Stand der Technik und Trends der Arbeitshydraulik im System

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1 Stand der Technik und Trends der Arbeitshydraulik im System Traktor Flexiblere und funktional erweiterte elektrohydraulische Hubwerkregelsysteme Uwe Maier; Dr. Gerhard Keuper Bosch Rexroth AG, Stuttgart Traktoren haben, neben ihrer Aufgabe als Zugmaschine, die Funktion einer mobilen Energiequelle und Steuerungszentrum für angehängte oder aufgesattelte Geräte. Diese zweite Hauptfunktion wird zum einen von der Zapfwelle, zum anderen von der Arbeitshydraulik wahrgenommen. Bestandteile der Arbeitshydraulik moderner Traktoren sind Konstant- oder Verstellpumpen für die Druckversorgung und Ventile zur Steuerung des Hubwerkes sowie angekoppelter Geräte. 1 Arbeitsplattform Traktor Am Anfang der Traktorhydraulik standen hydraulisch-mechanische Regelungen und manuell bediente Steuerungen der Arbeitsfunktionen ohne Elektrik/Elektronik. Heute haben elektrohydraulische Ventilsteuerungen und elektronisch-hydraulische Regelsysteme breiten Eingang in moderne Traktoren gefunden. Infolge der zunehmenden Automatisierung von Arbeitsfunktionen sind mittlerweile spezifische Sensoren und elektronische Steuergeräte im gesamten Leistungsspektrum der Traktorbaureihen etabliert. Diesen Wandel erfahren auch die Komponenten für die Fahrfunktion, wie Lenkung, Bremse und Getriebe. Bild 1: Hydraulikkomponenten im Traktor 1

2 Bosch Rexroth bietet eine komplette Palette hydraulischer und elektronischer Komponenten für die Traktorhydraulik (Bild 1). 2 Hauptkomponenten der Hydraulik Anfang des 20. Jahrhunderts begann die Mechanisierung der Landwirtschaft. Ein beispielhafter Meilenstein war die Entwicklung des mechanische Hubwerkes durch Harry Ferguson in den 20er- Jahren des letzten Jahrhunderts wurden in West-Deutschland Traktoren gebaut, allerdings besaßen zu Beginn der 50er- Jahre die Traktoren noch keine Hydraulik (Bild 2). Wegen der zunehmenden Größe der Traktoren und Geräte wurde zu dieser Zeit, anstelle des mechanischen Aushubs für Anbaugeräte, der hydraulische Kraftheber eingeführt (Bild 3). Ausgehend von dieser bahnbrechenden Neuerung mit einem erweitertem Grad an Funktionalität und Flexibilität begann die zunehmende Ausweitung der Hydraulik. Bild 2: Traktoren vor Einführung der Arbeitshydraulik Bild 3: Hydraulischer Kraftheber (um 1952) 2.1 Historie und aktueller Stand bei Pumpen Zahnradpumpen Für die Energieversorgung der Kraftheber wurde eine Hydraulikpumpe benötigt. Bosch entwickelte eine solche Pumpe für 120 bar Maximaldruck und es entstand die erste Bosch-Zahnradpumpe in der sogenannten Plattenbauweise ohne Spaltkompensation (Bild 4), die ab 1953 gefertigt wurde. Die sogenannte Buchsenpumpe war der nächste Entwicklungsschritt mit erheblich verbessertem Wirkungsgrad. Seit 1972 in Serie, wird sie bis heute als Solo- oder Mehrfachpumpe gebaut und auch als Motor eingesetzt. Ein Merkmal aller Außenzahnradpumpen ist die Förderstrompulsation, die bei Zahnrädern mit 12 Zähnen ca. 14 % beträgt (Bild 5). Seit 1998 gibt es von Bosch Rexroth die Silence-Pumpe mit Flankenspiel der Zahnräder nahe Null. Dadurch reduziert sich die Förderstrompulsation um bis zu 75% im Vergleich zur Standardlösung mit leicht erhöhtem volumetrischen Wirkungsgrad. Die Vorteile dieser leisen und pulsationsarmen Zahnradpumpe werden heute zunehmend bei der Druckversorgung der Traktorlenkung zur Reduzierung von Schwingungen im System genutzt. 2

3 Bild 4: Plattenpumpe (1953) Bild 5: Außenzahnradpumpe (Standard vs. Silence) Verstellpumpen Mit zunehmender hydraulischer Leistung wurden neue Möglichkeiten der Druckölversorgung gesucht. Weiterentwicklungen der Verstellpumpe in den 50er Jahren ermöglichten eine bessere Anpassung von Ölmenge und Druck an den Systembedarf. Vergleicht man eine Axialkolbenverstellpumpe aus dem Jahre 1958 mit einer Verstellpumpe von heute, so werden die enormen Entwicklungsfortschritte anhand des verringerten Leistungsgewichtes bei gleichzeitiger Erhöhung des zulässigen Betriebsdruckes sehr schnell deutlich (Bild 6). In Verbindung mit hydraulischen Last- bzw. LS-Signalen, die über die Ventile weitergeleitet werden, arbeitet die Verstellpumpe als Regelpumpe, d.h. sie passt ihren Förderstrom stets dem aktuellen Bedarf an. Aufgrund der gegenüber Konstantpumpen gün- 3

4 stigeren Energiebilanz haben sich Verstellpumpen heutzutage vor allem bei Traktoren mittlerer und höherer Leistung etabliert. Bild 6: Entwicklungsfortschritt bei Verstellpumpen In modernen Traktoren werden zunehmend Pumpen des Typs A10VNO eingesetzt. Es handelt sich hierbei um Verstellpumpen mit aufgebohrten Triebwerken, die bei Drücken bis 210 bar ein nochmals verbessertes Leistungsgewicht aufweisen. Um die erforderlichen Drehzahlen zu erreichen, werden A10VNO-Einheiten üblicherweise über eine vorgeschaltete Zahnradpumpe bzw. über einen Gerotor versorgt. Eine Variante dieser Baureihe ist die A10CNO-Verstellpumpe. Sie wurde speziell für Traktoren mit einem gemeinsamen Ölhaushalt für Arbeitshydraulik und Getriebe entwickelt. Verstell- und Speisepumpe sowie Druckabsicherungsventile, Filteranschluss, Filterbypass und Filterdifferenzdruckschalter wurden in einer kompakten raumsparenden Einheit integriert (Bild 7). Somit kann auch bei beengten Einbauverhältnissen eine optimale Lösung angeboten werden. 2.2 Historie und aktueller Stand bei Hubwerkregelventilen und -systemen Eine Kernfunktion bei Traktoren ist die Hubwerkregelung. Hier war und ist Bosch Rexroth als Zulieferer des dazu erforderlichen Regelventils marktführend. Bereits Anfang der 60er-Jahre wurde mit der Serienlieferung des mechanisch-hydraulisch geregelten Hubwerkventils begonnen (Bild 8). Mit diesem Ventil konnten bereits kombinierte Mischregelungen aus Zugkraft und Lage realisiert werden. Es wurde unmittelbar am Kraftheberblock montiert. Heute sind sie weitestgehend durch die technisch flexibleren und funktional erweiterten elektrohydraulischen Hubwerkregelsysteme (EHR) abgelöst und gehören bei mittleren und großen Traktoren zur Standardausrüstung. Dem Landwirt werden damit zahlreiche neue Funktionen, wie Schwingungsdämpfung, Schlupfregelung u.a. geboten. Rexroth liefert die Komponenten für das komplette System, wie Regelventil, Steuergerät, Bedienteil und Sensorik. (Bild 9). 4

5 Bild 7: Regelpumpe A10CNO für Traktor- Bild 8: Kraftheberblock mit Bosch- LR-Systeme Regelgerät Bild 9: Substitution der hydromechanischen Regelkraftheber durch die EHR 5

6 Seit Einführung der EHR wurden die Regelventile stetig weiterentwickelt bzw. durch neue Technologien ersetzt (Bild 10). Wesentliche Schritte sind dabei die Bereitstellung eine im Wegeventilblock integrierbaren EHR23-Ventilscheibe (Q nenn bis 100 l/min) für mittlere bis große Traktoren und die Einführung eines Flanschventils EHR5 (Q nenn bis 60 l/min) für kleine Traktoren. Derzeit letzter Schritt ist die Einführung der On Board Electronics (OBE) bei beiden Ausführungen, so dass sich daraus eine mechatronische Einheit - sozusagen Herz und Hirn der elektrohydraulischen Hubwerksregelung - ergibt. Bild 10: Entwicklungshistorie der EHR-Ventile Die EHR5-OBE und EHR23LS-OBE Regelventile mit integrierter Elektronik (Bild 11) sind für den robusten und harten landtechnischen Alltag konzipiert und bieten alle etablierten Möglichkeiten einer elektronischen Hubwerkregelung für die mittleren und oberen Leistungsklassen: Lageregelung Zugkraftregelung Mischregelung Auflagedruckregelung Abstandsregelung Schlupfregelung Schwingungstilgung (Transportmodus) Externe Regelung (Anbaugeräte) Darüber hinaus bieten Sie mit moderner, leistungsfähiger Hard- und Software richtungsweisende Technik mit einer Fülle von Anwendungsvorteilen (Bild 12): Das Steuerzentrum des Hubwerkregelsystem als abgeglichene, geprüfte Einheit Geringer Verdrahtungs- und Montageaufwand Integrierter Flash-Speicher für Software-Updates CAN-Kommunikation für Bedienung und Diagnose Temperaturüberwachung der Elektronik 6

7 Bild 11-1: EHR-OBE Bild 11-2: HR5-OBE Die konsequente Nutzung des Elektronik-Know-Hows der Bosch Kraftfahrzeugbereiche ist die Basis für Zuverlässigkeit und Langlebigkeit und ermöglichte erst die Integration leistungsfähiger Elektronik in die Rexroth Produkte. Kriterien, die gerade bei Traktoren und Landmaschinen sehr wichtig sind. 2.3 Historie und aktueller Stand bei Wegeventilen Mit der Einführung hydraulischer Hubwerke stand die Hydraulik zugleich für die angekoppelten Geräte und deren Steuerung zur Verfügung. Bereits im Jahre 1953 wurden die ersten Wegeventile SRZ eingesetzt. Das Merkmal der Wegeventile der Baureihe SRZ in Scheibentechnik war die Möglichkeit zur unmittelbaren Kopplung an die Hubwerkregelventile (Bild 13). Sie gestatteten damals bereits einen überaus kompakten Aufbau der gesamten Ventiltechnik und waren daher am Markt besonders attrak- 7

8 tiv. Die hydraulische Ausstattung der Traktoren und die zunehmend hydraulisch-elektrisch aktuierten Betätigungen der Geräte haben zu einem mittlerweile hohen Automatisierungsgrad geführt. Bild 12: Sensor- und Bedienschnittstellen an EHR5- und EHR23-OBE-Geräten Bild 13: Wegeventilblock SRZ in Traktoren ab Beginn der 60er-Jahre Mechanisch betätigte Wegeventile Weitergehende Forderungen wie hohe Dichtheit in Neutralstellung, zugleich Begrenzung des Sekundärdrucks infolge thermischer Ausdehnung Kick-out und Rastung, lastunabhängige Funktionssteuerung, Load-Sensing-Techniken, sowohl in Verbindung mit Konstantpumpen-Druckversorgung (OC- LS) als auch mit Verstellpumpen (CC-LS), 8

9 haben zur Entwicklung der aktuellen Baureihe SB23 LS geführt. Es handelt sich um einen umfangreichen Ventilbaukasten mit auf die Traktoranwendung optimierten Funktionsbausteinen. Durch stetige Funktionserweiterung werden die Anforderungen des Marktes erfüllt (Bild 14). Bild 14 Wegeventil SB23LS mit manueller Betätigung Dieser Baukasten ermöglicht eine wirtschaftlich günstige, funktions- und zukunftssichere Lösung für die Arbeitshydraulik. Bedarfsabhängig wird das Grundventil in Scheibenbauweise mit der üblichen Vielfalt möglicher Steuerfunktionen bestückt. Wahlweise Zusatzfunktionen wie Sperrventile, Schockventile und Druckwaagen sorgen für minimale Leckage, Robustheit gegenüber Druckspitzen und lastdruckunabhängig gesteuerten Ölstrom. Eine manuelle Betätigung mit Hebel und Rasten ergänzt den Baukasten ebenso wie eine Kick-out Funktion. Auf Wunsch ist künftig eine Umschaltung für fünf verschiedene Kombinationen von Raststellungen und Schaltfunktionen verfügbar Elektrohydraulisch betätigte Wegeventile SB 23-EHS Im Vordergrund des wirtschaftlichen Einsatzes moderner Traktoren stehen die energie- und zeitoptimale Nutzung der installierten Maschinenleistung und der Arbeitseinrichtungen. Um dies bei zunehmender Komplexität der Abläufe zu beherrschen, ist die stetige Fortentwicklung des Fahrerplatzes mit verbesserter Ergonomie von hoher Bedeutung. Hierbei geht es einerseits um die Gestaltung und Anordnung von Bedienungs- und Anzeigeelemente, andererseits um die Abkopplung leistungsmindernder Klima- und Geräuschbelastungen. Vorteilhaft bei komplexen Arbeitsabläufen ist eine zumindest partielle Automatisierung. Auf diese Weise bleibt die Komplexität für den Fahrer überschaubar und ist damit Voraussetzung für den optimalen Geräteeinsatz. Möglichkeiten sind beispielsweise die Funktionsverknüpfung von Fahrsteuerung und Arbeitshydraulik sowie die Automa- 9

10 tisierung von Ablaufsequenzen (z.b. das automatisierte Drehen, Anheben und Absenken des Pfluges im Vorgewende). Zwei Schlüssel waren für eine weitgehende Automatisierung entscheidend: die Bereitstellung elektrohydraulisch gesteuerter Wegeventile und der CAN-Bus (Controller Area Network). Der CAN-Bus etablierte sich dabei vor allem wegen der erfolgreichen Verwendung im Kraftfahrzeug. Infolge seiner breiten Verfügbarkeit steht er auch Traktoren und landtechnischen Maschinen als Plattform zur Steuerung von Funktionen zur Verfügung. Innerhalb der Ventilfamilie SB23 wird dieser seit einigen Jahren in Verbindung mit der elektrohydraulischen Stelleinheit EHS angeboten (Bild 15). Aufgabe der EHS ist die Umsetzung eines Eingangssignals in eine lagegeregelte Verstellung des Wegeventilschiebers. Dieses Eingangssignal kann per CAN-Botschaft, oder bei nicht vorhandenen Bus auch ratiometrisch oder mittels Pulsweitenmodulation PWM übertragen werden. Das Eingangssignal wird vom Ventil in einen entsprechenden lastunabhängigen Volumenstrom zum Verbraucher gewandelt. Bild 15: SB23LS-EHS mit Elektrohydraulischer Betätigung Im EHS-Modul sind die notwendigen Funktionselemente in einer baulichen Einheit kompakt untergebracht. Ein elektro-hydraulischer Stellantrieb bestehend aus 4/3-Proportional-Pilotventil und Stellkolben stellt die Betätigungseinrichtung dar. Ein induktiver, berührungsfreier Lagesensor nimmt die Schieberstellung auf. Damit ist einerseits dessen Lageregelung möglich, andererseits können mit einer differenzierten Eigendiagnose unterschiedliche Fehler sicher erkannt werden. Die Auswerteelektronik des Sensors und die Regelelektronik sowie die Busankopplung sind auf einer gemeinsamen Elektronikbaugruppe untergebracht. Zur Auswahl der Ventilcharakteristik stehen vorbereitete Kennlinien zur Verfügung, von linearem bis progressivem Verhalten und zwar unabhängig für beide Betätigungsrichtungen (Bild 16). Damit lässt sich beispielsweise ein gewünschtes Feinsteuerverhalten einstellen, gleichzeitig aber auch die volle Aussteuerung im Großsignal gewährleisten. Die Kennliniensteigung ist wählbar, wiederum individuell für beide Betätigungsrichtungen. Damit lassen sich z.b. die bei gleichem Volumenstrom unterschiedlichen Ausfahrgeschwindigkeiten eines Differentialzylinders kompensieren. Außerdem er- 10

11 möglicht die Einstellung von Rampenzeiten die Anpassung der Anstiegszeiten an unterschiedliche Lastverhältnisse des beaufschlagten Antriebs um damit z.b. Arbeitsgeräte sanft anlaufen zu lassen. Bild 16: SB23LS-EHS mit programmierbaren Ventilkennlinien und Zeitverhalten 2.4 Kundenspezifisch konfigurierte Steuerblöcke Die Einbauräume für Ventilbaugruppen in modernen Traktoren sind äußerst beschränkt. Deshalb müssen kostenintensive hydraulische Leitungsverbindungen minimiert werden. Stand der Technik bei Wegeventilen der Arbeitshydraulik ist daher eine Konfiguration als Steuerblock (Bild 17). Wir bezeichnen einen Steuerblock mit EHR-Regelventil, Zusatz-Wegeventilen, bei Bedarf Prioritätsventilen und kundenspezifischer Anschlusstechnik als Zentralen Modularen Steuerblock ( ZMS-Block ). Ein solcher Ventilblock mit geringem externen Verrohrungsaufwand wird von Rexroth werkseitig komplett geprüft und einbaufertig ausgeliefert. Die Anordnung eines solchen Blocks ist heute bevorzugt am Traktorheck über der Hinterachse, gegebenenfalls ergänzt um einen weiteren Block für Funktionen an der Traktorfront. Vorteilhaft ist weiterhin die Integration von Steckkupplungen für die Anbaugeräte. Eine wichtige Zielsetzung für einbaugerechte Steuergeräte der Traktor-Arbeitshydraulik besteht in einer möglichst kompakten, dennoch flexiblen Konzeption der Einzelbausteine wie auch der daraus konfigurierbaren Ventil-Steuerblöcke. 11

12 Bild 17: Zenraler modularer Steuerblock (ZMS); Konfiguration aus Wege- und EHR-Ventil, Anschlussplatte mit Prioritätsfunktion Eine wichtige Zielsetzung für einbaugerechte Steuergeräte der Traktor-Arbeitshydraulik besteht in einer möglichst kompakten, dennoch flexiblen Konzeption der Einzelbausteine wie auch der daraus konfigurierbaren Ventil-Steuerblöcke. Der Schlüssel zur Zielerreichung liegt hierbei in der bauraumoptimierten Konstruktion der komplexen Ventilscheiben. Die Kombination mit kundenspezifisch gestalteten Anschlussplatten und Steckkupplungsgehäusen bietet dann das Optimum an Funktion, Platzbedarf und Wirtschaftlichkeit. Repräsentative Anordnungen solcher Ventilblöcke sind einseitige Verkettungen der Ventilscheiben mit seitlicher Eingangssektion (Bild 18) und beidseitige Verkettungen an eine zentrale Anschlussplatte (Bild 19). Bild 18: Wegeventilblock mit einseitiger Verkettung (hier mit 7xSB23LS-EHS, 2xEHR23, 1xPrio.-Ventil) Bild 19: Wegeventilblock mit Zentralanschlussplatte und beidseitiger Verkettung (hier mit 4xSB23LS,EHR23, Prio.-Ventil) Letztere wird direkt auf das Traktorgetriebe montiert. In der Anschlussplatte sind der Nachfüllstutzen und der Ölrücklauf von den Ventilen zu dem im Antrieb angeordnetem Ölvorratsbehälter integriert. Zum Heck des Traktors hin zeigen die Steckkupplungen in kundenspezifisch gestaltetem Gehäuse. Bei beengtem Einbauraum zwischen den Hubarmen löst ein senkrechter Aufbau der Ventilscheiben 12

13 das Einbauproblem (Bild 20). In diesem Beispiel beinhaltet die Anschlussplatte Anpassungsmöglichkeiten an verschiedene Druckversorgungen mit Konstant- bzw. Verstellpumpen. Als optionaler Zusatz kann das Anhängerbremsventil ebenfalls an der Anschluss-platte montiert werden. In diesem Beispiel beinhaltet die Anschlussplatte Anpassungsmöglichkeiten an verschiedene Druckversorgungen mit Konstant- bzw. Verstellpumpen. Bild 20: Wegeventilblock mit vertikaler Verkettung (Hier mit Prio.-Ventil, EHR-ZM, 4xSB23LS, Anhänger-Bremsventil) Als optionaler Zusatz kann das Anhängerbremsventil ebenfalls an der Anschlussplatte montiert werden. Es erspart auf diese Weise die Bereithaltung eines passenden Anbauflansches an anderer Stelle sowie zusätzliche externe Verrohrungen. Ebenso kundenspezifisch gestaltet sind die Gehäuse der Steckkupplungen. Bei hohem hydraulischen Ausrüstungsgrad von Traktoren, insbesondere bei Anordnungen der hydraulischen Antriebe im Front- und Heckbereich, kann sich eine räumliche Aufteilung der Ventilsteuerblöcke anbieten. Während die Ventilsektionen für das Heckhubwerk und die Zusatzfunktionen im ZMS-Block zusammengefasst sind, bündelt ein zentral in der Traktormitte angeordneter modularer Zentralhydraulikblock (kurz CHP = Central Hydraulic Program) Ventilsektionen zur Steuerung von priorisierten Funktionen (z.b. Lenkung, Anhängerbremse, Versorgung der Getriebesteuerung (Bild 21). Die kaskadenförmige Verschaltung sorgt für die Verteilung des Ölstromes nach folgender Priorität: 1.Lenkung 2.Anhängerbremsventile 3.Niederdruckversorgung für Getriebe oder Steueröl des Wegeventiles 4. Arbeitshydraulik und Hubwerkregelung Ist das Lenksystem eigenständig aufgebaut, ist die gezeigte Prioritätenfolge nicht erforderlich. Um das Anhängerbremsventil dennoch mit Priorität zu versorgen wird ein Rohrleitungsventile (LT42) eingesetzt, das die Prioritäts- und Anhängerbremsfunktion in einem Gehäuse beinhaltet. Durch das direkte Anflanschen der CHP an das Getriebe entfallen die Tankleitungen. Die Leitungslängen zur Lenkung, Heck oder Fronthydraulik können optimiert und dadurch der Verrohrungsaufwand an der Maschine vermindert werden. 13

14 Bild 21: Topologisch günstige Aufteilung von Steuerblöcken im Traktor Der Volumenstrom der Verstellpumpe wird auf dem kürzestem Wege verteilt. Aufgrund steigender Anforderung an die Hauptbremssysteme kommen die heute eingesetzten Bremssysteme teilweise an ihre Leistungsgrenze. Die Tendenz geht hier zu Fremdkraft-Bremssystemen, wie Sie von Rexroth bereits seit vielen Jahren im Baumaschinenbereich eingesetzt werden. Die Versorgung dieser Fremdkraftbremsen kann ebenfalls über die CHP erfolgen. Hierzu ist die Sektion LT59 als Speicherladeventil ausgebildet. 2.5 Historie und aktueller Stand bei Lenkungen Als Anfang der 60er-Jahre die hydrostatische Lenkung ihren Entwicklungsweg startete, war der Traktor einer der Zieleinsatzgebiete. Mit den in der Zeit davor genutzten mechanischen Lenkungen auf Basis von Kegelrad-, Zahnstangen- oder Schneckengetrieben war man hinsichtlich der bezwingbaren Lenkkräfte eingeschränkt. Die aus dem Lkw bekannten hydro-mechanischen Lenkgetriebe brachten wohl eine wesentliche Verbesserung, aufgrund der mechanischen Verbindungs- und Kraftübertragungselemente waren die Gestaltungsfreiräume des Traktors aber beschränkt. Erst die hydrostatische Lenkung brachte die gewünschten und vom Markt geforderten konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten und vor allem die Bewältigung der hohen Lenkkräfte. Damit war die Lenkung kein einschränkendes System mehr für die Größe eines Traktors. Die benötigte Energie für den Lenkvorgang wird von der Hydraulikpumpe zur Verfügung gestellt. Der Fahrer bedient durch die Drehung des Lenkrades lediglich ein Steuergerät, auch Lenkaggregat genannt, welches Wegeventil-, Zumess- und Handpumpenfunktionen in sich vereint und Hydrauliköl zu einem Lenkaktuator (Lenkzylinder oder - motor) leitet. In Traktoren werden heute hydrostatische Lenkungen LAG in den verschiedenen Bauarten eingesetzt Open Center - Non reaction sowie Open Center - Reaction oder Closed Center - Non reaction sowie Closed Center - Reaction. Diese Komponenten stellen - im System betrachtet - die günstigste technische Lösung für das Thema Lenken dar. 14

15 Gestiegene Achslasten und die kinematischen Verhältnisse führen zu entsprechend hohen Lenkdrücken. Aufgrund dessen und den geltenden Normen und Richtlinien, welche die Lenkfähigkeit der Maschine regeln, kann es erforderlich sein, im Notbetrieb Lenkaggregate mit Untersetzung einzusetzen (Bild 22). Rexroth hat Lenkaggregate LAGU mit Kammerabschaltung und LAGZ mit Rotorsatzabschaltung für diese Einsatzfälle entwickelt. Im Servobetrieb unterscheidet sich die Funktion der LAGU und LAGZ nicht von anderen Lenkaggregaten. Das Übersetzungsverhältnis von Lenkraddrehwinkel zu Radeinschlag ist in der jeweiligen Betriebsart konstant. Im Notbetrieb aber reduziert sich das Fördervolumen automatisch. Dadurch wird die erforderliche Antriebsenergie = Handkraft am Lenkrad gegenüber einem altbekannten herkömmlichen Lenkaggregat um ca. 50 % und mehr verringert. Bild 22: Übersicht Lenkungen LAG 3 Zukunftstrends Die Zukunft der Hydraulik liegt zum einen in der Fähigkeit zur kompakten, hochintegrierten und energetisch optimierten Darstellung von Einzelfunktionen, zum anderen in der Verbindung von Hydraulik und Elektrik/Elektronik. Steuer- und Regelorgane sowie intelligente Signalverarbeitungen werden zunehmend die Erzeugung und Steuerung der hydraulischen Leistung im Traktor und anderen mobilen Arbeitsmaschinen optimieren helfen. Die technischen Herausforderungen für die elektrohydraulischen Komponenten liegen primär in der Bereitstellung wirtschaftlich interessanter und robuster Signalwandler (Stellorgane wie Pilotventile oder Magnete und Sensoren). Die Herausforderungen im System liegen in der Vernetzung der Teilfunktionen und -systeme (Bild 23). Triebfedern dieser und zukünftiger Entwicklung sind die damit erschließbaren Potenziale zur Effizienzsteigerung und die Vermeidung unnötiger Redundanz. In mobilen Anwendungen hat sich dafür der von Bosch entwickelte CAN-Bus als Plattform etabliert. 15

16 Bild 23: CAN-basierte Signalverknüpfung im Traktor 3.1 Pumpen Zahnradpumpen Eine wirtschaftlich attraktive Antwort auf die gesteigerten Anforderungen bzgl. Energieeinsparung ist die Zuschaltpumpe. Sie bietet eine Verbesserung der Leistungsbilanz gegenüber einer Solopumpe. In Zeiträumen in denen die Arbeitshydraulik nicht genutzt wird, und nur Verbraucher wie Lenk- und Bremsventile mit geringem Volumenstrombedarf ständig versorgt werden müssen, fördert nur Pumpenteil 1. Pumpenteil 2 der Zuschaltpumpe wird nur bei erhöhtem Bedarf per LS-Signal zugeschaltet. Beide Pumpenstufen sind über die Ventilsektion für die Zuschaltfunktion verbunden (Bild 24). Somit ergibt sich eine einbaufertige kompakte Einheit ohne externe Verbindungsleitungen Verstellpumpen Die elektrische Verstellung macht bei den Ventilen nicht halt, sondern wird zukünftig auch die Druckversorgung nachhaltig beeinflussen. Die bisher üblichen hydraulischen LS-Systeme können in Zukunft durch elektrohydraulische Flow Matching Systeme ( EFM -Systeme ) ersetzt werden. Bei diesem System wird der vorliegende Volumenstrombedarf der Einzelverbraucher in Form von elektrischen Signalen summarisch in einen Sollwert für den Fördervolumenstrom umgewandelt. Mit diesem Sollwert wird die Pumpe dann elektrisch verstellt. Ein geeignetes Ventilschaltungskonzept ermöglicht die individuelle Verteilung auf die Verbraucher. Für derartige Zukunftskonzepte bietet Rexroth elektrisch verstellbare Pumpen auf Basis der Pumpenbaureihe A10VO bzw. A10VNO an (Bild 25). Durch einen Proportionalmagneten wird der Verstellkolben der Pumpe proportional zu einem Strom positioniert, so dass sich jeder beliebige Schwenkwinkel und damit, in Verbindung mit einer Drehzahlerfassung, auch die gewünschte Fördermenge einstellen lässt. 16

17 Vorteile der EP-Verstellung: Hohe Genauigkeit durch direkte elektroproportional angesteuerte Verstellung mit hydromechanischer Rückführung Kompakte Bauweise Hoher Systemwirkungsgrad Kombinierbar mit allen gängigen hydraulisch-mechanischen Druck und Förderstromreglern. Bild 24: Zuschaltpumpe Bild 25: Verstellpumpe mit EP-Verstellung 3.2 Mobilventile Elektrisch betätigte Wegeventile SB23-EHS haben sich mittlerweile in Traktoren der oberen und mittleren Leistungsklasse etabliert. Eine neue Generation derartiger Ventile genannt SB23LS - EHS2 für 2. Generation wird noch konsequenter die Vorteile der Elektrohydraulik umsetzen und hierbei eine höhere Integrationsstufe erreichen (Bild 26). 17

18 Bild 26: SB23LS-EHS 2.Generation Der Durchflussbereich wird auf Q nenn =100 l/min, bzw. Q max =140 l/min, erweitert und so dem Trend zu größerem Volumenstrombedarf gerecht. Bewährte Merkmale wie lagegeregelter Ventilschieber, Diagnosefunktionen, CAN-Bus usw. werden in der neuen On-Board-Elektronik beibehalten. Die Verfügbarkeit kostengünstiger Drucksensoren aus dem Automobilbereich ermöglicht jedoch eine entscheidende funktionale Erweiterung. Zwei optionale Sensoren für die Messung der Drücke in den Arbeitsanschlüssen sowie optional ein weiterer Drucksensor für die Messung von Pumpen-, LS- oder Rücklaufdruck werden zukünftig neuartige Möglichkeiten zur Kontrolle und Regelung von Anschlussdrücken der Arbeitsgeräte bieten. Damit sind Arbeitsfunktionen in erheblich erweitertem Maße vom Traktor aus steuer- bzw. regelbar. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist das automatische Drehen des ausgehobenen Pfluges im Vorgewende (Bild 27). Mit Hilfe der Druckmessung können die Totlagen eines einfachen Differentialzylinders infolge des Druckanstieges leicht erkannt werden und zur elektronischen Umsteuerung des ansteuernden Ventils genutzt werden. Auf die sonst übliche hydraulische Umschaltmimik eines Wendezylinders kann verzichtet werden, was zu einer entsprechenden Vereinfachung der Geräteantriebe führt. Bild 27: Anwendung von Drucksensoren zur Steuerung von Geräten: Beispiel: Pflug drehen Ein weiteres Beispiel zur Nutzung von Drucksensoren ist das Wiegen von Lasten am Traktorhubwerk (Bild 28). Hierbei werden die Messwerte der Hubzylinderdrücke genutzt. Bei bekannter Kinematik lässt sich die Last mit einem speziellen Algorithmus bei beliebiger Lage des Schwerpunktes mit hoher Genauigkeit (Fehler im Bereich <2 %) auch während der Fahrt über den Acker berechnen. 18

19 Bild 28: Anwendung von Drucksensoren für Zusatzfunktionen; Beispiel: Wiegen mit dem Hubwerk 3.3 Systemfunktionen Anbaugeräte, die über die Traktorinternen Zusatzventile versorgt werden, können per elektrischer Signalübertragung die Funktionen ihrer geräteseitigen Antriebe oder Stellorgane selbst ansteuern. Dazu werden die Wegeventile der Zusatzhydraulik quasi vom Traktor an das Anbaugerät ausgeliehen. Die hierfür notwendige Kommunikation erfolgt über den LBS-Bus (CAN-basiert). Die in den Wegeventilen integrierten Drucksensoren werden zukünftig von den elektronischen Steuerungen in den Anbaugeräten zur Optimierung ihrer Arbeitsfunktion genutzt, ohne selbst diese Sensorausstattung bereitstellen zu müssen (Bild 29). In Verbindung mit den leistungsfähigen, elektrisch-proportional verstellbaren Wegeventilen SB23-EHS2 kann dies auf Seiten der Geräte zur Optimierung ihrer Funktionen genutzt werden, ohne dass die Geräte selbst hydraulisch aufwändiger werden müssen, sondern im Gegenteil sich eher vereinfachen lassen. Das Know-How des Geräteherstellers wird sich auf diese Weise mehr in den geräteseitigen Steuergeräten abbilden und damit einen wesentlichen Anteil seiner Differenzierung zum Wettbewerb tragen. Bild 29: Geräteseitige Steuerung von Zusatzfunktionen ( Anbaugerät steuert Traktor ) 19

20 3.4 Lenkungen Mit zunehmender Komplexität der Arbeitsabläufe wird eine Unterstützung des Fahrers beim Lenken oder gar eine Automatisierung notwendig. Hierfür ist eine elektrisch ansteuerbare Lenkung erforderlich. Ein zusätzlicher Nutzen besteht hierbei in der Möglichkeit einer, fahrsituationsabhängigen Lenkverstärkung (Volumenstromverstärkung). Rexroth arbeitet an einem modularen Systemkonzept unter Abstützung auf bewährte, vorhandene Funktionsbausteine und Berücksichtigung gültiger Richtlinien für Lenkanlagen. Bild 30 zeigt das Konzept einer externen Volumenstromverstärkung des Lenkaggregats als ein Beispiel für ein alternatives Lenksystem. Die Bewegung des Lenkrades wird in Winkelgeschwindigkeit und Richtung an der Lenksäule oder am Lenkaggregat vom Lenksensor erfasst, ausgewertet und als Digital- oder Analogsignal an ein elektronisches Steuergerät gesendet. Alternativ können die Eingangssignale in einem GPS- oder Spurführungssystem generiert werden. Das elektronische Steuergerät steuert ein Proportionalwegeventil an, welches bedarfsgerecht Öl zum Lenkzylinder liefert. Dieses Systemkonzept zielt auf Ergonomie- und Komfortverbesserungen, die letztendlich zu höherer Umschlagsleistung sowie zur Entlastung des Fahrers und weiteren, bzw. verbesserten Einsatzmöglichkeiten des Traktors führen. Bild 30: Elektrohydraulische Lenkung, Add-On Lösung 4 Zusammenfassung Rund 50 Jahre Hydraulik im Traktor haben einen großen Anteil zur Technisierung der Landtechnik und somit entscheidend zur Verringerung oder Vermeidung der körperlich anstrengenden Arbeiten beigetragen. Nur somit konnte eine erhebliche Effizienzsteigerung in der Landtechnik erreicht werden. Als weiterer wesentlicher Innovationstreiber haben mittlerweile die Elektronik und Bustechnologien im Traktor Fuß gefasst. Zur Beherrschung der mittlerweile komplexen Traktorfunktionen eröffnen sich technisch und wirtschaftlich attraktive neue Lösungen, die auch den wachsenden ökologischen Anforderungen gerecht werden. Maßgeblich wird dabei die Fähigkeit von Zulieferern und Traktorherstellern sein, die unterschiedlichen Technologien optimal miteinander zu kombinieren. Die früheren Einzelunternehmen Rexroth, Brueninghaus Hydromatik und Bosch haben in der Vergangenheit bereits an vorderer Stelle zusammen mit den Kunden zur Erfolgsstory hydraulischer Antriebstechnik im Traktor beigetragen. Nun vereinigt zur Bosch Rexroth AG wollen wir mit unserer breiten Erfahrung in der hy- 20

21 draulischen Energieerzeugung und -steuerung sowie der Elektronik und Getriebetechnik unsere Kunden noch umfassender mit einem breiten, abgestimmten Produktangebot unterstützen. Quellen [1] Bilder: Bosch Rexroth AG [2] Die Erstveröffentlichung des Beitrags erfolgte bei der Tagung "Mobile 2003" im Oktober in Ulm Autoren Dr. Gerhard Keuper Bosch Rexroth AG The Drive & Control Company Abteilung: BRM-MC/ETS Uwe Maier Bosch Rexroth AG The Drive & Control Company Abteilung: BRM-MC/VTS2 Postfach Postfach D Stuttgart D Stuttgart Tel.: +49 (0) Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Fax: +49 (0) Internet: Internet: 21