Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader

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1 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader Anforderungen, Konzept und Betriebsverhalten Dr.-Ing. Herbert Pfab, Dipl.-Ing. Klaus Schröder Liebherr-Werk Bischofshofen GmbH Der Einsatz von Radladern ist durch oftmaliges Reversieren, hohe Zugkraft bei niedriger Geschwindigkeit und häufigen Beschleunigungsvorgängen gekennzeichnet. Die hydrostatische Antriebstechnik erfüllt diese Anforderungen derzeit am besten und ermöglicht eine weitere Optimierung hinsichtlich Wirkungsgrad, Komfort und Funktion bei geeigneter elektronischer Steuerung. Die hydrostatischen und die ergänzenden mechanischen Komponenten werden nach der Methode der Betriebsfestigkeit ausgelegt und erfüllen die praktischen Anforderungen hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit unter den rauhen Einsatzbedingungen einer Baumaschine. Im Vergleich mit hydrodynamisch/mechanischen Fahrantrieben hat der moderne hydrostatische Antrieb einen Verbrauchsvorteil von durchschnittlich 3%. 1 Anforderungen an den Fahrantrieb eines Radladers Der Radlader ist eine universelle Baumaschine, die vornehmlich zum Lösen, Transportieren und Laden von Schüttgütern verwendet wird. Die Klassifizierung sollte nicht nach der Motorleistung oder dem Einsatzgewicht sondern besser nach der Kipplast vorgenommen werden. Diese wird bei maximalem Einschlag der Lenkung (Knicklenkung) angegeben und bezeichnet die Last im Schaufelschwerpunkt, bei der die Hinterachse voll entlastet ist und demnach das Gerät nach vorne kippen würde. Für den Anwender ist dieser Wert relevant, da nach EN 474 die Größe der Standardschaufel so bemessen sein muß, daß bei voller Schaufel gerade die halbe Kipplast erreicht wird (spezifisches Gewicht der Ladung wird i. allg. mit 1,8 kg/dm³ angenommen). Das Einsatzgewicht sollte möglichst gering und die für eine definierte Nutzleistung erforderliche Dieselleistung ebenso niedrig gehalten werden (Wirkungsgrad und Steuerung). 1

2 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Die maximale Fahrgeschwindigkeit von Radladern liegt je nach Größe zwischen 2 und 4 km/h. Die Fahrwerke sind nicht gefedert oft werden jedoch passive Schwingungstilger in Form von hydropneumatischer Abstützung des Hebewerkes (Hubgerüst) eingebaut. Die wirtschaftlichen Transportstrecken betragen zwischen 1 und 2 m. Die Reißkraft an den Zähnen der Schaufel ermöglicht das Lösen von Material bis Bodenklasse 3 (nach DIN 183). Bei der Auswahl des Fahrantriebs für einen Radlader sind folgende grundsätzliche Einsatzmerkmale zu bedenken: Höchste Zugkraft bei minimaler Fahrgeschwindigkeit beim Lösen von Material und beim Füllen der Schaufel. Häufiges Reversieren: Im normalen Lade- oder Rückverladeeinsatz beträgt die Dauer eines Ladespieles ca. 3 sec. Während eines Ladespieles wird vier mal reversiert! Fahrbetrieb: Aufgrund der Reversierhäufigkeit ist das Fahren praktisch nie stationär. Das Getriebe muß zum Beschleunigen und Bremsen ständig verstellt werden. Aufteilung der Antriebsleistung: Beim Füllen und Entleeren der Schaufel muß die Zugkraft bzw. Fahrgeschwindigkeit vom Fahrer bei voller Motorleistung gesteuert werden können. 2 Grundauslegung, Einsatzarten und Lastkollektive für den Fahrantrieb Zur Grundauslegung des Fahrantriebes müssen zwei Punkte der Zugkrafthyperbel überprüft werden: Die maximale Zugkraft von 8 9 % des Einsatzgewichtes müssen bis ca. 3 km/h verfügbar sein. Eine höhere Zugkraft ist nicht erforderlich, da in der Regel die Traktion am Reifen überschritten wird und daraus Reifenverschleiß, Eingraben der Räder und erhöhter Kraftstoffverbrauch resultieren (Bild 1). Bild 1: Qualitative Zugkraftdiagramme für den Fahrantrieb von hydrostatisch angetriebenen Radladern bis 32 t Einsatzgewicht. 2

3 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Zweitens muß die maximale Fahrgeschwindigkeit auf befestigter Fahrbahn sicher erreicht werden. Zeitanteil in % Straßenfahrt Zeitanteil in % Ladezyklus kurz Schwenkwinkel in Drehzahl in 1/min Straßenfahrt Straßenfahrt Schwenkwinkel in Drehzahl in 1/min Ladezyklus kurz Ladezyklus kurz Bild 2: Lastkollektive für die Einsatzfälle Straßenfahrt und Ladezyklus kurz. Für die jeweiligen Klassen des Hochdrucks im geschlossenen Kreis sind die mittleren Drehzahlen und Schwenkwinkel angegeben. Die Dimensionierung der Komponenten im Antriebsstrang wird nach der Betriebsfestigkeitslehre vorgenommen. Grundlage dafür sind Last- und Drehzahlkollektive, die für typische Einsatzfälle erfaßt werden. Bei Verstellpumpen und motoren sind die Betriebsgrößen Druck, Drehzahl und Schwenkwinkel. Es werden für folgende Einsätze Einzelkollektive gemessen: Kurzer Ladezyklus Langer Ladezyklus Verladen von gesprengtem Fels Brecharbeiten an der Wand Recyclingeinsatz Straßenfahrt bergauf/bergab 3

4 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Erdarbeiten Recyclingeinsatz (auf Betonfahrbahn) Zeitanteil in % Reißen an der Wand Zeitanteil in % Brecher Laden Drehzahl in 1/min Reißen an der Wand Drehzahl in 1/min Brecher Laden Schwenkwinkel in Reißen an der Wand Schwenkwinkel in Brecher Laden Bild 3: Lastkollektive für die Einsatzfälle Reißen an der Wand und Brecher laden. Für die jeweiligen Klassen des Hochdrucks im geschlossenen Kreis sind die mittleren Drehzahlen und Schwenkwinkel angegeben. Aus diesen Einzelkollektiven wird unter Berücksichtigung der Zeitanteile ein Gesamtkollektiv gebildet. Problematisch ist jedoch der bei größeren Maschinen vorherrschende Monokultureinsatz (Gewinnungsbetriebe, Recycling). Beispielhaft sind hier für einen Verstellmotor eines Antriebes des LIEBHERR L64 (Kipplast 1 t, Einsatzgewicht 22 t, Leistung 183 kw) die Belastungsdaten gezeigt (Bild 2 und 3). Bild 2 zeigt die Zeitanteile des Hochdrucks für die Einsatzfälle Straßenfahrt sowie Ladezyklus kurz. Zusätzlich ist die mittlere Ölmotordrehzahl und der mittlere Schwenkwinkel je Hochdruckklasse dargestellt. Bild 3 zeigt diese Größen für die Einsatzfälle Reißen an der Wand sowie Brecher laden. Bei Straßenfahrt wird der Ölmotor oft im Regelbereich gefahren (Drehzahlabhängige Regelung). Die Schwenkwinkel sind klein und die Getriebeantriebsdrehzahl ist entsprechend hoch. Beim kurzen Ladezyklus treten 4

5 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Drücke von über 4 bar bei einem Zeitanteil von 1% auf. Der Motor ist dabei für maximale Zugkraft voll ausgeschwenkt, die Getriebeeingangsdrehzahl ist ca. 8 1/min; das entspricht im 1. Gang einer Fahrgeschwindigkeit von 1,7 km/h. Beim Beladen eines Brechers werden aufgrund der größeren Fahrstrecke höhere Fahrgeschwindigkeiten genutzt. Auffallend ist der hohe Zeitanteil im Regelbereich des Ölmotors von 3 bar. Die gezeigten Beispiele ermöglichen eine Lebensdauerrechnung des Verstellmotors im geschlossenen Kreis. Die Praxisforderung liegt bei dieser Maschinengröße bei ca. 1. Betriebsstunden. Die berechnete Lagerlebensdauer des Ölmotors betrug im vorliegenden Falle 11.8 Stunden. 7 6 Lastwechsel 4 3 1,8 14, ,4 Km/h, Zugkraft der Vorderachse in kn Bild 4: Lastkollektiv an der Vorderachse eines Radladers für den Einsatzfall Ladezyklus- kurz 3 3 Lastwechsel ,2 1, ,4 Km/h, Zugkraft der Vorderachse in kn Bild : Lastkollektiv an der Vorderachse eines Radladers für den Einsatzfall Reißen an der Wand

6 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Zur Auslegung von mechanischen Antriebskomponenten wie Achsen und Lastschaltgetriebe werden die Lastgrößen ebenso messtechnisch erfaßt und meist nach Drehmoment und Drehzahl klassiert. Die in Bild 4 und gezeigten Kollektive der Zeitanteile über Drehzahl- und Drehmomentklassen wurden an der Gelenkwelle zur Vorderachse aufgenommen und dienen der Lebensdauerberechnung der Verzahnungen in der Vorderachse. Beachten Sie die beim kurzen Ladezyklus auftretenden Zeitanteile bei kleiner Geschwindigkeit und hoher Last. Damit soll nochmals die Bedeutung dieses Fahrzustandes bei der Konzeption des Fahrantriebes unterstrichen werden. 3 Konzeption des Fahrantriebes Bei hydrostatischen Fahrantrieben für Radlader können vier Grundkonzepte unterschieden werden: Hydrostat ohne Schaltgetriebe, Ölmotor ist mit der Hinterachse verblockt. Hydrostat mit 2 Ölmotoren ohne Schaltgetriebe, 2 Ölmotoren treiben Summierungs-zahnrad an der Hinterachse an. Hydrostat mit nachgeschaltetem Lastschaltgetriebe, Vorder- und Hinterachse werden von Gelenkwellen angetrieben. Hydrostat mit 2 Ölmotoren und nachgeschaltetem, lastschaltbarem Summierungs-getriebe, Vorder- und Hinterachse werden von Gelenkwellen angetrieben. Für Dieselleistungen bis ca. 7 kw wird die Antriebsstruktur gemäß Bild 6a realisiert. Das Abtriebsmoment des Verstellmotors wird über eine Stirnradstufe auf die Ritzelwelle des Hinterachsdifferentials geführt. Das Selbstsperrdifferential nützt die Axialkraft an den Ausgleichskegelrädern. Die Lenk- oder Starrachsen weisen Endantriebe in Planeten- oder Vorgelegebauart auf. Bei starrem Allrad werden mechanische oder hydraulische Einkreis- oder Zweikreis-Bremsanlagen an der Gelenkwelle zur Vorderachse angebaut. Lenkachse hinten a) b) Verstellpumpe Verstellmotor 1 Starrachse hinten mit Betriebsbremse Verstellpumpe Verstellmotor Arbeitshydraulik 1 kw Arbeitshydraulik 7 kw Gelenkwelle zur Vorderachse mit Betriebs- und Feststellbremse Selbstsperrdifferenzial Verstellmotor 2 Gelenkwelle zur Vorderachse mit Feststellbremse Selbstsperrdifferenzial Bild 6: a) Antriebsschema eines Radladers bis 7 kw Antriebsleistung. b) Antriebsstruktur für Leistungen bis ca. 1kW. Maschinen bis ca. 1 kw Antriebsleistung werden ohne Schaltgetriebe konzipiert, wobei die höheren Anforderungen kostengünstig durch zwei parallel eingesetzte Ölmotoren abgedeckt werden, Bild 6b. Der Vorteil gegenüber einem großen Einzelmotor besteht in der höheren Drehzahlgrenze sowie der Möglichkeit der Null-Stellung und mechanischen Abschaltung (optional) von Motor 1 bei hohen Fahr- 6

7 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) geschwindigkeiten. Die Betriebsbremse ist als nasse, schnellaufende Lamellenbremse in den Achsen ausgeführt. Eine Variante dieser Antriebsstruktur ist in Bild 7a dargestellt. Durch ein zusätzliches Zahnrad werden die beiden Ölmotoren individuell übersetzt. Eine dem Einsatzgewicht der Maschine angepaßte Zugkraft sowie die Höchstgeschwindigkeit von 4 km/h erfordern bei Radladern mit bis 2 kw Antriebsleistung ein 3-Gang-Lastschaltgetriebe in Ergänzung zum Hydrostaten. Erste Getriebe wurden von Wandlerantrieben adaptiert, wobei die Rückwärtsgruppe wegfällt, Bild 7b. Durch hydraulisch-moduliertes Ansteuern der Kupplungen für die Gänge 1 (K1), 2 (K2) und 3 (K3) können die Fahrbereiche unter Vollast bei kurzzeitigem und geringfügigem Drehmomentabfall gewechselt werden. Beim Gangwechsel wird die Getriebeeingangsdrehzahl durch elektronisch gesteuerte Verstellung des Hydrostaten synchronisiert. Im Gegensatz zu den vorgenannten Konzepten ist das Getriebe nicht fest mit der Hinterachse verblockt sondern elastisch im Fahrzeugrahmen gelagert und über Gelenkwellen mit Hinter- und Vorderachse verbunden. Verstellpumpe Verstellmotor 1 a) b) Verstellpumpe Verstellmotor 1 kw Arbeitshydraulik 2 kw Achsantrieb Arbeitshydraulik K2 K1 K3 Verstellmotor 2 Gelenkwellen zu den Achsen mit Feststellbremse Bild 7: a) Zweimotorenantrieb ohne Schaltgetriebe für Leistungen bis 1 kw. b) Antriebsschema mit 3-Gang-Lastschaltgetriebe in Planetenbauweise für 2kW Antriebsleistung. 4 Elektronisch gesteuerter Zweimotorenantrieb mit lastschaltbarem Summierungsgetriebe Der unter dem Markennamen 2plus2 eingeführte Antrieb ist der jüngste und leistungs-stärkste, hydrostatische Radladerfahrantrieb (Bild 8). Das mit 3 Lamellenkupplungen für 3 lastschaltbare Fahrbereiche ausgestattete Getriebe wird von zwei Verstellmotoren bedient. Im ersten Gang treiben beide Ölmotoren über die Kupplungen K1 und K2 das Getriebe an. Im Gang 2 wird Motor 1 auf Schwenkwinkel gestellt und durch Öffnen der Kupplung K1 aus dem Antrieb genommen (Motor steht still). Beim Wechsel in den 3. Gang wird Motor 1 mit Kupplung K3 bei Schwenkwinkel synchronisiert. Daraufhin wird durch gegengleiche Verstellung der Motoren die Last von Motor 2 auf Motor 1 übertragen und der Motor 2 bei Schwenkwinkel durch Öffnen von K2 aus dem Antrieb genommen. Ähnlich wie bei modernen Doppelkupplungsgetrieben wird der zu schaltende Gang durch Einkuppeln vorbereitet. Die Übergabe des Drehmomentes auf die Welle K3 geschieht durch Umsteuern der Ölmotoren bei geschlossenen Kupplungen. Beim Durchfahren der Gänge werden die Schwenkwinkel der Verstellmotoren elektro-proportional verstellt, Bild 8. Bild 9 zeigt die Betriebsgrößen an der Gelenkwelle und den 7

8 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Verstellmotoren während des Schaltvorganges vom zweiten in den dritten Fahrbereich. Der Kraftfluß ist in keinem Moment unterbrochen oder reduziert. Die Gelenkwellendrehzahl und somit die Fahrgeschwindigkeit nimmt stetig und ruckfrei zu. Verstellpumpe Verstellmotor 2 K2 K3 Vorderachse mit Betriebsbremse 2 kw Verstellmotor 1 K1 Selbstsperrdifferenzial Arbeits- und Lenkhydraulik Feststellbremse Zentrierte Doppelgelenkwelle Motorwinkel 1.Gang, K1+K2 2.Gang, K2 3. Gang, K Motor 1 Motor 2 Motor 1 7, km/h 4 Fahrgeschwindigkeit Bild 8: Radladerantrieb mit 2 Verstellmotoren und 3-Gang- Lastschaltgetriebe, Bauart LIEBHERR 2plus2. Das Getriebe und die hydrostatischen Komponenten werden durch einen Mikrokontroller gesteuert und überwacht. Neben der grundlegenden Schaltfunktion des Lastschaltgetriebes und der Verstellfunktion des Hydrostaten sind u.a. folgende Zusatzfunktionen implementiert: Tempomatfunktion: Eine beliebige, vom Fahrer eingestelllte Fahrgeschwindigkeit wird eingeregelt. Zugkraftbegrenzung: Die maximale Zugkraft der Maschine kann vom Fahrer auf die Traktionsbedingungen seines Terrains angepaßt werden. Dies verhindert ein Festfahren und Eingraben der Räder und reduziert den Reifenverschleiß. Wahl der Fahrbereiche: Der Fahrer kann die im Automatikmodus des Fahrantriebes ansteuerbaren Gänge wählen. Automatisches Reversieren: Die Maschine kann aus jeder Geschwindigkeit durch Umsteuern der Fahrpumpe reversiert werden. Der Mikrokontroller verzögert durch Rückschalten und Verstellung der Hydrostaten selbsttätig. 8

9 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Synchronsiertes Wechseln der Fahrbereiche: Beim Wechseln der Fahrbereiche wird die Wellendrehzahl des zu schaltenden Ganges vorsynchronisiert. Damit wird der Schaltvorgang auch von Beschleunigungsaufgaben innerhalb des Getriebes befreit. Bild 9: Meßfahrt mit dem 2-Motorengetriebe 2plus2 nach Bild 8. Betriebsgrößen während der Schaltung vom zweiten in den dritten Fahrbereich. Bei ca. 4, sec übernimmt der Motor1 das Antriebsmoment. Die Gelenkwellendrehzahl nimmt auch während der Schaltung stetig zu. Maximales Motorbremsmoment bei Bergabfahrt: Bei Bergabfahrt wird der Hydrostat so verstellt, daß das Stützmoment des Dieselmotores optimal genutzt wird. Die Betriebsbremse wird damit erheblich entlastet. Dabei werden die maximal zulässigen Drehzahlen des Dieselmotors, der Fahrpumpe und der Verstellmotoren ständig überwacht. Bei Erreichen der Grenzdrehzahlen wird die Maschine automatisch verzögert. Grenzlastregelung: Die zu jeder Leerlaufdrehzahl zulässige Motordrückung wird überwacht. Bei Überschreitung wird die Leistungsabnahme des Hydrostaten reduziert. Service-Code-Speicherung: Die wesentlichen Betriebsgrößen werden überwacht. Bei Abweichungen werden Service-Codes angezeigt und mit weiteren Details abgespeichert. Falls erforderlich werden Not-Fahrprogramme aktiviert. Optimierter Wirkungsgrad des Hydrostaten: Die beiden Verstellmotoren werden so verstellt, daß der Gesamtwirkungsgrad des Antriebes im Optimum gehalten wird. 9

10 Pfab, H.; Schröder, K.: Hydrostatisches Antriebs- und Steuerungssystem für Radlader WISSENSPORTAL baumaschine.de 3(23) Wirtschaftlichkeit und Anwendungsvorteile Mit dem neuen, hydrostatischen 2-Motorenantrieb in Radladern von Tonnen Einsatzgewicht wurden umfangreiche Meßfahrten zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit durchgeführt. Im Vergleich zu Radladern mit neuesten hydrodynamisch/mechanischen Antrieben ist ein Kraftstoffverbrauchsvorteil von durchschnittlich 3% nachgewiesen. Der Hydrostat mit nachgeschaltetem Lastschaltgetriebe besitzt alle Vorteile eines stufenlosen Kennungswandlers. Zusätzlich bieten sich folgende Funktionsmerkmale: Reversieren ohne Kupplungsbetätigung durch Schwenken der Schrägscheibenpumpe Zugkraftmaximum im Stillstand bei sehr gutem Wirkungsgrad Verlustfreie Momentenbegrenzung durch Hochdrucklimitierung (Druckabschneidung) Steuerbare Leistungsaufnahme durch Steuerdruckbegrenzung (Inchen) Völlig ruck- und verzögerungsfreier Wechsel der Fahrbereiche (Gänge) bei Zweimotorenkonzept (nach Bild 8) Damit steht ein Antrieb für Radlader zur Verfügung, der hinsichtlich Funktion, Komfort und Wirtschaftlichkeit konventionellen Antriebskonzepten überlegen ist. Quellen Der vorliegende Beitrag wurde dem VDI-Bericht Nr. 1793, 23 "Antriebssysteme für Off-Road- Einsätze", S. 8-9, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf entnommen. Autor Dr.-Ing. Herbert Pfab, Dipl.-Ing. Klaus Schröder Liebherr-Werk Bischofshofen GmbH Dr. Hans-Liebherr-Straße 4, Bischofshofen, Austria Tel.: +43 () 6462/ Internet: 1