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Renius, K.Th.: Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen WISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004) Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen Überblick zum Stand der Technik Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karl Th. Renius Technische Universität München www.ftm.mw.tum.de Stufenlose hydrostatische Fahrantriebe haben sich bei vielen mobilen Arbeitsmaschinen durchgesetzt, weil sie neben höherer Produktivität und verbessertem Komfort ein hohes Au- tomatisierungspotenzial bieten – insbesondere bei Einbeziehung des Dieselmotors. Der Auf- satz gibt einen Überblick über den technischen Stand und bringt einige aktualisierte Grundla- gen. Nach Anmerkungen zur Historie folgt eine Liste relevanter mobiler Arbeitsmaschinen und eine Übersicht zu den Grundstrukturen „direkter“ hydrostatischer Getriebe. Weitere Möglich- keiten ergeben sich durch das Prinzip der äußeren Leistungsverzweigung. Einige Grundlagen, Konstruktionsregeln und typische Wirkungsgrade werden für beide Richtungen präsentiert. Moderne hydrostatisch-leistungsverzweigte Getriebe erreichen fast gleich gute Wirkungsgrade wie verlustarme Vielstufen-Lastschaltgetriebe (ohne hydrodynamische Wandler). Einige in Se- rie eingeführte hydrostatische Getriebe werden diskutiert. Direkt arbeitende Hydrostaten sind eher typisch für Baumaschinen, selbstfahrende Erntemaschine, Stapler und die meisten übri- gen mobilen Maschinen, während die Leistungsverzweigung sich derzeit vor allem bei Trakto- ren durchsetzt. 1 Einleitung und Anmerkungen zur Historie Stufenlose hydrostatische Fahrantriebe haben sich bei vielen mobilen Arbeitsmaschinen durchgesetzt. Ihre Hauptvorteile betreffen eine erhöhte Produktivität (stufenloses Fahren, Bremsen und Reversieren bei hohem Automatisierungspotenzial) und einen wesentlich verbesserten Komfort für den Fahrer. Ihre Historie ist sehr reichhaltig und vielfach belegt. Drei Meilensteine seien stellvertretend für eine sehr große Zahl von Pionierleistungen und Einführungsversuchen genannt: das hydrostatisch-leistungsverzweigte Pkw-Getriebe von Renault aus dem Jahre 1907, das leider nur als Patentanmeldung existierte [1] der britische NIAE-Forschungstraktor von 1954 [2], der vielfältige Entwicklunsaktivitäten in der Traktorindustrie auslöste das Flurförderfahrzeug Güldner „Hydrocar“ (Hannover-Messe 1955) [3], das den Grundstein für die heute erfolgreichen Linde-Stapler legte Bei Pkw-Getrieben gelang bis heute keine Serieneinführung, obwohl Konzepte von Jarchow mit Leis- tungsverzweigung nach Ansicht einiger Fachleute einer Realisierung nahe kamen. Große Hoffnungen hatte man in den 60er Jahren in die Einführung hydrostatischer Kompaktgetriebe für landwirtschaftliche Traktoren gesetzt. Die International Harvester Company entwickelte gemeinsam mit Sundstrand (beide USA) ein Traktorgetriebe, das man ab 1967 in Serie produzierte und von dem nach Schätzung des Verfassers einige 10.000 gebaut worden sind. Die in [4] und [2] beschriebene 1

Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen · Pistenraupen und Flugzeugschlepper Hier steht die hervorragende Manövrierfähigkeit hydrostatischer Fahrantriebe sehr

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Renius, K.Th.: Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen WISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen Überblick zum Stand der Technik

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karl Th. Renius Technische Universität München www.ftm.mw.tum.de

Stufenlose hydrostatische Fahrantriebe haben sich bei vielen mobilen Arbeitsmaschinen durchgesetzt, weil sie neben höherer Produktivität und verbessertem Komfort ein hohes Au-tomatisierungspotenzial bieten – insbesondere bei Einbeziehung des Dieselmotors. Der Auf-satz gibt einen Überblick über den technischen Stand und bringt einige aktualisierte Grundla-gen. Nach Anmerkungen zur Historie folgt eine Liste relevanter mobiler Arbeitsmaschinen und eine Übersicht zu den Grundstrukturen „direkter“ hydrostatischer Getriebe. Weitere Möglich-keiten ergeben sich durch das Prinzip der äußeren Leistungsverzweigung. Einige Grundlagen, Konstruktionsregeln und typische Wirkungsgrade werden für beide Richtungen präsentiert. Moderne hydrostatisch-leistungsverzweigte Getriebe erreichen fast gleich gute Wirkungsgrade wie verlustarme Vielstufen-Lastschaltgetriebe (ohne hydrodynamische Wandler). Einige in Se-rie eingeführte hydrostatische Getriebe werden diskutiert. Direkt arbeitende Hydrostaten sind eher typisch für Baumaschinen, selbstfahrende Erntemaschine, Stapler und die meisten übri-gen mobilen Maschinen, während die Leistungsverzweigung sich derzeit vor allem bei Trakto-ren durchsetzt.

1 Einleitung und Anmerkungen zur Historie

Stufenlose hydrostatische Fahrantriebe haben sich bei vielen mobilen Arbeitsmaschinen durchgesetzt. Ihre Hauptvorteile betreffen eine erhöhte Produktivität (stufenloses Fahren, Bremsen und Reversieren bei hohem Automatisierungspotenzial) und einen wesentlich verbesserten Komfort für den Fahrer. Ihre Historie ist sehr reichhaltig und vielfach belegt. Drei Meilensteine seien stellvertretend für eine sehr große Zahl von Pionierleistungen und Einführungsversuchen genannt:

��das hydrostatisch-leistungsverzweigte Pkw-Getriebe von Renault aus dem Jahre 1907, das leider nur als Patentanmeldung existierte [1]

��der britische NIAE-Forschungstraktor von 1954 [2], der vielfältige Entwicklunsaktivitäten in der Traktorindustrie auslöste

��das Flurförderfahrzeug Güldner „Hydrocar“ (Hannover-Messe 1955) [3], das den Grundstein für die heute erfolgreichen Linde-Stapler legte

Bei Pkw-Getrieben gelang bis heute keine Serieneinführung, obwohl Konzepte von Jarchow mit Leis-tungsverzweigung nach Ansicht einiger Fachleute einer Realisierung nahe kamen.

Große Hoffnungen hatte man in den 60er Jahren in die Einführung hydrostatischer Kompaktgetriebe für landwirtschaftliche Traktoren gesetzt. Die International Harvester Company entwickelte gemeinsam mit Sundstrand (beide USA) ein Traktorgetriebe, das man ab 1967 in Serie produzierte und von dem nach Schätzung des Verfassers einige 10.000 gebaut worden sind. Die in [4] und [2] beschriebene

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Konstruktion arbeitete mit Schrägscheiben-Axialkolbenmaschinen (Motor etwas größer als die Pum-pe), die beide raumsparend und funktionsgünstig in sogenannter back-to-back-Bauweise zusammen-arbeiten (kurze Kanäle). Die Verstellung der Schrägscheiben erfolgte über große Zylinder mit Speise-druck. Die Pumpe arbeitete mit Schwenkwinkeleinstellungen von –16 bis +18° (rückw./vorw.), der Ölmotor mit 18 – 9,5°.

Für Zapfwellenarbeiten, Frontladen, Rangieren u. a. ergaben sich große Vorteile. Bei schweren land-wirtschaftlichen Zugarbeiten waren jedoch die Verluste im Vergleich zu Stufengetrieben zu hoch – die Firma stellte die Produktion später ein.

Das IHC-Getriebe war trotzdem eine sehr professionelle und damit an sich richtungsweisende Kon-struktion, deren Grundzüge für manche Anwendungen noch heute aktuell sind. Für moderne Stan-dardtraktoren blieben die Verluste zu hoch, weitere Einführungsversuche in dieser Richtung schlugen daher fehl, so z. B. bei Eicher (mit einem Getriebe von DOWTY) ab 1968 [2] und bei mehreren weite-ren Firmen. Bei Traktoren kam ein Durchbruch erst viel später mit hydrostatisch-leistungsverzweigten Fahrantrieben (dazu wird weiter unten berichtet).

2 Übersicht über mobile Arbeitsmaschinen mit hydrostatischen Fahrantrieben

Angewendet werden direkte hydrostatische Getriebe und solche mit äußerer Leistungsverzweigung.

Arbeitsmaschinen ohne Dauerzugkräfte

Dieses ist die rechte Gruppe in Tafel 1. Die Hydrostatik überträgt in diesen Fällen im Durchschnitt nur einen Teil der vom Dieselmotor abgegebenen Leistung, wodurch die Energieverluste nicht so stark ins Gewicht fallen und die o. g. Vorteile überwiegen. Die größten Gruppen sind die Erntemaschinen und die Stapler. Unter den Erntemaschinen arbeiten vor allem mittlere bis große Mähdrescher sowie Feld-häcksler, Rübenernter, Kartoffelernter, Mäher u.a. mit hydrostatischen Fahrantrieben.

Tafel 1: Mobile Arbeitsmaschinen mit stufenlosen hydrostati-schen Fahrantrieben

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Zum Teil schwieriger war die Einführung hydrostatischer Fahrantriebe für die links aufgeführten Ar-beitsmaschinen, weil die Motorleistung hier ausschließlich oder zumindest überwiegend zum Ziehen oder Schieben dient.

Standardtraktoren

Direkte hydrostatische Fahrantriebe sind nach wie vor zu verlustreich, da die Wirkungsgrade sich in den letzten Jahrzehnten kaum verbessern ließen. Erfolgreich sind hydrostatisch-leistungsverzweigte Konzepte.

Kleintraktoren

Die in Japan üblichen landwirtschaftlichen Traktoren haben wegen der kleinflächigen Agrarstruktur relativ kleine Leistungen und werden gleichzeitig mit hohem Zeitanteil für das Fräsen eingesetzt, bei dem fast die ganze Motorleistung über die Zapfwelle mechanisch übertragen wird. Dadurch fallen die Verluste des Fahrantriebes weniger ins Gewicht. Gleichzeitig sind japanische Kleintraktoren mit stu-fenlosen hydrostatischen Fahrantrieben in vielen Exportländern als Kommunaltraktoren und teilweise auch als „Hobbytraktoren“ beliebt, wobei der Komfort sehr hoch bewertet wird. Daher werden hier einfache hydrostatische Getriebe in großen Stückzahlen bei relativ geringen Kosten eingebaut.

Erdbewegungsmaschinen

Bei Planierraupen wird die volle Motorleistung zum Schieben eingesetzt. Direkte hydrostatische Ge-triebe haben hier trotzdem Chancen, weil man sie einerseits mit hydrodynamischen Wandlern ver-gleicht und weil sie andererseits als Einzelkettenantrieb auch zum Lenken genutzt werden können. Der stufenlose hydrostatische Einzelkettenantrieb wird daher z. B. von Liebherr erfolgreich eingesetzt. Komatsu entwickelte einen leistungsverzweigten Fahrantrieb.

Auch bei Radladern sind hydrostatische Fahrantriebe verbreitet. Sie verbessern die Manövrierfähigkeit (insbesondere beim Reversieren, Beschleunigen und Bremsen) und haben vor allem beim Einfahren der Schaufel in das Ladegut erheblich geringere Energieverluste als ein Getriebe aus hydrodynami-schem Wandler und Lastschaltgetriebe. Weniger gut schneidet die Hydrostatik u. U. bei schneller Straßenfahrt ab.

Pistenraupen und Flugzeugschlepper

Hier steht die hervorragende Manövrierfähigkeit hydrostatischer Fahrantriebe sehr im Vordergrund, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch an den Gesamtkosten keinen so großen Anteil hat.

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3 Einige Grundlagen für direkte hydrostatische Getriebe

Strukturen

Die wichtigsten Variationsmöglichkeiten sind aus Bild 1 ableitbar.

Bild 1: Strukturen stufenloser hydrostatischer Getriebe (vereinfacht)

Als Ansatzpunkte für alternative Strukturen können genannt werden:

�� Hubvolumenverstellung (primär, sekundär, kombiniert) �� Integration (Hydrostat allein oder mit Stufengetriebe) �� Zahl der Pumpen und Ölmotoren (1 oder 2, bei Motoren auch z. B. 4) �� Konstruktives Gesamtkonzept (kompakte oder aufgelöste Bauweise)

Getriebe mit Konstantpumpe und Sekundärverstellung haben keine Bedeutung. Die Kombination mit einem Stufengetriebe hat Vorteile bezüglich des Wandlungsbereiches und des Wirkungsgrad-Gesamtverlaufes. Die aufgelöste Bauweise mit Ölmotoren in Radnähe bietet hohe räumliche Flexibili-tät, schließt jedoch ein Stufengetriebe aus. Eine entsprechende Lösung wurde von Krone für selbst-fahrende Mäher und Häcksler entwickelt. Sie arbeitet mit 2 Verstellpumpen und 4 zweistufig um-schaltbaren Radialkolbenmotoren von Poclain. Die „kostenlose Differenzialwirkung“ zwischen den Achsen kann ggf. durch Entkoppelung der sonst zusammenarbeitenden Kreise erfolgen. Sperrwirkun-gen an den Achsen sind im Prinzip durch Drosselung möglich.

Grundschaltplan

Nach Bild 2 fördert eine Verstellpumpe 1 im geschlossenen Kreislauf zu einem konstanten oder ver-stellbaren Ölmotor 2. Damit ist ein stufenloses Anfahren von null und ebenso ein Reversieren des Abtriebs über Durchschwenken der Pumpe möglich mit Erreichen der höchsten Abtriebsdrehzahl bei maximalem Pumpenschwenkwinkel. Ist zusätzlich der Motor verstellbar, bleibt er meist während der

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Pumpenverstellung auf maximalem Schwenkwinkel und wird erst zur weiteren Steigerung der Ab-triebsdrehzahl bei voller Pumpenausschwenkung reduziert.

Bild 2: Grundschaltplan eines stufenlosen hydrostatischen Getriebes [7]

Weiterhin zeigt der Schaltplan typische Hilfseinrichtungen. Die kleine Konstantpumpe 3 mit dem Druckbegrenzungsventil 4 erzeugt den so genannten Speisestrom, der über Filter 5 und Rück-schlagventil 6 in die jeweilige Niederdruckseite gelangt und diese über Spülventil 7 und Druckbe-grenzungsventil 8 vorspannt. Der Speisekreislauf erhöht etwas die Energieverluste, hat aber wichtige Aufgaben [7]:

�� Leckverluste ersetzen �� hydrostatische Hilfsenergie liefern (Leitg. 2) �� Öl filtern �� Öl kühlen �� saugseitigen Vordruck erzeugen

Das von der Druckseite geschaltete Spülventil 7 schleust den überschüssigen Spülstrom automatisch aus der Niederdruckleitung. Die Druckbegrenzungsventile 10 dienen der Hochdruckabsicherung. Die dadurch gegebene Überhitzungsgefahr kann durch das Prinzip der aktiven Druckabschneidung (Pum-penrückschwenkung) verhindert werden. Die Ventile 11 ermöglichen ggf. ein Not-Ansaugen. Die Ge-triebeverstellung erfolgt heute meist elektrohydraulisch [7].

Bei bestimmten mobilen Arbeitsmaschinen kann sich ein besonders breites Spektrum der Lastdrücke ergeben. Bild 3 zeigt hierzu eine Auswertung des Verfasser von Messungen bei Claas [5] zur Belast-barkeit Rapsöl-basierter Druckflüssigkeiten. Der rechte Kollektivast repräsentiert den eigentlichen Arbeitsbetrieb, d. h. das Mähdreschen (Motorleistung geht nur z. T. in den Fahrantrieb), während der linke Teil Sondermanöver wiederspiegelt wie z. B. das Fahren mit vollem Korntank bergauf bei festem Untergrund (Motorleistung bis zu 100% im Fahrantrieb). Lastdruckkollektive können für die Auslegung hydrostatischer Getriebe eine große Hilfe sein.

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Bild 3: Lastdruckkollektiv des primär verstellten hydrostatischen Fahran-triebes eines Mähdreschers, Position zwischen Dieselmotor u. Gruppenwahlgetriebe (nach Wendorff/Renius [5, 6]), Messzeit 1124 h, Hochlastanteil etwas überdurchschnittlich

4 Leistungsverzweigte hydrostatische Getriebe

Leistungsverzweigte hydrostatische Getriebe (auch „Überlagerungsgetriebe“) werden vor allem entwi-ckelt, um den mäßigen Wirkungsgrad eines direkt arbeitenden Hydrostaten zu verbessern. Dazu wird die Eingangsleistung in einen verlustarmen mechanischen und einen hydrostatischen Pfad aufgeteilt und hinter dem stufenlosen hydrostatischen Teilgetriebe wieder zusammengeführt. In der stationären Antriebstechnik gibt es viele Anwendungen, in der Mobiltechnik neuerdings vor allem bei Traktoren. Man teilt die Konzepte zunächst grob in zwei Gruppen ein:

�� hydrostatische Getriebe mit innerer Leistungsverzweigung �� hydrostatische Getriebe mit äußerer Leistungsverzweigung

Innere Leistungsverzweigung

Sie arbeitet mit zwei Verdrängermaschinen, zwischen denen ein Teil der Leistung durch gekoppelte rotierende Gehäuse übertragen wird. Ein solches Konzept wurde z. B. 1907 von Renault vorgestellt und von Molly analysiert [8]. In den 60er Jahren gab es viele ähnliche Entwicklungen (Prototypen) für Arbeitsmaschinen, die jedoch nicht zur Serienproduktion führten. Von Nachteil sind die ungünstigen Einbaubedingungen für die Verstellung des oder der Hubvolumina. Serienmäßig eingesetzte Mobilge-triebe sind dem Verfasser nicht bekannt.

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Äußere Leistungsverzweigung

Die große Vielfalt vorgestellter Lösungen wird überschaubarer, wenn man sie entsprechend Bild 4 in die Gruppen a (Eingang gekoppelt) und b (Ausgang gekoppelt) einteilt. Die Strukturen sind spie-gelbildlich, haben aber ein unterschiedliches Betriebsverhalten. Bei a erfolgt die Verzweigung über eine Zahnradstufe (festes Drehzahlverhältnis) und ausgangsseitig über ein Standard-Planetengetriebe (feste Momentenverhältnisse). Bei b ist es umgekehrt. Der zusätzliche Freiheitsgrad erlaubt beim Pla-netengetriebe entweder den Antrieb an zwei Eingängen mit beliebigen Drehzahlen (links zur Summie-rung genutzt) oder den Abtrieb an zwei Ausgängen mit variablem Drehzahlverhältnis bei konstanter Eingangsdrehzahl (rechts zur Verzweigung genutzt). Das linke Konzept wurde z. B. Anfang der 70er Jahre von Sundstrand (USA) für das Lkw-Getriebe „Responder“ benutzt [11], das jedoch trotz großer Anstrengungen den Durchbruch nicht schaffte (Wirkungsgrade in [12]). Das rechte Konzept wird bei Arbeitsfahrzeugen seit Anfang 1996 von Fendt serienmäßig eingesetzt, hierauf wird weiter unten eingegangen.

Bild 4: Zwei wichtige Grundkonzepte für stufenlose hydrostatische Getriebe mit äußerer Leis-tungsverzweigung [7, 9, 10]

5 Wirkungsgrade hydrostatischer Fahrantriebe für Arbeitsmaschinen

Übersicht

Zu unterscheiden ist zwischen den folgenden Wirkungsgradangaben:

�� Volllastwirkungsgrad oder Gesamtkennfeld für die Wandlereinheit �� Volllastwirkungsgrad oder Gesamtkennfeld für den Getriebe-Antriebsstrang

Ferner ist zwischen direkten und leistungsverzweigten Getrieben zu differenzieren.

Wirkungsgrade direkter Getriebe

Angaben aus Veröffentlichungen sind rar. Einen ersten Einblick kann folgende Abschätzung für ein Getriebe mit sehr kurzen Rohrleitungen geben: Hat eine Schrägscheibenpumpe einen Bestwert von 91% und ein Schrägachsenmotor einen solchen von 92%, ergibt das Produkt 83,7%. Zieht man davon

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3% für die Speisepumpe und die Strömungsverluste zwischen den Einheitenab (ist eher wenig), ver-bleibt ein Bestwert von etwa 81%. Zu diesem Faustwert paßt das Ergebnis einer Verlustanalyse, die der Verfasser für das in Kap. 1 angesprochene Getriebe auf der Basis von Angaben seitens Sund-strand/USA (Hydraulik) und IHC (Struktur aller Zahnradstufen) erarbeitet hat, Bild 5 [14].

Bild 5: Volllastwirkungsgrade für das in Kap. 1 bespro-chene IHC-Getriebe, In Stufe L liegen im An-triebsstrang 4 Zahnradstufen, in H dagegen nur 2 (Kegeltrieb und Endantrieb)

Dieses Niveau dürfte für sehr viele Anwendungen von direkten hydrostatischen Fahrantrieben bei mobilen Arbeitsmaschinen etwa typisch sein (kleine Getriebe eher ungünstiger, große eher günstiger, insbesondere bei Weitwinkelmaschinen).

Vergleicht man diese Wirkungsgrade mit denen hydrodynamischer Wandler, sind deren Bestwerte z. T. etwas höher, dafür ist der Gesamtverlauf bei der Hydrostatik flacher und damit insgesamt oft vor-teilhafter.

Regeln zur Verlustreduzierung

Nach [7] gelten folgende Empfehlungen:

�� Primär- und Sekundärverstellung einsetzen �� Einheiten mit großen Schwenkwinkeln bevorzugen �� Wenigstens die Ölmotoren in Schrägachsenbauweise wählen �� Sekundäres Schluckvolumen größer als das der Pumpe(n) machen �� Mäßige Eingangsdrehzahlen einplanen �� Dauerdrücke (Haupt-ED) über 200-250 bar vermeiden �� Druckabschneidung durch Pumpe (statt DBV) vorsehen �� Strömungs- und Eintauchverluste kontrollieren (messen/optimieren) �� Speisekreislauf optimieren (Ölstrom, Speisedruck) �� Zusatzstufen vorsehen.

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Weitere Verbesserungen sind mit Leistungsverzweigung erreichbar. Der in Bild 6 gezeigte Volllast- Wirkungsgrad des Antriebsstrangs wurde mit Hilfe von Messergebnissen [17] und Modellen [18] abge-schätzt [15] (Zielfunktion nach [19]). Damit liegt man im unteren Bereich von konkurrierenden Vielstu-fen-Volllastschaltgetrieben (Konzepte ohne Strömungswandler). Das sehr gute Ergebnis erreichte man vor allem durch einen relativ kleinen hydrostatischen Leistungsanteil. Da der Wandlungsbereich dadurch klein war, wurde die Leistungsverzweigung mit 8 unter Last schaltbaren Fahrbereichen kom-biniert. Bei der Nachfolge-Entwicklung Claas TRAXION erhöhte man den hydrostatischen Leistungs-anteil etwas, um mit weniger Fahrstufen (und Schaltungen) auszukommen (siehe auch Bild 9).

Bild 6: Volllastwirkungsgrade für ein hydrostatisch-leistungsverzweigtes Ge-triebe, Bauart Claas „HM8“ mit 8 unter Last schaltbaren Fahrberei-chen (s. Kap. 6)

6 Beispiele für direkte und leistungsverzweigte hydrostatische Getriebe

Direktes hydrostatisches Getriebe für Radlader

Der in Bild 7 gezeigte Antrieb „2plus2“ wurde von Liebherr gemeinsam mit Bosch-Rexroth und Da-na-Spicer für die obere Liebherr Radlader-Baureihe L544 bis L580 (2002) entwickelt. Eine Schräg-scheiben-Verstellpume arbeitet mit zwei Schrägachsen-Motoren zusammen. Deren Größe und Anordnung am lastschaltbaren Zusatzgetriebe erlaubt drei stufenlose Fahrbereiche mit ruckfreien Übergängen. Durch das Baukastenprinzip kommt man für vier Nennleistungen mit zwei Pumpen- und drei Motorgrößen aus. Die Vorteile gegenüber dem Vergleichskonzept „hydrodynamischer Wand-ler plus Lastschaltgetriebe“ betreffen nach Erfahrungen von Liebherr vor allem Kraftstoffeinsparungen und elegantere Strategien für Steuerung und Regelung [20, 21]. Der Verfasser schätzt, dass die Voll-astwirkungsgrade dieses Antriebs in den Bestpunkten gleich oder geringfügig besser sind als nach Bild 5, aber im Einsatz über einen Ladezyklus besser abschneiden als bei hydrodynamischen Antrie-ben.

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Bild 7: Moderner hydrostatischer Fahrantrieb für Radlader mit Daten (Baukasten) für vier Nennleistungen (nach Liebherr)

Hydrostatisch-leistungsverzweigtes Getriebe für Traktoren

Anfang 1996 führte Fendt den Großtraktor „Favorit 926 Vario 926“ (191 kW) mit hydrostatisch-leistungsverzweigten Getriebe in Serie ein. Die Entwicklung wird ausführlich in [22], die Schaltung in [23] beschrieben. Inzwischen werden 4 Baureihen von Fendt und eine von MF damit ausgerüstet. Nach Wissen des Verfassers handelt es sich damit um das weltweit erste hydrostatisch-leistungsverzweigte Getriebe für Off-Road-Anwendungen, das große Stückzahlen erreichte. Das in Bild 8 nach [24] wiedergegebene Konzept zeigt den einfachen Aufbau (nach Bild 4 mit Sekundärkop-pelung) und nachgeordnetem Gruppenwahlgetriebe für zwei Fahrbereiche L und H. Beim Anfahren geht die gesamte Eingangsleistung in die Hydrostatik, ihr Anteil verringert sich mit steigender Fahrge-schwindigkeit. Die Wirkungsgrade werden zusätzlich zur Leistungsverzweigung durch zwei weitere Maßnahmen verbessert (siehe o. g. Regeln): Erstens wird ein Gruppenwahlgetriebe für zwei Fahrbe-reiche nachgeordnet. Zweitens werden speziell für dieses Getriebe entwickelte Weitwinkel-Schrägachsen-Axialkolbenmaschinen ( Fendt / Sauer-Sundstrand, Schwenkwinkel max. 45°) mit un-gewöhnlich geringen Verlusten eingesetzt [7, 22]. Dadurch ergeben sich für das Gesamtgetriebe trotz hohen hydrostatischen Leistungsanteils sehr gute Wirkungsgrade. Die Verluste sind nach Messungen eines neutralen Testinstitutes kaum größer als die von diesbezüglich guten Vielstufen-Lastschaltgetrieben. Die zusätzlichen Fortschritte der digitalen Elektronik (Bordrechner, CAN-Bus) ermöglichen ähnlich wie beim vorigen Beispiel auch hier neue Automatisierungsstrategien bezüglich Produktivität und Energieeinsparung und einen nie zuvor gekannten Arbeitskomfort.

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Bild 8: Traktorgetriebe Fendt „Vario“ (ML 200, 1996), Geschwindigkeiten rückwärts 32 bis vorwärts 50 km/ mit Vollastwirkungsgrad [22] und Zielfunktion nach [19]

Weitere hydrostatisch-leistungsverzweigte Getriebe für Traktoren

Der große Erfolg von Fendt beschleunigte parallele Entwicklungen der Firmen Claas [25], ZF [26] und Steyr [26, 27] sowie eine zeitlich etwas versetzte Neuentwicklung von J. Deere [28]. Vergleichende Daten zu diesen Getrieben (außer zu J. Deere) findet man in [29]. Alle erwähnten Getriebe arbeiten mit primärer Kopplung und mehreren Fahrbereichen. Eine sehr interessante Besonderheit besteht bei Claas und Steyr (heute Steyr-ZF) darin, dass zwischen den Fahrbereichen nicht mit Reibungskupp-lungen, sondern mit elektronisch synchronisierten Klauenkupplungen geschaltet wird, ohne dass der Kraftfluß unterbrochen wird. Die Entwicklung einer entsprechenden zuverlässigen und schnellen Schaltung war sehr langwierig aber im Hinblick auf reduzierte Leerlaufverluste unbelasteter Kupp-lungslamellen interessant. Die Umschaltung ist heute so perfekt, dass sie der Fahrer bei langsamen Geschwindigkeitsänderungen nicht bemerkt. Nur bei sehr starken Beschleunigungen des leeren Fahr-zeugs aus dem Stillstand heraus gibt es kleine Sattelpunkte im Geschwindigkeitsverlauf, weil die Ü-bersetzung kurzzeitig konstant gehalten werden muss, Bild 9. Die maximale Beschleunigung beim ersten Umschaltpunkt sollte daher nicht zu hoch bzw. die Geschwindigkeit nicht zu niedrig sein (hier 8 km/h).

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Bild 9: Schaltverhalten des hydro-statisch-leistungs-verzweigten Traktorgetriebes Steyr „S-Matic“ mit Klauen für die Be-reichsumschaltung in Synchronpunkten, Beschleunigte Straßenfahrt, Traktor mit 120 kW Nennleistung und 6500 kg Masse

Eine andere Besonderheit betrifft das neue hydrostatisch-leistungsverzweigte Getriebe von J. Deere. Es verwendet Weitwinkel-Schrägachseneinheiten (45°, ähnlich wie für Fendt von Sauer-Danfoss), während ZF, Steyr und Claas mit Schrägscheibenmaschinen arbeiten.

Beispiel eines hydrostatisch-leistungsverzweigten Getriebes für Planierraupen

Etwa gleichzeitig mit Fendt entwickelte Komatsu ein hydrostatisch-leistungsver-zweigtes Getriebe für leistungsstarke Planierraupen [30] mit einem Geschwindigkeitsbereich von z. B. 11,2 Km/h vorwärts bis 13,9 km/h rückwärts (Typ D 155AX-3 Super, 225 kW). Das entsprechend der Definition von Bild 4 primär gekoppelte Getriebe arbeitet mit insgesamt 5 Fahrbereichen: je zwei leistungsverzweigte vor-wärts und rückwärts und ein zusätzlicher direkter hydrostatischen Antrieb zum Reversieren. Zusätzlich ist eine vom Fahrgetriebe unabhängige hydrostatische Überlagerungslenkung [7] vorhanden. Das Fahrgetriebe wird in kleinen Stückzahlen in Serie gebaut und soll nach Firmenangaben gute Wir-kungsgrade haben.

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Quellen

Der vorliegende Beitrag wurde auf der VDI-Tagung "Antriebssysteme für Off-Road-Einsätze" vorge-tragen. Weitere Beiträge sind dem VDI-Bericht Nr. 1793, 2003, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf zu ent-nehmen.

[1] Renault, L.: Deutsches Reichspatent Nr. 222 301, 22.12.1907

[2] Renius, K.Th.: Stufenlose Drehzahl-Drehmoment-Wandler in Ackerschlepperge-trieben. Grundl. Land-technik 19 (1969) H.4, S. 109-118 (darin 102 weitere Lit.).

[3] Nimbler, W.: Stapler mit hydrostatischem Fahrantrieb. O+P – Ölhydr. Pneum. 8 (1964) H.6, S. 227-232.

[4] Asmus, R.W. und W.R. Borghoff: Hydrostatic Transmissions in Farm and Light Industrial Tractors. SAE paper 690570 (1968).

[5] Wendorff,J.: Daueruntersuchung von Hydraulikölen auf Rapsölbasis in Mähdreschern und selbstfah-renden Feldhäckslern. Tagg. Ostfildern (Nellingen) 1.- 3.2.1995.

[6] Renius, K.Th.: Vorlesung Gestaltung von Landmaschinen. TU München 1995.

[7] Matthies, H.J. und K.Th. Renius: Einführung in die Ölhydraulik. 4. Auflage. Wiesbaden: Teubner-Verlag 2003.

[8] Molly, H.: Hydrostatische Fahrzeugantriebe – ihre Schaltung und konstruktive Gestaltung. ATZ 68 (1966) H. 4, S. 103-110 (Teil I) und H. 1o, S. 339-346 (Teil II).

[9] Browning, E.P.: Design of Agricultural Tractor Transmission Elements. ASAE Lecture Series No. 4. St. Joseph, MI, USA: American Soc. of Agric. Engineers 1978.

[10] Jarchow, F.: Hydrostatische Getriebe. VDI-Z. 111 (1969) H. 4, S. 222-227.

[11] Ross, W.A.: Designing a hydromechanical transmission for heavy trucks. SAE paper Nr. 720 725 (1972).

[12] Renius, K.Th.: Neuere Getriebekonzeptionen für landwirtschaftliche Schlepper. Grundl. Landtechnik 24 (1974) H. 2, S. 41-46.

[13] Dziuba, P.F. und R. Honzek: Neues stufenloses leistungsverzweigtes Traktorgetriebe. Agrartechn. Forsch. 3 (1997) H. 1, S. 19-27.

[14] Renius, K.Th.: Getriebe für Arbeitsmaschinen. Vorlesung TU München WS 2002/2003.

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Renius, K.Th.: Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen WISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

[15] Renius, K.Th. und B. Vahlensieck: Wirkungsgrade stufenloser Traktor-Fahrantriebe. Landtechnik 51 (1996) H. 5, S. 248-249.

[16] Jarchow, F.: Stufenlos wirkendes hydrostatisch-mechanisches Lastschaltgetriebe für Traktoren. Ta-gung „Zahnradgetriebe“ Dresden 1989. Tagungsband I, S. 77-99.

[17] Emamdjomeh, N.: Vergleiche von Lastschaltgetrieben mit konstanten oder stufenlosen hydrostati-schen Gangübersetzungen für Traktoren. Diss. Ruhr-Universität Bochum 1993.

[18] Reiter, H.: Verluste und Wirkungsgrade bei Traktorgetrieben. Fortschritt-Ber. VDI Reihe 14, Nr. 46. Düsseldorf: VDI-Verlag 1990.

[19] Renius, K.Th.: Stufenlose Fahrantriebe für Traktoren. Landtechnik 50 (1995) H.5, S. 254 und 255.

[20] Göllner,. W.: Vom hydarulischen automotiven Fahrregler zum mikroprozessorgeregelten Antrieb. O+P Ölhydr. Pneum. 35 (1991) H.11, S. 836-839.

[21] Rinck, S.: Moderne hydrostatische Antriebssysteme mit Mikroprozessorsteuerungen für mobile Ar-beitsmaschinen. O+P Ölhydr. Pneum. 43 (1999) H.3, S. 154, 157, 158, 160 und 162.

[22] Dziuba, P.F. und R. Honzek: Neues stufenloses leistungsverzweigtes Traktorgetriebe. Agrartechn. Forsch. 3 (1997) H. 1, S. 19-27.

[23] Holländer, C., T. Lang, A. Römer und G. Tewes: Hydraulik in Traktoren und Landmaschinen. O+P 40 (1996) H. 3, S. 162-164, 166-168 und 171-174.

[24] Renius, K.Th. und M. Brenninger: Motoren und Getriebe bei Traktoren. In: Jahrbuch Agrartechnik 9 (1997) S. 57-61 und 171-174.

[25] Renius, K.Th. und M. Koberger: Motoren und Getriebe bei Traktoren. In: Jahrbuch Agrartechnik 13 (2001), S. 43-47 und 263-264. Münster: Landwirtschaftsverlag 2001.

[26] Renius, K.Th. und H. Böhler: Motoren und Getriebe bei Traktoren. In: Jahrbuch Agrartechnik 10 (1998) S. 56-60 und 238-240. Münster: Landwirtschaftsverlag 1998.

[27] Renius, K.Th. und R. Resch: Motoren und Getriebe bei Traktoren. In: Jahrbuch Agrartechnik 14 (2002), S.48-54 und 233-235. Münster: Landwirtschaftsverlag 2002.

[28] Renius, K.Th. und R. Mölle: Traktoren 2001/2002. ATZ 104 (2002) H. 10, S. 882-889.

[29] Lang, T., A. Römer und J. Seeger: Entwicklungen der Hydraulik in Traktoren und Landmaschinen. O+P Ölhydr. Pneum. 42 (1998) H. 2, S. 87-94.

[30] Mitsuya, H. et al.: Development of Hydromechanical Transmission (HMT) for Buldozers. SAE paper 941 722 (1994).

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Autor

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karl Th. Renius Technische Universität München Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik Bolzmannstr. 15, 85748 Garching Tel.: +49 (0)89/28915867 Fax: +49 (0)89/28915871 e-mail: [email protected] Internet: www.ltm.mw.tum.de

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