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Antriebsstrangkonzepte mobiler Arbeitsmaschinen - Entwicklung und Verifikation eines Softwaretools am Beispiel eines Radladers

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Ausgangspunkt

Beständig steigende Kundenanforderungen nach geringerem Kraftstoffverbrauch oder auch höherer Leistungsfähigkeit sowie Gesetzesinitiativen für geringere Schadstoffemissionen führen zu höheren Anforderungen an die einzelnen Module der mobilen Arbeitsmaschine. Die daraus resultierenden Anforderungen an das Getriebe können wie folgt zusammengefasst werden:

  • kontinuierliche Verstellbarkeit ohne Zugkraftunterbrechung,
  • hohe Spreizung der Getriebeübersetzung,
  • hohes Anfahrmoment,
  • geringe Verluste für hohe Wirkungsgrade,
  • prinzipielle Eignung für ein Antriebsstrangmanagement.

Beständig steigende Kundenanforderungen nach geringerem Kraftstoffverbrauch oder auch höherer Leistungsfähigkeit sowie Gesetzesinitiativen für geringere Schadstoffemissionen führen zu höheren Anforderungen an die einzelnen Module der mobilen Arbeitsmaschine. Die daraus resultierenden Anforderungen an das Getriebe können wie folgt zusammengefasst werden:

  • kontinuierliche Verstellbarkeit ohne Zugkraftunterbrechung,
  • hohe Spreizung der Getriebeübersetzung,
  • hohes Anfahrmoment,
  • geringe Verluste für hohe Wirkungsgrade,
  • prinzipielle Eignung für ein Antriebsstrangmanagement.

Erste Untersuchungen dieser grundsätzlichen Anforderungen zeigten die prinzipiell gute Eignung hydrostatischer Getriebe. Gerade die kontinuierliche Verstellbarkeit der Übersetzung im hydrostatischen Getriebe macht diese zu einem interessanten Designelement moderner Getriebe. Als Beispiel für eine mobile Arbeitsmaschine ein Radlader mit einer Antriebsleistung von mehr als 100 kW betrachtet. In dieser Maschine stellt der hydrodynamische Wandler bisher den Stand der Technik für die Drehmoment- und Drehzahlwandlung dar. Im Gegensatz zum hydrostatischen Getriebe besitzt der hydrodynamische Wandler aufgrund seiner festen Schaufelgeometrie eine feste Zuordnung zwischen an- und abtriebsseitigen Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen. Diese nicht vorhandene Anpassungsfähigkeit kann zu hohen Verlusten in ungünstigen Arbeitspunkten führen.

Bei der Auslegung von neuen Getrieben für mobile Arbeitsmaschinen soll das hydrostatische Getriebe als kontinuierlich verstellbarer Zweig berücksichtigt werden. Dabei hebt sich das hydrostatische Getriebe durch das hohe übertragbare Drehmoment von anderen variablen Getrieben ab. Obwohl die Verluste im Getriebe eine große Bedeutung bei der Erfüllung der zuvor formulierten Anforderungen haben, existiert kein objektives Tool zum verlustbasierten Vergleich verschiedener Lösungsansätze. Genau an dieser Stelle setzt das Gemeinschaftsforschungsprojekt an. Es wird ein wissenschaftlich fundiertes und verifiziertes Tool entwickelt, das geeignet ist, die Untersuchung und Weiterentwicklung von hydrostatisch geprägten Antriebskonzepten verlustbasiert zu unterstützen.

Lösungsansatz

Ausgehend von der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors wird der gesamte Antriebsstrang mit seinen leistungs- und funktionsrelevanten Komponenten und Teilsystemen betrachtet. Der Antriebsstrang wird in Teilmodelle zerlegt, die sich über entsprechende Schnittstellen verbinden und vom Anwender parametrieren lassen. Die Belastung des Verbrennungsmotors durch zusätzliche Verbraucher, wie z.B. die Arbeits- oder Lenkhydraulik, werden zu Drehzahl-Drehmoment-Verläufen vereinfacht und über ein Verteilergetriebe aufgeprägt. Der Vergleich verschiedener Antriebsstrangkonzepte erfolgt zunächst anhand von Verlustkennfeldern über den gesamten Betriebsbereich.

Die Simulation auf Basis eines ermittelten Lastzyklus stellt ein weitere Möglichkeit zum Konzeptvergleich dar. Der Lastzyklus gibt eine zeitbasierte Belastung aller Teilmodelle vor und somit die Gesamtlast für den Verbrennungsmotor. Mehrere Simulationen unterschiedlicher Antriebssysteme mit dem gleichen Lastzyklus führen zu einer Vergleichsgrundlage.

Für die Durchführung eines verlustbasierten Vergleichs müssen alle in den Teilsystemen entstehenden Verluste bei der Programmierung der Komponenten berücksichtigt werden. Die notwendige Verifikation der Simulationsmodelle erfolgt über Messungen an einem Mehrmotoren-Getriebe und einem leistungsverzweigten Getriebe auf einem Getriebe-Versuchsstand.

Prinzipielles Vorgehen bei der Simulation des Antriebsstrangs
Bild 1: Prinzipielles Vorgehen bei der Simulation des Antriebsstrangs

Antriebsstrangkonzepte

Der hydrodynamische Wandler stellt bei Radladern in der Leistungsklasse über 100 kW den Stand der Technik bei vielen Antriebsstrangkonzepten dar. Neue Anforderungen an den Antriebsstrang erfordern die Möglichkeit, in Sinne eines ganzheitlichen Antriebsstrangmanagements gezielt die Übersetzung des Getriebes beeinflussen zu können. Da die Kennlinie eines hydrodynamischen Wandlers diese Verstellung nicht zulässt, werden bei den Untersuchungen hauptsächlich hydrostatische Antriebskonzepte optimiert.

Das Mehrmotorenkonzept kommt in den Radladern der Firma Liebherr bereits erfolgreich zum Einsatz und kann auf verschiedene Einsatzbereiche hin optimiert werden. Bei dem in Bild 3 vorgestellten Getriebe treibt eine Pumpe zwei Motoren an die auf jeweils eine Welle des Getriebes zugreifen. Die geschickte Ansteuerung der Kupplungen und der Hydrostaten ermöglicht eine kontinuierlich variierbare Übersetzung. Bei dem von Linde unterstützten Einzelradkonzept werden 4 Hydromotoren von einer Pumpe angetrieben. Die Verstellung der Einheiten - im Verbund oder Einzeln - ermöglicht die Veränderung der Übersetzung zwischen An- und Abtrieb. Außer den Radgetrieben kommt dieses Getriebe ganz ohne Zahnradstufen aus. Die Leistungsverzweigung findet bisher verstärkt in Traktorgetrieben der Firmen Fendt und John Deere Verwendung. Dabei wird die Antriebsleistung in einen mechanischen und einen hydraulischen Zweig aufgeteilt mit dem Ziel, die kontinuierliche Verstellbarkeit der Hydrostatik und den guten Wirkungsgrad der mechanischen Komponenten zu kombinieren.

Prinzipielles Vorgehen bei der Simulation des Antriebsstrangs
Bild 2: Schaltpläne und Beispiele der simulierten Antriebsstränge

Lastzyklus

Um bei der Untersuchung und Weiterentwicklung von Antriebsstrangkonzepten nicht auf wenige Arbeitspunkte beschränkt zu sein, werden die Untersuchungen in diesem Projekt für einen Arbeitszyklus durchgeführt. Die Abstimmung der Antriebskonzepte auf das Zeitverhalten möglicher Lastzyklen, hilft die Verlustleistungen über einem Zyklus zu verringern und so die Auslegung zu verbessern.

Um die Anforderungen an die Beispielmaschine "Radlader" in der Simulation abzubilden, wurde ein standardisierter Lastzyklus aus 150 gemessenen Verläufen des für einen Radlader typischen kurzen Ladezyklus (Y-Zyklus) generiert. Dieser Lastzyklus enthält sowohl die Belastung für den Fahrantrieb - in Form von Geschwindigkeit und Zugkraft - als auch die Belastung für die Arbeits- und Lenkhydraulik - in Form von Druck und Volumenstrom. Dabei wird der benötigte Volumenstrom aus den Längenänderungen der Arbeits- und Lenkzylinder berechnet.

Im Verlauf des betrachteten Y Zyklus nimmt der Radlader mit der Schaufel ein Ladegut auf und entleert die Schaufel über einem Transportfahrzeug. Abbildung 5 zeigt den Y Zyklus aus der Vogelperspektive sowie dessen Zeitverläufe für die Belastung von Fahrantrieb, Arbeits- und Lenkhydraulik.
Der oben links gezeigte Ladezyklus setzt sich aus fünf Teilen zusammen:

  1. Der Radlader fährt von der Ausgangsstellung (A) zum Haufwerk (B). Die Schaufel wird abgesenkt und zum Boden ausgerichtet.
  2. Der Ladevorgang wird durchgeführt, indem der Bediener gleichzeitig in das Haufwerk einfährt und die Hebe- und Kippfunktion der Schaufel bedient.
  3. Der Radlader setzt vom Haufwerk (B) zum Ausgangspunkt (A) zurück, so dass die charakteristische Y-Form entsteht, und hebt die Schaufel an.
  4. Der Radlader fährt bis zum Transportfahrzeug (C) vor, hebt gleichzeitig die Schaufel weiter an und entleert sie (siehe Verlauf der Kippzylinderposition, blau).
  5. Der Radlader setzt vom Transportfahrzeug (C) zurück und der Bediener bringt die Schaufel zurück in die Ausgangsposition [12].

Die Simulationsmodelle werden auf Basis des in die Simulation integrierten, zeitbasierten Lastzyklus untersucht. Die Zugkraft wird direkt als Last auf die Abtriebsräder gegeben, während die Geschwindigkeit als Sollwert für einen Geschwindigkeitsregelkreis einzusetzen ist. Die Belastung durch Arbeits- und Lenkhydraulik wird mittels Verstellpumpen auf den Motor aufgebracht. Die Drücke werden über verstellbare Druckbegrenzungsventile bestimmt und die Volumenströme über die Verstellung der Pumpen berücksichtigt. Zusätzliche Versorgungssysteme, wie z.B. die Getriebeölversorgung, werden unabhängig vom Lastzyklus anhand von Herstellerangaben im Simulationsmodell abgebildet und parametriert.

Prinzipielles Vorgehen bei der Simulation des Antriebsstrangs
Bild 3: Kurzer Ladezyklus als Vergleichsbasis für die Antriebsstrangkonzepte

Projektteam

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Institute

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