Vorschlag für ein teilstufenloses Antriebskonzept für schwere Nutzfahrzeuge

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1 Vorschlag für ein teilstufenloses Antriebskonzept für schwere Nutzfahrzeuge Dipl.-Ing. K. Steindorff, Dipl.-Ing. T. Fleczoreck, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H.-H. Harms Technische Universität Braunschweig Schwere Nutzfahrzeuge unterliegen vielfältigen Einsatzbedingungen wie langen Konstantfahrten (z.b. Autobahnfahrt von reinen Transportfahrzeugen), Start-Stopp-Betrieb (z.b. Müllfahrzeuge und Nahverkehrsbusse) oder Kurzstrecken-Betrieb mit größeren Stillstandszeiten (z.b. Baustellenfahrzeuge, Feuerwehrfahrzeuge). Die unterschiedlichen Einsatzbedingungen der Fahrzeuge haben zu einer großen Vielfalt an Dieselmotorleistungen sowie Getriebe- und Achsantriebsvarianten geführt. In schweren Nutzfahrzeugen werden überwiegend Stufengetriebe eingesetzt, die je nach Einsatzbedingungen mit einer ein- bis zweistelligen Zahl an Schaltstufen ausgerüstet sind. Zum Einsatz kommen dabei manuell, halbautomatisch und auch vollautomatisch geschaltete Getriebe mit und ohne hydrodynamische Wandler. Bei mobilen Arbeitsmaschinen treten sehr unterschiedliche Arbeitsbedingungen auf. Daher haben sich hier neben Getriebevarianten, ähnlich wie denen in Nutzfahrzeugen, noch weitere Getriebevarianten etablieren können, insbesondere solche mit stufenloser Übersetzungsverstellung. Im Zuge stetig steigender Rohstoffpreise und des erhöhten Bewusstseins für die CO 2 - Problematik in der Öffentlichkeit ist ein energieeffizienter Antrieb von immer größerer Bedeutung. Bei schweren Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen übersteigt der Anteil der über die Produktlebensdauer zu investierenden Kraftstoffkosten häufig die Anschaffungskosten des Fahrzeugs um ein Vielfaches. Das hat zur Folge, dass sich bei diesen Fahrzeugen der Einsatz effizienterer und damit unter Umständen teurerer Getriebe eher rechnet als etwa im PKW. Ein Beispiel dafür ist die Etablierung der stufenlosen Getriebetechnik im Traktorenbau. In diesem Beitrag wird herausgestellt, dass es Fahrzeuge gibt, für die aufgrund ihres Einsatzprofils ein teilstufenloses Getriebe am sinnvollsten erscheint. Ein solches Getriebekonzept wird im Folgenden vorgestellt. Das Ziel des neuen Konzeptes ist es, bei geringen Fahrgeschwindigkeiten eine stufenlos verstellbare Übersetzung zu realisieren und bei höheren Geschwindigkeiten die Eigenschaften eines Schaltgetriebes insbesondere im Hinblick auf den Getriebewirkungsgrad zu adaptieren. Anforderungen an das Getriebe Die Anforderungen, die ein schweres Nutzfahrzeug oder eine mobile Arbeitsmaschine an das Getriebe stellen, sind sehr differenziert und werden maßgeblich vom Einsatzzweck des Fahrzeugs bestimmt. Anhand einiger Beispiele soll dies im Folgenden näher ausgeführt werden. 1

2 Ein Traktor wird für vielfältige Tätigkeiten eingesetzt. Den größten Anteil machen dabei Arbeitsprozesse aus, die über reine Transportaufgaben hinausgehen (siehe Bild 1). Bei diesen Tätigkeiten stehen vor allem folgende Forderungen an das Getriebe im Vordergrund: Bereitstellung hoher Zugkräfte, eine an den Arbeitsprozess anpassbare Geschwindigkeit, ein zugkraftunterbrechungsfreier Betrieb, Möglichkeit der Langsamfahrt ohne Kupplungsschleifen und eine Entkoppelung der Geschwindigkeit von der Motordrehzahl. Die Entkoppelung der Geschwindigkeit von der Motordrehzahl ist beim Traktor vor allem deswegen gewünscht, da der Traktor für viele Arbeitstätigkeiten zusätzlich Leistung über die Zapfwelle an ein Arbeitsgerät abgibt, welches für einen optimalen Arbeitsprozess eine relativ konstante Antriebs- und damit auch Dieselmotordrehzahl erfordert. Bild 1: Durchschnittliche Verteilung der Einsatzzeiten von Traktoren in Westdeutschland für Betriebe mit ha Fläche (ohne Lohnunternehmer und Gründlandbetriebe) [10] Ein hauptsächlich im Fernverkehr eingesetzter LKW stellt gänzliche andere Anforderungen an das Getriebe. Insbesondere ist hier ein hoher Getriebewirkungsgrad gerade in seinem Hauptbetriebsbereich gefordert. Dabei können die Gänge so ausgelegt werden, dass bei diesen Geschwindigkeiten der Dieselmotor im energetisch günstigen Bereich betrieben werden kann. [9] Bei einem recht konstanten Betrieb des Fahrzeugs bei ca. 80 bis 90 Stundenkilometern bietet es sich an, das Getriebe dahingehend zu optimieren und die Getriebeübersetzungen besonders im Hinblick auf eine hohe Effizienz in diesem Bereich auszulegen. Unter dem Aspekt der Nutzlastmaximierung spielt hier auch die Masse des Getriebes eine wichtigere Rolle als bei anderen Fahrzeugen. Zusammenfassend sind die wichtigsten Anforderungen: Ein hoher Getriebewirkungsgrad in einem speziellen Betriebsbereich und möglichst keine Nutzlasteinbußen durch ein hohes Getriebeeigengewicht. Doch es gibt auch Fahrzeugtypen, die deutlich heterogenere Anforderungen an das Getriebe stellen. So erfordern Müllfahrzeuge auf der einen Seite eine möglichst hohe Effizienz im Stop & Go- Arbeitsbetrieb und auf der anderen Seite eine günstige Transportcharakteristik für die, möglicherweise sehr langen, Konstantfahrten von und zum Abladeort. 2

3 Bild 2: Lage der Betriebspunkte im Motorkennfeld bei einem Müllfahrzeug In Bild 2 ist gezeigt, in welchen Betriebspunkten der Dieselmotor bei einem typischen Zyklus eines Müllfahrzeugs betrieben wird. Die Darstellung beruht auf den Ergebnissen einer Simulation, in der ein typischer Müllfahrzeugzyklus betrachtet wurde. Es wird deutlich, dass eine Häufung von angefahrenen Betriebspunkten im Bereich geringer Leistungen und niedriger Drehzahlen (Arbeitsbetrieb) auftritt, sowie eine weitere Häufung im Bereich mittlerer Drehzahlen und höherer Leistungen (Transportfahrten). Die Anforderungen eines Müllfahrzeugs an das Getriebe sind demnach in erster Linie: Ein effizienter und verschleißarmer Betrieb im Stop & Go-Arbeitsbereich und hohe Effizienz bei längeren Konstantfahrten. Ebenso heterogen sind die Betriebsbedingungen einer Großkehrmaschine. Diese auf einem LKW- Chassis aufgebauten mobilen Arbeitsmaschinen müssen einerseits im Kehrbetrieb mit einer konstant langsamen Geschwindigkeit betrieben werden, andererseits müssen die Anfahrten zum Einsatzort erfolgen. Je größer das Fahrzeug ist, umso länger sind tendenziell auch der Aktionsradius und damit die Anfahrten. Übersicht über aktuell eingesetzte Getriebevarianten Für die unterschiedlichen Anwendungen bei schweren Nutzfahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen haben sich verschiedene Getriebevarianten etabliert. So sind insbesondere im LKW-Bereich Schaltgetriebe nach wie vor aufgrund ihres relativ guten Wirkungsgrades und einfachen Aufbaus häufig die erste Wahl. Sie werden als manuelle, teilautomatisierte und vollautomatisierte Varianten eingesetzt, welche sich durch den Automatisierungsgrad in Bezug auf die Gangwahl und den Kupplungsvorgang unterscheiden. Als besonders vorteilhaft ist der, verglichen mit anderen Getriebevarianten, relativ hohe Getriebewirkungsgrad von Schaltgetrieben zu nennen. Aufgrund der mechanischen Kopplung zwischen Motor- und Raddrehzahl muss bei sehr langsamen Geschwindigkeiten unter Umständen systembedingt jedoch eine Drehzahlwandlung mit Hilfe der Kupplung stattfinden, was zu einem weder energetisch noch in Hinblick auf Verschleißaspekte sinnvollen Zustand führen würde. 3

4 Abgesehen von Lastschaltgetrieben bei mobilen Arbeitsmaschinen und den in den letzten Jahren auch im PKW mehr und mehr eingesetzten Doppelkupplungsgetrieben ist ein zugkraftunterbrechungsfreier Betrieb mit einem Schaltgetriebe nicht möglich. Bei hohen Geschwindigkeiten, die beispielsweise bei einem im Fernverkehr eingesetzten LKW den Großteil des Fahrzyklus ausmachen, fällt die Relevanz einer zugkraftunterbrechungsfreien Schaltung aufgrund der hohen Fahrzeugträgheit geringer aus. Aufgrund ihrer Eigenschaften bieten sich Schaltgetriebe daher besonders für Fahrzeuge an, die aufgrund ihres Einsatzes konstante, hohe Geschwindigkeitsprofile aufweisen. Anders bei Wandlerautomatikgetrieben. Sie setzen sich aus einem hydrodynamischen Drehmomentwandler und nachgeschalteten Planetenschaltstufen zusammen. Die Gänge werden über Lamellenkupplungen geschaltet, so dass zugkraftunterbrechungsfreie Schaltvorgänge möglich sind. Der Drehmomentwandler ermöglicht in der Wandlerphase eine stufenlose Drehzahl- und Drehmomentenwandlung zwischen Pumpen- und Turbinenrad. Es wird also bei geringen, wechselnden Geschwindigkeiten ein nahezu verschleißfreier, komfortabler Fahrbetrieb möglich. Daher findet sich diese Getriebeart häufig in Müllfahrzeugen oder Baumaschinen wie Radladern wieder. Problematisch ist dabei, dass insbesondere der Wandlerbetrieb energetisch ungünstig ist. Eine Wandlerüberbrückungskupplung kann diesen Nachteil teilweise kompensieren. Ein Sonderfall der Wandlerautomatikgetriebe sind die Differenzialwandlergetriebe, die im Gegensatz zu den herkömmlichen Wandlergetrieben einen hydrodynamisch-mechanisch verzweigten Leistungsfluss aufweisen. Sie finden unter anderem Einsatz in Stadtbussen [3]. Bei den mobilen Arbeitsmaschinen sind die Arbeitsbedingungen noch diversifizierter. Daher haben sich hier neben den beschriebenen Getriebevarianten, ähnlich denen in Nutzfahrzeugen, noch weitere Getriebevarianten etablieren können, insbesondere solche mit stufenloser Übersetzungsverstellung. Zu nennen sind hier hydrostatische, elektrische und in den letzten Jahren auch vermehrt hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigt aufgebaute Konzepte. Selbst Hybridantriebe sind in letzter Zeit vorgestellt worden, so zum Beispiel ein Hybridradlader von Atlas Weyhausen in Kooperation mit Deutz [8], [11]. In einem gemeinsamen Projekt der Hochschulen in Braunschweig, Aachen, Dresden und Karlsruhe wurden verschiedene Antriebsstrangvarianten mobiler Arbeitsmaschinen, wie in Bild 3 gezeigt, untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass leistungsverzweigte Getriebe das größte Potenzial zur Verminderung des CO 2 -Ausstoßes zu haben scheinen [5]. 4

5 Bild 3: Antriebskonzepte mobiler Arbeitsmaschinen [2] Die stufenlosen Getriebe bieten gegenüber in Stufen zu schaltenden Getrieben eine Reihe von Vorteilen. Ein stufenloses Getriebe erlaubt durch eine kontinuierliche Anpassung des Übersetzungsgrads eine optimale Einstellung der Dieselmotordrehzahl an den jeweiligen Lastzustand des Antriebs. Hiermit kann für jede Geschwindigkeit und jeden Lastzustand ein verbrauchsoptimaler Betriebspunkt des Dieselmotors erreicht werden (verbrauchsoptimierte Getrieberegelung). Ein weiterer Vorteil ist, dass es selbst unter Last möglich ist, die Übersetzung optimal zu verstellen. Bei schwerer Zugarbeit, z.b. eines Traktors, kann nach Bedarf die Drehzahl des maximal zur Verfügung stehenden Drehmoments eingestellt und konstant gehalten werden (drehmomentoptimierte Getrieberegelung). Darüber hinaus ist es möglich, den Fahrer durch eine vollautomatische Motor- und Getriebesteuerung wie bei einem vollautomatischen Getriebe mit hydrodynamischem Wandler von der Wahl des richtigen Ganges zu entlasten, so dass er sich komplett auf die Steuerung des Fahrzeugs, den Verkehrsfluss und den Arbeitsprozess konzentrieren kann. Des Weiteren ist die Realisierung eines Kriechganges möglich, um dadurch beispielsweise den Arbeitsvorgang einer Kehrmaschine bei minimaler Motordrehzahl zu optimieren. Speziell im Hinblick auf Nutzfahrzeuge sind noch weitere Vorteile von Stufenlosgetrieben zu nennen. Bei Bergfahrten kann die maximale Dieselmotorleistung ohne den Einfluss von Zugkraftlücken genutzt werden. Dies verhindert Geschwindigkeits- und damit Zeitverluste an starken Steigungen durch unpassende Gangabstufungen. Die durch einen Schaltvorgang bedingten Zugkraftunterbrechungen entfallen bei einem stufenlosen Getriebe, wodurch ein kontinuierlicher Kraftverlauf beim Beschleunigen und beim Abbremsen durch das Motorschleppmoment gegeben ist und somit eine Verbesserung der Fahrdynamik ermöglicht wird. Bei Beschleunigungsphasen kann entweder während des gesamten Beschleunigungsvorgangs mit maximaler Motorleistung beschleunigt werden oder es kann mit einer verringerten Dieselmotorleistung in einem verbrauchsoptimalen Betriebspunkt des Dieselmotors beschleunigt werden. Zusätzlich ist es möglich, eine automatische Schubmomentenregelung zu implementieren, so dass bei Talfahrt das 5

6 Motorschleppmoment bei optimaler Drehzahl des Dieselmotors nutzbar ist. Dies kann für die Dauerbremsung des Fahrzeugs bei langen Gefällestrecken eingesetzt werden. Den hier genannten Vorteilen stufenloser Getriebe stehen allerdings auch einige Nachteile gegenüber. So weisen stufenlose Getriebe aufgrund ihres Aufbaus mit einem stufenlosen Variator (hydraulisch, elektrisch oder mechanisch) allgemein einen geringeren Wirkungsgrad gegenüber konventionellen Stufengetrieben auf. Zudem zeichnen sie sich durch eine höhere Komplexität aus, die zu höheren Kosten und unter Umständen zu einem erhöhten Gewicht des stufenlosen Getriebes gegenüber einem konventionellen Schaltgetriebe führt. Unter bestimmten Umständen aber je nach Einsatzzweck des Fahrzeugs überwiegen die Vorteile gegenüber den Nachteilen. Zu nennen sind hier zum Beispiel Radlader, wo hydrostatische Antriebe eindeutige Vorteile gegenüber den noch häufig verwendeten Wandlerautomatikgetrieben aufweisen [7] und sich in vielen Leistungsbereichen durchgesetzt haben. Ein weiteres Beispiel sind die Traktoren. Hier haben sich in den letzten Jahren stufenlose hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebe als Standard etabliert. Die beschriebene Charakteristik von stufenlosen Getrieben lässt den Schluss zu, dass sie sich insbesondere für Fahrzeuge eignen, die langsame Arbeitsprozesse zu absolvieren haben oder stark schwankenden Geschwindigkeiten unterliegen. Der tendenziell schlechtere Getriebewirkungsgrad gegenüber Schaltgetrieben kann unter diesen Betriebsbedingungen von den zuvor genannten Vorteilen kompensiert werden. Bei Fahrzeugen, die hauptsächlich höhere Geschwindigkeiten fahren, scheinen Stufenlosgetriebe derzeit gegenüber einfachen Schaltgetrieben im Nachteil zu sein. Darüber hinaus gibt es Fahrzeuge, die aufgrund ihres Einsatzzweckes mehrere Hauptbetriebsbereiche aufweisen und bei denen in einem Arbeitsbereich die Eigenschaften eines stufenlosen Antriebs wünschenswert wären und in einem anderen Arbeitsbereich die eines Schaltgetriebes. Am Beispiel einer Kehrmaschine sei kurz dargelegt, wie dieses Problem heute gelöst wird: Es wird ein konventionelles Schaltgetriebe für die Fahrten zum Einsatzort (Transportbetrieb) eingebaut und ein hydrostatischer Antrieb aufgesetzt, der im Kehrbetrieb (Arbeitsbetrieb) die Funktion des Getriebes übernimmt. In Bild 4 ist der Antriebsstrang einer solchen Großkehrmaschine (Arbeitsbetrieb aktiv) dargestellt. Bild 4: Antriebsstrang einer Großkehrmaschine mit dem HZA Duodrive von ZF [6] 6

7 Im Transportbetrieb fließt die Leistung des Dieselmotors (1) in das mechanische Hauptgetriebe (2), wird dort gewandelt und läuft über das Verteilergetriebe (5) zur Antriebsachse (6). Das hydrostatische Getriebe bestehend aus der Verstellpumpe (3) und dem Hydromotor (4) ist dabei nicht in Gebrauch. Im Arbeitsbetrieb dagegen wird die Drehzahl-/ Drehmomentwandlung mit Hilfe der Hydrostaten realisiert und damit ein komfortabler und effektiver Kriechgang ermöglicht. Im Folgenden soll das in [1] beschriebene VDC-Getriebe der Firma Hofer (Bild 5) kurz vorgestellt werden, dessen Aufbau die Idee des hier vorgestellten teilstufenlosen Getriebekonzeptes initiiert hat. Es basiert auf einem mechanischen Doppelkupplungsgetriebe mit hydrostatischer Überlagerung in einfacher Leistungsverzweigung. Durch Verstellen des Pumpenschwenkwinkels wird die Übersetzung des hydrostatischen Getriebes verändert. Die Übersetzungssprünge zwischen den mechanischen Gängen werden damit stufenlos durchfahren und dadurch insgesamt eine durchgängig stufenlose Übersetzungsverstellung möglich. Bild 5: Hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigtes Doppelkupplungsgetriebe Hofer VDC nach Aitzetmüller et. al.[1] Das Getriebe verfügt über drei Vorwärtsfahrbereiche und einen Rückwärtsfahrbereich. Beim Anfahren wird das Hohlrad (1) des Planetengetriebes festgebremst, was zur Folge hat, dass die komplette Antriebsleistung rein hydrostatisch übertragen wird. Dieser zusätzliche hydrostatische Fahrbereich ermöglicht es, die Vorteile der Hydrostatik wie feinfühliges Rangieren, Betrieb bei Kriechgeschwindigkeiten oder einfaches reversieren zu nutzen. Für höhere Geschwindigkeiten werden die leistungsverzweigten Fahrbereiche aktiviert und der mechanische Leistungsanteil wird über die obere Welle auf das Hohlrad übertragen. Im Planetengetriebe werden der hydrostatische (Sonnenrad, 3) und der mechanische (Hohlrad, 1) Leistungsanteil summiert und auf den Getriebeausgang (Steg, 2) gegeben. Innerhalb eines mechanischen Fahrbereiches wird die Getriebeübersetzung durch Veränderung der Hydromotor- und damit der Sonnenraddrehzahl stufenlos an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Dargestellt im Geschwindigkeits-Drehzahl-Diagramm ergibt sich für ein Getriebe nach dem Schema des VDC-Getriebes das in Bild 6 gezeigte Bild. Die gezeigten Übersetzungen entsprechen lediglich qualitativ denen des VDC-Getriebes, wobei hier die volle Stufenlosigkeit verdeutlicht werden soll. Eingezeichnet sind einerseits die festen Gangübersetzungen der mechanischen Fahrbereiche sowie die Variationsbereiche darum, die sich durch die stufenlose Verstellbarkeit des hydrostatischen Getriebes ergeben. 7

8 Bild 6: Drehzahl-Geschwindigkeits-Diagramm eines leistungsverzweigten Getriebes mit drei Fahrbereichen Es wird deutlich, dass sich die Variationsbereiche der einzelnen Fahrbereiche überlappen, so dass jeder möglichen Fahrzeuggeschwindigkeit eine beliebige Motordrehzahl zugeordnet werden kann. Ein voll stufenloser Betrieb ist also möglich. Das hat allerdings zur Folge, dass die Hydrostatik, selbst wenn die Pumpe auf einen Schwenkwinkel von null gestellt wird, also keine hydrostatische Leistung übertragen wird, dennoch in Bewegung ist und damit Verluste erzeugt. Durch die Kinematik des Getriebes ist bestimmt, dass sich die Pumpe stets mit der Dieselmotordrehzahl drehen muss (übersetzt durch die im linken Teil des Bildes 5 dargestellte Stirnradstufe) und damit Schleppverluste erzeugt. Da wie im Abschnitt Anforderungen an das Getriebe bereits dargelegt für einige Fahrzeugtypen wie Müllfahrzeuge oder Großkehrmaschinen, lediglich im langsamen Geschwindigkeitsbereich ein stufenloser Antrieb von Vorteil wäre, für den Transport-/Anfahrtbetrieb bei höheren Geschwindigkeiten aber eher ein Schaltgetriebe wünschenswert wäre, entstand am Institut für Landmaschinen und Fluidtechnik die im Folgenden erläuterte Idee eines teilstufenlosen Getriebes. Beschreibung des teilstufenlosen Antriebskonzeptes Der Vorschlag besteht darin, die Verschaltung des Getriebes nicht für eine vollständige Stufenlosigkeit wie beim Hofer VDC-Getriebe, sondern auf eine andere Art zu realisieren: In dem in Bild 7 gezeigten Prinzipschema ist das VDC-Getriebe um ein Planetengetriebe erweitert, welches die Differenzdrehzahl der mechanischen Abtriebswelle und der Getriebeeingangswelle bildet. Zusätzlich ist der dazugehörige Leistungsfluss dargestellt. 8

9 Bild 7: Vorschlag für teilstufenloses Getriebekonzept, variiert nach Hofer [1] und der dazugehörige Leistungsfluss in der Darstellung nach Gitt [4] Durch diesen Aufbau kann erreicht werden, dass sich die Drehzahl der Pumpe in Abhängigkeit des aktivierten Fahrbereiches verändert. Je größer also der aktivierte mechanische Fahrbereich übersetzt ist, desto höher ist die Drehzahl der Pumpe. Das hat zur Folge, dass im ersten mechanischen Fahrbereich die mögliche hydraulische Überlagerung der Ausgangsdrehzahl größer ist als in den darauf folgenden Fahrbereichen. Im Geschwindigkeits-Drehzahl-Diagramm wirkt sich das wie in Bild 8 gezeigt aus. Bild 8: Drehzahl-Geschwindigkeits-Diagramm des teilstufenlosen Getriebekonzeptes mit vier mechanischen Fahrbereichen 9

10 Der Bereich niedrigster Drehzahlen mit den kurz gestrichelten Linien kann nicht erreicht werden, da ansonsten die Dieselmotorminimaldrehzahl unterschritten werden würde. Die an ihren Endpunkten mit einem x gekennzeichneten Linien zeigen die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Motordrehzahl, wenn nur die mechanischen Gangübersetzungen betrachtet werden. Der erste mechanische Gang erlaubt daher in dieser Auslegung bei einer Drehzahl von 2250 min -1 eine Geschwindigkeit von ca. 8,5 km/h. Um den ersten mechanischen Gang sind lang gestrichelt die möglichen hydrostatischen Überlagerungen der Übersetzung eingezeichnet. Im zweiten Gang ist die Drehzahl der Pumpe aufgrund der oben beschriebenen Kinematik geringer, so dass der Variationsbereich ebenfalls geringer wird. Dennoch ist zu erkennen, dass sich die Überlagerungsbereiche des ersten und des zweiten Ganges überschneiden. Somit ist in den ersten beiden Gängen oder besser gesagt Fahrbereichen eine vollständige Stufenlosigkeit realisierbar. Bei dieser Auslegung befindet sich zwischen dem zweiten und dritten Fahrbereich ein Bereich ohne Überlappungen, so dass hier eine gewisse Stufung vorhanden ist. Durch die spezielle Kinematik und mit einer entsprechenden Wahl der Übersetzungsverhältnisse ermöglicht es das Planetengetriebe Pl 1 (vgl. Bild 7), dass im vierten Gang die Drehzahl des Sonnenrades und damit auch der Pumpe auf null zurückgeht. Damit ist auch der Hydromotor blockiert, sofern die Pumpe aufgeschwenkt ist und es entsteht ein rein mechanischer vierter Gang. Ein Auskuppeln der Hydrostaten ist dazu nicht notwendig. Der Vorteil dieser Pumpendrehzahlverringerung besteht darin, dass mit einem verringerten Volumenstrom auch eine Verringerung der hydraulischen Verluste und damit ein erhöhter Gesamtwirkungsgrad des Getriebes erwartet werden kann. Durch eine Erweiterung um ein Planetengetriebe und eine entsprechende Auslegung kann auf Basis des Hofer VDC-Getriebes also ein teilstufenloses Getriebe aufgebaut werden, welches bei langsamen Geschwindigkeiten eine volle Stufenlosigkeit bietet und mit zunehmender Geschwindigkeit an Variabilität einbüßt bis hin zu einer rein mechanischen Leistungsübertragung im letzten Gang. Der Effekt der Teilstufenlosigkeit lässt sich sehr gut im Zugkraft-Geschwindigkeitsdiagramm darstellen (siehe Bild 9). Bild 9: Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm des teilstufenlosen Getriebekonzeptes mit vier mechanischen Fahrbereichen 10

11 Darin sind die ideale Zugkrafthyperbel und die jeweils mit den Übersetzungen der mechanischen Fahrbereiche multiplizierte Motorvolllastkurve als durchgezogene Linien dargestellt. Zusätzlich ist der Bereich der möglichen hydrostatischen Übersetzungsvariation um die mechanischen Fahrbereiche markiert und durch gestrichelte Linien begrenzt. Es wird dabei deutlich, dass im Bereich geringer Geschwindigkeiten eine nahtlose Annäherung an die ideale Zugkrafthyperbel möglich ist, während bei höheren Geschwindigkeiten die ersten Zugkraftlücken entstehen. Das maximal abzugebende Moment des Getriebes ist dabei begrenzt durch die Druckbegrenzung der Hydrostatik. In diesem Vorschlag ist der mechanische Rückwärtsfahrbereich des VDC-Getriebes durch einen weiteren Vorwärtsfahrbereich ersetzt worden, da im ersten oder im rein hydrostatischen Fahrbereich durch ein Zurückschwenken der Hydropumpe auch eine negative Abtriebsdrehzahl realisiert werden kann. Da die möglichen Anwendungen wie Müllfahrzeuge oder Kehrmaschinen zyklusbedingt relativ selten rückwärts fahren, erschien es sinnvoll, den mechanischen Rückwärtsfahrbereich zu ersetzen. Zusammenfassung Ausgehend von den Getriebeanforderungen einiger schwerer Nutzfahrzeuge und mobiler Arbeitsmaschinen wurde festgestellt, dass es Fahrzeuge gibt, die von einem stufenlosen Antrieb stark profitieren, während andere größere Vorteile aus den Eigenschaften eines konventionellen Schaltgetriebes ziehen. Es wurden aber auch Fahrzeugklassen ermittelt, die stark voneinander abweichende Arbeits- /Fahrzyklen aufweisen, so dass sie je nach aktuellem Einsatzzweck effektiver stufenlos bzw. schaltend fahren würden. Als solche Zielplattformen wurden Müllfahrzeuge und Großkehrmaschinen erkannt. Aus dieser Motivation heraus wurde das Konzept eines teilstufenlosen Getriebes erstellt. In diesem Beitrag wurde eine technische Möglichkeit aufgezeigt, wie ein bestehendes hydrostatischmechanisch leistungsverzweigtes Stufenlosgetriebe durch die Erweiterung um ein weiteres Planetengetriebe und die damit bewirkte Drehzahlrückführung der Ausgangsdrehzahl zu einem teilstufenlosen Antrieb erweitert werden kann. Dieser neue Antrieb ermöglicht im Bereich geringer Geschwindigkeiten eine voll stufenlos verstellbare Getriebeübersetzung während bei höheren Geschwindigkeiten der Grad der Stufenlosigkeit abnimmt bis hin zu einer festen Übersetzung im letzten Fahrbereich. Quellen [1] Aitzetmüller, H.; Hörmann, G.; Gerbis, R.; Kresse, J.; Stöckl, D.: Doppelkupplungsgetriebe maßgeschneidert für Anwendungen in Landmaschinen VDI-Berichte Nr Düsseldorf: VDI-Verlag [2] Deiters, H.; Kohmäscher, T.; Jähne, H.; Bliesener, M.: Verifikation eines Softwaretools zur Simulation von Antriebsstrangkonzepten In: Tagungsband 4. Kolloquium Mobilhydraulik, Braunschweig [3] DIWA.5, Prospekt, Voith Turbo GmbH & Co. KG, Heidenheim 2006 [4] Gitt, C.: Analyse und Synthese leistungsverzweigter Stufenlosgetriebe Dissertation Universität Stuttgart [5] Jähne, H.; Deiters, H.; Kohmäscher, T.; Bliesener, M.: Antriebsstrangkonzepte mobiler Arbeitsmaschinen In: Tagungsband 3. Fachtagung Baumaschinentechnik

12 [6] N.N.: ZF Duodrive, Internetauftritt ZF (Stand ). [7] Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader Wissensportal baumaschine.de 3, [8] Steindorff, K.; Fedde, T.; Wiedermann, A.; Deiters, H.; Lang, T.: Hydraulik in Baumaschinen Beobachtungen anlässlich der Bauma 2007 O+P Ölhydraulik und Pneumatik (2007) Nr. 7, Seite [9] Steindorff, K.; Fleczoreck, T.; Harms, H.-H.; Lang, T. Potenzial eines teilstufenlosen Antriebskonzeptes für schwere Nutzfahrzeuge VDI-Berichte Nr Düsseldorf: VDI-Verlag 2008 [10] Vahlensieck, B.: Messung und Anwendung von Lastkollektiven für einen stufenlosen Kettenwandler- Traktorfahrantrieb Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr Düsseldorf: VDI-Verlag [11] Van der Tuuk, T.: Dieselhybridantriebe als alternative Antriebslösungen In: Tagungsband Hybridantriebe in mobilen Arbeitsmaschinen, Karlsruhe Autor Dipl.-Ing. K. Steindorff, Dipl.-Ing. T. Fleczoreck, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H.-H. Harms TU Braunschweig Institut für Landmaschinen und Fluidtechnik Langer Kamp 19a Braunschweig Tel.: +49 (0) 531/ Fax: +49 (0) 531/ Internet: 12