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Elektro-Boost für HydraulikgetriebeSauer Bibus und Heinzmann hybridisieren die Großwinkel-Getriebetechnik

Richard A. Zahoransky, Ralf Schrempp

Was dabei rauskommt, wenn zwei Zulieferer ihre Antriebstechnik

geschickt verbinden, zeigt das Elektro-Boost für Hydraulikgetriebe.

Die technischen Vorteile sprechen für sich.

Einen völlig neuen Weg für hydraulische Antriebe beschreiten Sauer Bibus und Heinzmann mit der Hybridisierung der Großwinkel-Getriebetechnologie ICVD®. Als „e“-booster wird ein integrierter Elek-troantrieb von Heinzmann zur Unterstüt-zung eines ICVD-Getriebes von Sauer Bibus eingesetzt. Diese Konfi guration aus hydro-statischem und elektrischem Antrieb ver-spricht eine Vielzahl von technischen Vor-teilen für den Betrieb von Mobilen Arbeits-maschinen: Downsizing beim Verbren-nungsmotor wird möglich, Verbrauch und Abgasemission werden damit reduziert und die Wirtschaftlichkeit durch die erhöhte Fahrdynamik über höhere Drehmomente wird speziell im unteren Drehzahlbereich erhöht.

Innovatives ICVD-Hydraulik-getriebe Das mit der so genannten Großwinkel-technologie ausgestattete ICVD-Hydrau-likgetriebe (Integrated Continuously Vari-able Drive) wird vorrangig in Arbeitsma-schinen wie Telehandler oder Radlader eingebaut. Das Getriebe, das Sauer-Bibus

in Zusammenarbeit mit dem Technolo-giekonzern GKN Walterscheid entwi-ckelte, ermöglicht durch die 45° Großwin-kelverstellung (45°-Schwenkwinkel) eine stufenlose Fahrgeschwindigkeit bis zu 40 km/h bei höchstem hydromechanischem Wirkungsgrad durch die Schrägachsen-bauweise. Somit ist dieses Getriebe ideal für selbstfahrende Land- und Baumaschi-nen. In Kombination mit einer Primärver-stellung der Pumpe vergrößert sich der hydrostatische Wandlungsbereich so, dass diese Technologie eine komfortable Alternative zum Schaltgetriebe und lastschaltbarem Drehmomentwandler darstellt. Bild 2 zeigt diese Großwinkel-einheit.

Die Stärken des ICVD-Getriebes sind Energieeffi zienzsteigerung, Optimierung des Fahrverhaltens der Maschinen und Erhöhung des Bedienerkomforts. Mit dem ICVD kann der gesamte Geschwindig-keitsbereich ohne Zugkraftunterbrechung durchfahren werden. Darüber hinaus er-möglicht ICVD eine einfache Fahrt- und Drehmomentumkehr sowie die automa-tische Anpassung des Leistungsbedarfs. ICVD ist durch die feinfühlige Steuerung und die hochdynamische Beschleuni-gung im praktischen Einsatz äußerst be-dienungsfreundlich. Somit wird die Pro-duktivität erhöht und der Fahrer deutlich entlastet, so dass er sich auf die wesent-lichen Arbeitsprozesse konzentrieren kann, ohne Ablenkung durch die Wahl des Fahrmodus oder durch Schaltvorgänge.

Dr. Richard A. Zahoransky, Sr. Consultantr, Heinzmann GmbH & Co. KG, Schönau; Ralf Schrempp, Geschäftsführer, Sauer-Bibus GmbH, Neu-Ulm

ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE

Dezentrale Hybrid-Variante

Der zusätzlich integrierte Elektromotor von Heinzmann unterstützt bei der Hybrid-Va-riante als Booster das Hydraulikgetriebe auf der Antriebsseite. Bild 3 zeigt das ausge-führte elektro-hydraulische Getriebe. Da-mit eine bedarfsgerechte Zuschaltung des Antriebs erfolgen kann, ist die Einheit in das Kommunikationsfeld der CAN-Bus-Steuerung integrierbar.

Diese Hybridvariante durch Integration der E-Maschine in das hydraulische Getrie-be bietet die gewünschte Unabhängigkeit vom Dieselmotor. Der Dieselmotor und der elektrische Teil des Hybrids können kon-struktiv unabhängig im Fahrzeug eingebaut werden. Somit bietet der dezentrale Hy-bridantrieb viele konstruktive Freiheits-grade, was ihn für nahezu alle mobilen Ar-beitsmaschinen attraktiv macht, da sich der Aufwand des Redesigns bestehender kon-ventioneller auf hybride Antriebsstränge in überschaubaren Grenzen hält. Bild 1 rechts veranschaulicht exemplarisch eine kon-struktive Anordnung des dezentralen, hy-briden Antriebsstranges in einem Fahr-werksaufbau einer mobilen Arbeitsmaschine.

Das hochdynamische Antriebskonzept unterstützt nicht nur bei Leistungsspitzen, es führt auch gleichzeitig Energie bei Bergabfahrten im so genannten Rekupera-tionsbetrieb zurück. Für den Verbren-nungsmotor bedeutet dies, dass weniger Gesamtleistung erforderlich wird. Damit wird das „downsizing“ oder besser „right-

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Der dezentrale Hybridantrieb bietet viele konstruktive Freiheitsgrade, was ihn attraktiv macht

eignete Lösung heraus. Bild 4 zeigt die für das ICVD Getriebe benutzte E-Maschine IL320 der Fa.Heinzmann GmbH & Co. KG, die als Innenläufer ausgeführt ist. Die Aus-führung in Einzelzahnwicklung trägt den Erfordernissen einer kostengünstigen, au-tomatisierten Fertigung Rechnung und führt zu einer minimalen axialen Ausdeh-nung. Die Wirkungsgradvermessung weist einen hohen Wirkungsgrad über einem weiten Drehzahl-Drehmoment-Bereich nach, Bild 5.

Hybride Steuerstrategie

Das „e“-boost ICVD-Hydraulikgetriebe stellt einen parallelen Hybrid dar. Die E-Maschine und der Verbrennungsmotor müssen koordiniert betrieben werden. Die Hybridanwendungen in mobilen Arbeits-maschinen bedingen eine elektrische Span-

nung von 200 bis 800 V, jedoch sind auch 80 bzw. 96 V prinzipiell möglich. Wünschens-wert sind Li-Ionen-Batterien, um auch Re-kuperationsphasen mit hohem Wirkungs-grad zu erlauben.

Bild 8 gibt einen typischen Aufbau des Steuersystems wieder. Der Elektrifizie-rungsgrad lässt sich variieren, um auch Ar-beits-, Neben- und Hilfsantriebe elektrisch zu betreiben sowie elektrische Fremdaggre-gate anzuschließen.

Die Hybridstrategie muss im Idealfall den Lastzyklen unter Berücksichtigung der Bat-teriekapazität angepasst werden. Bild 6 visualisiert im Drehmoment-Drehzahl-Dia-gramm des Verbrennungsmotors eine Steu-erstrategie, die auf minimalen Kraftstoff ver-brauch ausgelegt ist. Für den jeweils vorlie-genden individuellen Belastungsfall, also für ein gefordertes Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl, wird der Verbren-nungsmotor in seinem verbrauchsoptima-len Betriebspunkt bei der anstehenden Drehzahl gefahren. Hierbei wird das abge-gebene Drehmoment des Verbrennungs-motors entweder über oder unter dem ge-forderten Sollmoment liegen. Die Diff erenz

sizing“ in der Motorleistung ermöglicht, da der Betrieb permanent im optimalen Ver-brauchsfenster erfolgen kann. Somit lässt sich ein kleiner Verbrennungsmotor einset-zen, was in geringerem Kraftstoff verbrauch und niedrigeren Abgas-Emissionen resul-tiert. Mit Blick auf die erforderliche Abgas-nachbehandlung können zusätzliche Ko-steneinsparungen bei den Investitionen er-zielt werden. In Summe reduziert sich auch das benötigte Einbauvolumen des gesamt-en Antriebsstranges.

Bei einer entsprechenden Leistungsver-zweigung zwischen hydrostatischer und elektrischer Antriebsenergie wird der Fahr-komfort herkömmlicher Systeme übertrof-fen. Simulationen der beiden Fahrantriebs-konzepte zeigten besonders signifikant Kraftstoff- und Emissions-Vorteile von einem Parallel-Hybrid bei Radladern und Teleskopladern mit schnellen prägnanten

Lastzyklen, jedoch auch für Kommunal-fahrzeuge [2,3]. Sauer-Bibus und Heinz-mann sehen diese Neuentwicklung als Ba-sis einer zukunftsorientierten Antriebstech-nik für Bau- und Landmaschinen.

Elektromaschine

Die Elektromaschine für den e-booster hat folgende Voraussetzungen zu erfüllen:n  hohe Leistungs- und Drehmomenten-

dichte n  hohe Wirkungsgrade für Maschinen- und

Generatorbetriebn  hohes Drehmoment bei minimaler Dreh-

momentenwelligkeit und geringstem Rastmoment

n  Robustheit und Unempfi ndlichkeit gegen harsche Umwelteinwirkungen

n  gute Steuer- und Regelbarkeit in Abstim-mung mit Verbrennungsmotor und Ge-triebe

n  hohe DynamikIn einem aktuellen Vergleich der in Frage kommenden Motortypen [1] schälte sich die Permanentmagnet-Synchronmaschine mit seltenen Erden Magnete als die bestge-

3: „e“-boost – ICVD-Hydraulikgetriebe mit integrierter Elektromaschine

2: Prinzipdarstellung einer Großwinkel-einheit

5: Einzelzahnwicklung erzielt einen guten Wirkungsgrad über einen weiten Drehzahl-moment-Bereich

4: Permanentmagnet Synchronmaschine als Innenläufer ausgeführt

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des Drehmoments leistet die Elektroma-schine: Falls mehr Drehmoment abverlangt wird, arbeitet die E-Maschine im moto-rischen, also im Boost-Betrieb, wodurch das angeforderte Drehmoment insgesamt von den beiden Motoren aufgebracht wird. Die E-Maschinenleistung wird der Batterie entnommen. Falls weniger Drehmoment benötigt wird, geht die E-Maschine in ihren Generatorbetrieb und lädt die Batterie auf. Die optimale Batteriegröße lässt sich für den jeweiligen Lastzyklus durch Simulati-onen bestimmen. Natürlich muss die oben skizzierte Steuerung noch die Randbedin-gungen wie Batterieladezustand und Tem-peraturen von E-Maschine und Batterie be-rücksichtigen. Die beschriebene Steuerstra-tegie minimiert neben dem Verbrauch

The Companies Sauer-Bibus and Heinzmann open a new class of drive trains by joining the hydraulic wide angle gear technology ICVD® with an electric boost and recuperation machine. This yield a variety of technical advantages for mobile working machines like construction equipment. Smaller combustion engine, reduction of fuel consumption and gaseous emissions, and improve-ment of productivity by superior dynamics in the low speed range.

Summaryebenfalls die Schadstoffemissionen und wird deshalb bevorzugt.Andere Steuerstrategien sind möglich, bei-spielsweise die Phlegmatisierung des Ver-brennungsmotors, damit hohe Drehzahlen oder hohe Drehzahl- und Leistungsände-rungen mit entsprechenden Lärmemissi-onen vermieden werden. Eine derartige Strategie bietet sich für den Betrieb von mo-bilen Arbeitsmaschinen in dicht besiedel-ten städtischen Distrikten an. Dies ist mög-lich, da die E-Maschine hohe Drehmo-mente schon bei geringen Drehzahlen frei-setzt. Idealerweise arbeitet der Verbrennungsmotor dabei mit konstanter Leistung wie in Bild 7 im Leistungs-Zeit-Di-agramm idealisiert skizziert ist. Die E-Ma-schine übernimmt wie vorher beschrieben die Leistungsänderungen. Bremsvorgänge, im Bild 6 durch negative Leistungen ge-kennzeichnet, lassen sich im Generatorbe-trieb rekuperieren, unabhängig von der Steuerstrategie. In diesem Diagramm zeigt sich auch die höhere Dynamik des Hybrid-motors im Vergleich zum Verbrennungs-motor. Leistungserhöhungen werden durch die E-Maschine schneller realisiert, der Hy-bridantrieb ist deutlich dynamischer.

Vorteile und Erfahrungen

Bisher wurden diesel-elektrische Hybrid-systeme von den Herstellern der Verbren-nungsmotoren angeboten. Bei dem be-schriebenen „e“-boost Getriebe lassen sich hybride Antriebsstränge unabhängig von der Marke des Verbrennungsmotors instal-lieren. Das „e“-boost ICVD-Hydraulikge-

triebe kombiniert die Vorteile der Großwin-keltechnik mit denen des Hybridantriebs. Die Kombination stellt ein paralleles Hy-bridsystem dar.

Die folgenden Vorteile lassen sich aus den Untersuchungen der unterschiedlichen mobilen Arbeitsmaschinen (Radlader, Mul-tifunktionsbagger, Bergbaumaschine, Ga-belstapler, kommunales Mehrzweckfahr-zeug) herleiten:n  Verringerung des Kraftstoffverbrauchs.

Die Kraftstoffverbrauchsreduktion wurde bei typischen Lastzyklen von mobilen Ar-beitsmaschinen mit etwa 20 % ermittelt. Das hierzu entwickelte Simulationsmo-dell wurde experimentell in realen Fahr-zyklen verifiziert [2]. Hierbei blieben wei-tergehende Potenziale durch die Elektrifi-zierung der Arbeits-, Neben- und Hilfsag-gregate unberücksichtigt.

n  Einhergehende Emissionsverringerung der Schadstoffe CO

2, CO, NO

x, C

mH

n.

n  Produktivitätserhöhung: Durch die hö-here Dynamik des Antriebsstranges im unteren Drehzahlbereich erhöht sich die Produktivität von mobilen Arbeitsma-schinen beträchtlich. Aus einem Anwen-dungsfall wurde eine Produktivitätsstei-gerung von erstaunlichen 40 % berichtet – diese Steigerungsraten sind von den Lastzyklen der Anwendungen abhängig. Eine tiefergehende Analyse steht noch aus.

Ein Umbau von mobilen Arbeitsmaschinen in der Fertigung auf das „e“-boost ICVD-Hydraulikgetriebe ist meist ohne tieferge-hende konstruktive Änderungen des Fahr-zeugs möglich, da ein kleinerer Verbren-

6: Hybrid-Steuerstrategie des „e“-boost ICVD-Hydraulikgetriebes für minimalen Kraftstoffverbrauch und minimale Schadstoff-Emission

7: Hybrid-Steuerstrategie: Phlegmatisierung des „e“-boost ICVD-Hy-draulikgetriebes für minimale Geräusch-Emissionen

ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE

8: Aufbau des Steuersystems des dezentralen Hybrids

nungsmotor mit geringerer Leistung ge-wählt werden kann und somit der Platzbedarf der E-Maschine gewonnen wird. Einhergehend wird der kleinere Ver-brennungsmotor so ausgewählt, dass er in eine andere Abgasklasse fällt und somit der Investitions- und Installations-Aufwand für die Abgasnachbehandlungstechnik ge- ringer wird.

Zusammenfassung

Das „e“-boost ICVD-Hydraulikgetriebe eig-net sich für jedwede mobile Arbeitsmaschi-ne, insbesondere aber für Anwendungen, wo Wert auf Optimierung des Fahrverhal-tens der Maschinen und Erhöhung des Be-dienerkomforts gelegt wird. So kann sich der Fahrer auf komplexe Arbeitsprozesse konzentrieren, ohne durch die Wahl des Fahrmodus oder durch Schaltvorgänge ab-

gelenkt zu werden, beispielsweise in Tele-skop-Lader.

Heinzmann www.vfmz.net/1042350

Sauer-Bibus www.vfmz.net/1040290

Literaturhinweise[1] S. Zhitkova, B. Riemer, D. Franck, K. Hameyer, R. Zahoransky: Hochdrehzahlmotoren für mobile Arbeitsmaschinen, 4. Fachtagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen, 20. Febr. 2013, M. Geimer (Hrsg.), Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugsystem-technik, KIT Scientific Publishing, 2013[2] F. Böhler, P. Thiebes, M. Geimer, J. Santoire, R. Zahoransky: Hybrid Drive Systems for Industrial Applications; SAE-NA Paper Series, Paper 2009-24-0061, 2009[3] Rebholz, W.: Neues hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigtes CVT-Getriebe für den Einsatz in Baumaschinen; Fachtagung Getriebe in Fahrzeugen. Friedrichshafen 2010 (Tagungsband)