die Stabilität gewährleistet ist“, sagt Chaigne. „So konnten wir den bestmöglichen Kompromiss zwischen Performance und Maschinengewicht finden und Entwicklungszeit einsparen.“

Outdoor work in progress with the Pulseo.

Die Demokratisierung der Simulation

„Als Spezialist für Simulationen trage ich die Verantwortung dafür, dass der Zugang zu den Simulationswerkzeugen gewährleistet ist“, erklärt Chaigne. „Dank der Anpassungsmöglichkeiten in Simcenter 3D über NX Open konnten wir die Regeln unseres Geschäftsbetriebs und die gesetzlichen Normen integrieren, um den Berechnungsprozess zu beschleunigen und das Fehlerrisiko zu verringern.“

Wenn die Konstruktionsabteilung von Haulotte die verschiedenen Stabilitätsanalysen durchführt, wird der zugehörige Prozess von den einschlägigen Normen bestimmt. Die Schwierigkeit besteht u. a. darin, dass je nach Einsatzort oder -land verschiedene Normen gelten und die Einsatzbedingungen eine Menge variabler Faktoren umfassen können: von Umgebungsbedingungen wie der Windstärke bis hin zu von Menschen abhängigen Faktoren, beispielsweise Eingriffe des Bedienpersonals oder Betriebseinstellungen, etwa Lastposition oder Arbeitswinkel.

„Parallel zum Handling der normierten Parameter versuchen wir, unsere in der Konstruktionsabteilung entwickelten Modelle so vorausschauend wie möglich zu gestalten“, erklärt Chaigne. „Hierzu gehört auch die Berücksichtigung der die Stabilität beeinflussenden Parameter, etwa das Verhalten der Fahrzeugreifen, die Steifigkeit in der Praxis und die Gewichtsverteilung. Im Anschluss an die Definition des Modells müssen wir die Stabilität gemäß den jeweiligen Normen und Konfigurationen überprüfen. Dieser Schritt kann recht lange dauern und mühsam sein.“

Zeitersparnis und Vermeidung mühsamer Arbeiten

Um Zeit zu sparen und den Analyseprozess für Berechnungen zur Stabilität zu verbessern, hat man ein maßgeschneidertes, prozessorientiertes Workflowtool entwickelt, das NX™ Open Software mit einer Automatisierungs-Programmierschnittstelle (API) für Simcenter 3D nutzt.

„Konkret ermöglicht NX Open die Automatisierung der Dateneingabe unter Berücksichtigung der verschiedenen Normen“, berichtet Chaigne. „Bei der Nachbearbeitung liefert dieses Tool präzise Informationen zur Stabilität. Dies ermöglicht es auch Nicht-Spezialisten, komplexere Simcenter 3D Motion-Modelle zu nutzen.“

Co-Simulation steigert die Leistung

Während der Entwicklung der elektrifizierten Pulseo-Baureihe „co-simuliert“ das Konstrukteursteam Simcenter-3D-Modelle, die zur Struktur- und Stabilitätsanalyse verwendet werden, mit Simcenter Amesim System-Simulationsmodellen zur Energieanalyse und Auslegung der Akkugröße.

Chaigne erklärt: „Bei elektrisch angetriebenen Maschinen ist der Energieverbrauch absolut entscheidend. Wenn wir mit Simcenter 3D Motion arbeiten, können wir die Kräfte in den Hydraulikaktuatoren unter Berücksichtigung von Kinematik, Massenverteilung, Reibung und dynamischen Effekten modellieren. Wir erhalten realitätsnahe und detaillierte Einblicke in das Druckniveau und damit in den Energiebedarf dieser Aktuatoren.“

Das Team arbeitet bei der Co-Simulation mit zwei Arten von Prozessen.

„Im ersten Fall arbeiten die beiden Softwareprogramme simultan und tauschen untereinander Daten aus, um auf diese Weise einer gemeinsamen Lösung näher zu kommen“, sagt Chaigne. „Im zweiten Fall verwenden wir Simcenter 3D Motion, um abhängig von der Zylinderposition Kraftwertetabellen zu generieren, und nutzen diese Daten anschließend in Simcenter Amesim.“

Da Scherenhebebühnen meist einen hydraulischen Antrieb mit mehreren Aktuatoren besitzen, variiert die Verteilung der mechanischen Spannung in der Struktur entsprechend dem Druckausgleich in den Aktuatoren der Hydraulik. Chaigne sagt: „Dank der Co-Simulation können wir die mechanischen Beanspruchungen unter Normalbedingungen und bei Pannen analysieren, zum Beispiel bei einem Schlauchbruch. Wir können sehen, wie die Lastübertragungen erfolgen und welche Auswirkungen es auf den Druck im Hydraulikzylinder gibt.“

Einsatz von Simulationen, um den Aufwand für praktische Versuche zu verringern

„Berechnungen und Simulationen sind Teil unseres theoretischen Validierungsprozesses. Dieser soll sicherzustellen, dass unsere Konstruktion einen gewissen Entwicklungsgrad erreicht hat, bevor wir den ersten Prototyp anfertigen“, erläutert Chaigne. „Die Versuchsphase behält jedoch ihre entscheidende Bedeutung. Die Simulation hilft uns, die kritischsten Fälle in Bezug auf die Stabilität zu identifizieren und Parameter wie Maschinenposition, Lasten und Kräfte zu bewerten.“

Die als kritisch ausgemachten Fälle werden anschließend in Versuchen überprüft.

„Wir prüfen, ob die Versuchsergebnisse mit der Simulation übereinstimmen“, bestätigt Chaigne. „Diese Proben, Simulationen und Analysen umfassende Schleife ist zwingend erforderlich, um unsere Modelle zu verbessern. Die Verwendung von Simulationsmodellen hält die Zahl der Prototypen in Grenzen und verringert somit den für die Versuchs- und Probenkampagnen erforderlichen Zeitaufwand.“

Nutzung von Simulationen für das Verständnis des Leistungsverhaltens

„Die Simulation hilft uns bei der Definition der übergeordneten Systemarchitektur, wir nutzen sie allerdings in verschiedenen Entwicklungsphasen, z. B. bei der Behebung von Problemen, die während der Tests aufgetreten sind. Mit Sicherheit bieten Simulationen umfassendere Einblicke in unerwünschte Aspekte des Leistungsverhaltens und auch in deren Ursachen“, erklärt Chaigne. „Um das Leistungsvermögen der Maschine genau zu reproduzieren, muss man verschiedene physikalische Phänomene modellieren. Dazu gehört, dass entscheidende Parameter identifiziert und Alternativen sofort bewertet werden. Dank dieser Arbeitsweise können wir mit einer noch ausgereifteren, ja finalen Architektur in die Prototyping-Phase eintreten.“

Chaigne zufolge ist es innerhalb einer Konstruktionsabteilung entscheidend, das Simulationsanalyseteam nicht vom Prototyp-Versuchsteam zu isolieren. Simulations- und Versuchsschleifen müssen in einen Kooperationsprozess integriert werden, damit die bei den Versuchen festgestellten Probleme so schnell wie möglich durch Simulationen gelöst werden können.

Indoor work in progress with the Pulseo.

Herausragende Leistung und optimale Sicherheit

Der Einsatz von Simcenter Simulationswerkzeugen war ein entscheidender Erfolgsfaktor bei der Konstruktion und Entwicklung der neuen elektrischen geländegängigen Scherenhebebühnen der Baureihe Pulseo von Haulotte. Das Team war in der Lage, sämtliche für die Stabilität des Betriebs und die Sicherheit geltenden Vorschriften sowie viele Anforderungen in Bezug auf Lärmemissionen und Luftverschmutzung zu erfüllen. Dank der Simulationsmöglichkeiten von Simcenter konnte das Team die bestmögliche Konstruktion fertigstellen, die im Vergleich zum Vorgängermodell mit Verbrennungsmotor ein herausragendes Leistungsvermögen vorweisen konnte.

„Mit Hilfe von Simcenter sind wir von einer 23 kW starken Wärmekraftmaschine weg und hin zu einem 12kW-Elektromotor gekommen und konnten dabei die Gesamtleistung der Scherenhebebühne verbessern. Die maximale Arbeitshöhe, in die die Anlage gefahren werden kann, stieg um 25 Prozent von 12 m auf 15 m, und die Ladekapazität um 50 Prozent von 500 kg auf 750 kg“, fasst Chaigne zusammen.