Innovative Stufenlosgetriebe für den OffHighway-Bereich

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1 47 Innovative Stufenlosgetriebe für den OffHighway-Bereich Dipl.-Ing. Heinz Aitzetmüller hofer forschungs- und entwicklungs GmbH & Co KG Gewerbepark 1 A-4451 Garsten/ Steyr h.aitzetmueller@hofer-powertrain.at 1 Abstract Beim vorgestellten VDC (Variable Double Clutch-) Getriebesystem ist ein 4Gang Doppelkupplungsmodul mit einem hydrostatischen Variator kombiniert. Dadurch wird ein Stufenlosgetriebe erreicht, in welchem die funktionellen Vorteile von hydrostatischen Antrieben mit den Wirkungsgradvorteilen rein mechanischer Übertragungselemente kombiniert sind. Das VDC Getriebe zeichnet sich durch einfachen, kostengünstigen Getriebeaufbau aus und kann mit geringem Aufwand an spezielle Anforderungen und Einbausituationen angepasst werden. Das VDC Getriebesystem eignet sich bestens für Traktoren, Kommunalfahrzeuge, Handlingfahrzeuge und Arbeitsmaschinen, in welchen hohe Anforderungen an Zugkräfte, Positioniergenauigkeit, Shuttlefunktion und hohe Transportgeschwindigkeiten bei guten Wirkungsgraden gefordert sind. Schlüsselwörter: Stufenlosgetriebe, CVT, Doppelkupplungsgetriebe, hydrostatisch-mechanische Leistungsüberlagerung, Hydrostat, elektrischer Variator

2 48 Innovative Stufenlosgetriebe für den Off-Highway-Bereich 2 Einleitung Automatische Antriebssysteme unter Verwendung von rein hydrostatischen Antrieben oder Wandlergetrieben definieren in Baumaschinen, Handlingmaschinen und Erntemaschinen den aktuellen Stand der Technik. Die Haupt- Anforderungen an diese Fahrantriebssysteme sind: Weiches, dosierbares Anfahrverhalten Leichte Reversiermöglichkeit Positioniergenauigkeit Stufenlose Anpassung der Arbeitsgeschwindigkeit Robustheit und hohe Zuverlässigkeit Hohe Transportgeschwindigkeit Die Forderung nach gutem Wirkungsgrad hat bei den oben genannten Anwendungen nur eine untergeordnete Bedeutung, weil unter normalen Arbeitsbedingungen die Haupt- Antriebsleistung des Antriebsmotors in den Arbeitsgeräten verbraucht wird und nur ein geringer Teil vom Fahrantrieb benötigt wird. Nicht zuletzt aufgrund ständig steigender Energiekosten werden jedoch zunehmend Möglichkeiten gesucht, die Effizienz von Antriebssträngen zu verbessern und somit den Kunden nachvollziehbare Vorteile im Energieverbrauch zu bieten. Die funktionellen Anforderungen an Traktor- Fahrantriebe sind ähnlich den Anforderungen für Baumaschinen, allerdings liegt der Einsatzschwerpunkt bei Traktoren in der Bewältigung von Zug- und Transportaufgaben. Zwar werden Traktoren ebenfalls als Geräteträger und Handlinggeräte verwendet, jedoch zu einem wesentlich geringeren Anteil als die auf die jeweiligen Aufgabenstellungen zugeschnittenen Spezialmaschinen. Bei Ackerschleppern liegt daher besonderes Augenmerk auf der Erreichung sehr guter Antriebsstrang- Wirkungsgrade in den Hauptarbeitsbereichen. Dabei liegen die Hauptarbeitsbereiche zwischen 6 und 12 km/h (Zugarbeiten, Pflugeinsatz, Grubber), zwischen 17 und 23 km/h (Mäharbeiten, Pflegearbeiten) und bei den maximal möglichen Geschwindigkeiten zwischen 35 und 40 (bzw. 50) km/h zur Abdeckung von Transportaufgaben. Moderne, automatische Antriebssysteme für Traktoren sind heute in Form automatisierter Teil- und Volllastschaltgetriebe, sowie in Form von Stufenlosgetrieben auf dem Markt verfügbar. Alle derzeit auf dem Markt befindlichen Traktor- Stufenlosgetriebe funktionieren nach dem Prinzip hydrostatisch- mechanischer Leistungsverzweigung, wobei unterschiedliche Philosophien verfolgt werden. In dem durch Fendt entwickelten Vario System werden spezielle Hydraulikeinheiten in Schrägachsenbauweise mit großen Schluckvolumina verwendet, wobei die Anzahl mechanischer Übertragungselemente gering gehalten wird. Zur Erreichung der erforderlichen Zugkräfte einerseits und der hohen Transportgeschwindigkeiten andererseits sind die Antriebssysteme mit einem zweistufigen Rangegetriebe ausgerüstet. Einen anderen Ansatz verfolgt ZF mit ihren Stufenlosgetrieben ECCOM und S-

3 49 Matic, bei welchen die erforderliche Getriebespreizung durch einen hohen mechanischen Aufwand bei relativ kleinen Hydrostateinheiten erreicht wird. Sowohl beim ECCOM, als auch dem S-Matic wird der mechanische Getriebeteil mit mehreren Planetensätzen dargestellt, wobei die Umschaltung zwischen den einzelnen Gängen jeweils bei Synchrondrehzahl an den Lamellenkupplungen bei ECCOM bzw. den Klauenkupplungen beim S-Matic erfolgt. Das durch die Firma CLAAS verfolgte Konzept eines Stufenlosgetriebes HM8 mit 8 mechanischen Getriebestufen bzw. HM2 mit 5 mechanischen Stufen wurde zwar in Prototypfahrzeugen realisiert, jedoch nicht in Serie umgesetzt. Die Markteinführung des ersten Fendt Traktors mit Vario Getriebe erfolgte im Jahr 1996 mit einem 260 PS Schlepper. In der Zwischenzeit bietet Fendt Traktoren im Leistungsbereich von 95 PS bis 310 PS mit Vario- Stufenlosgetrieben an. Insgesamt wurden nach Angaben von Fendt bereits mehr als Traktoren mit Vario Getrieben verkauft. Das S-Matic Getriebe ist seit dem Jahr 2000 in Serienproduktion (Case/Steyr Reihe CVX/ CVT), der Serienstart des ECCOM Getriebes erfolgte im Jahr 2001 (JohnDeere Baureihe 6000, Deutz TTV). JohnDeere hat ein eigenes System von Stufenlosgetrieben entwickelt, welches, wie das Fendt System, mit großvolumigen Hydrostaten in Schrägachsenbauweise mit Weitwinkeltechnik arbeitet. Dieses System ist in den Baureihen 7000 und 8000 auf dem Markt. Bei Traktoren setzen die auf dem Markt befindlichen Stufenlosgetriebe die Standards in Funktion und Wirkungsgrad und auch im Preis. Im Vergleich zu Lastschaltgetrieben liegen die Herstellkosten der beschriebenen Systeme und somit die Verkaufspreise der mit Stufenlosgetrieben ausgerüsteten Traktoren deutlich über vergleichbaren Produkten mit einfacherer Technik. Vor diesem Hintergrund wurden bei der Firma hofer Konzeptstudien durchgeführt mit dem Ziel kostengünstige, effiziente stufenlose Antriebssysteme für Traktoren in Leistungsbereichen zwischen 80 und 130 PS zu erarbeiten. In Form des Variablen Doppelkupplungsgetriebes (VDC- Getriebe) wurde durch die Kombination eines Doppelkupplungsgetriebes mit einem hydrostatischen Variator ein äußerst flexibles, kostengünstiges und effizientes Antriebssystem entwickelt, welches nicht nur in Traktoren, sondern auch beste Eigenschaften für den Einsatz in diversen Arbeitsmaschinen aufweist. 3 Doppelkupplungsgetriebe-Geschichte, Funktion Erste Patentanmeldungen zu Doppelkupplungsgetrieben liegen mehr als 80 Jahre zurück. In den 70er Jahren wurde das Prinzip von Porsche aufgegriffen und in Rennsportfahrzeugen umgesetzt. Erst mit dem Direktschaltgetriebe wurde durch VW dieses Getriebekonzept erstmals in Serienfahrzeugen eingeführt. Bei Doppelkupplungsgetrieben wird die Antriebsleistung über zwei getrennte Antriebsstränge übertragen, welche durch Beaufschlagung der jeweiligen Kupplung aktiviert werden. An der freien Getriebewelle kann der nächste gewünschte Gang vorgewählt und über die Synchronisiereinrichtung mit der freien Getriebe-

4 50 Innovative Stufenlosgetriebe für den Off-Highway-Bereich welle verbunden werden. Durch überlappendes Schließen und Öffnen der beiden Kupplungen wird die Antriebsleistung auf die bisher freie Welle bzw. die vorgewählte Übersetzungsstufe übertragen. Der prinzipielle Aufbau ist in Bild 1 dargestellt. Durch die Doppelkupplung können die Gänge auf den beiden Antriebswellen analog zu Lastschaltstufen ohne Zugkraftunterbrechung geschaltet werden. Durch die unterbrechungsfreie Umschaltung der Gänge eignet sich das Doppelkupplungskonzept bestens für alle Anwendungen, in denen heute Lastschaltgetriebe eingesetzt werden. Bild 1: Prinzip Doppelkupplungsgetriebe 4 Variables Doppelkupplungsgetriebe - VDC Auf der Suche nach Lösungsansätzen für kostengünstige und effiziente Antriebssysteme, mit welchen eine optimale Anpassung an die unterschiedlichsten Anforderungen ermöglicht wird, wurde eine Kombination aus einem Doppelkupplungsgetriebe und einem hydrostatischen Variator entworfen. Durch die gewählte Anordnung der Komponenten werden die funktionellen Vorteile von hydrostatischen Antrieben mit den Vorteilen von rein mechanischen Leistungsübertragungselementen kombiniert. Bild 2 zeigt das Getriebeschema des VDC Getriebes für ein Traktortriebwerk, in den Bildern 3 und 4 sind die Hauptkomponenten als 3D-CAD Modell bzw. ist das erstellte Prototypgetriebe dargestellt. Dieses Variable Doppelkupplungsgetriebe ist ein hydrostatisch mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe mit 4 mechanischen Übersetzungsstufen und einem Bereich mit rein hydrostatischer Leistungsübertragung.

5 Bild 2: Getriebeschema VDC Getriebe Bild 3: Komponentenanordnung VDC Getriebe Bild 4: VDC Getriebe für Traktor 51

6 52 Innovative Stufenlosgetriebe für den Off-Highway-Bereich 4.1 Funktionsbeschreibung VDC Getriebe Durch Schließen der Kupplung am Hohlrad wird der rein hydrostatische Fahrbereich aktiviert und das Fahrzeug kann bei geringen Geschwindigkeiten betrieben werden. In diesem hydrostatischen Fahrbereich können die Vorteile des rein hydrostatischen Antriebs wie feinfühliges Rangieren, Betrieb bei Kriechgeschwindigkeiten, Shutteln genutzt werden. Die Größe der zu installierenden hydrostatischen Komponenten wird durch die erforderliche Zugkraft und die zulässige Druckbelastung, sowie durch die Drehzahlgrenzen der Hydrostateinheiten bestimmt. Soll das Fahrzeug höhere Geschwindigkeiten erreichen, werden am Hohlrad über die Stirnradstufen des Doppelkupplungsgetriebes entsprechende Drehzahlen angelegt. Innerhalb eines jeden mechanischen Bereiches wird die Getriebeübersetzung durch Veränderung der Sonnenraddrehzahl stufenlos an die jeweiligen Bedingungen angepasst. Das Geschwindigkeitsschaubild bei konstanter Eingangsdrehzahl ist in Bild 5, der Verlauf der Drehzahlen der beteiligten Komponenten in Abhängigkeit der Getriebeübersetzung ist in Bild 6 dargestellt. Die Breite der in einem Gang variierbaren Getriebeübersetzung ist in allen Gängen gleich. Während des Umschaltvorganges wird die Drehzahl des Sonnenrades durch Veränderung des Schwenkwinkels an der Hydrostatpumpe so angepasst, dass die sich ändernde Drehzahl am Hohlrad kompensiert wird und die Getriebeübersetzung nach dem Umschaltvorgang dieselbe ist wie vor dem Umschaltvorgang. Im Bild 7 sind die während der Hoch- bzw. Rückschaltung gemessenen Drehzahlverläufe an wesentlichen Komponenten gezeigt. In dem Bild ist die lineare Zunahme der Abtriebsdrehzahl am Planetenträger (Output Shaft) erkennbar, was durch eine annähernd lineare Beschleunigung des Hohlrades (Ring Gear) durch entsprechende Steuerung des Druckes an der Lamellenkupplung bei gleichzeitiger Anpassung der Sonnenraddrehzahl (Sun Gear) erfolgt. 3rd Gear 2nd Gear 1st Gear Hydrostatic Drive Reverse Gear Vehicle Speed [kph] Bild 5: Geschwindigkeitsschaubild VDC Getriebe bei konstanter Eingangsdrehzahl

7 Ring Gear Sun Gear Carrier T/M Input Speed ,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 1 / ratio Bild 6: Drehzahlen Getriebekomponenten Bild 7: Drehzahlverlauf der Komponenten während einer Hochschaltung 2,5

8 54 Innovative Stufenlosgetriebe für den Off-Highway-Bereich Bild 8: Drehzahlverlauf der Komponenten bei Rückschaltung von 3. auf 1. Gang In analoger Weise erfolgen Rückschaltungen. Die Drehzahlverläufe bei Rückschaltung vom 3. Gang über den 2. Gang in die erste Übersetzungsstufe sind im Bild 8 gezeigt. Die Übersetzungen in den Stirnradstufen sind weitgehend frei wählbar, sodass sie auf die jeweiligen spezifischen Einsatzbedingungen mit geringem Aufwand angepasst werden können. Im Falle des Traktorgetriebes sind die Übersetzungen im mechanischen Getriebeteil so gewählt, dass die Gänge unter Nutzung der hydrostatischen Spreizung aneinander anschließen und in den Hauptarbeitsbereichen geringe hydrostatische Leistungen übertragen werden. In diesen Betriebspunkten besitzt das Getriebe die besten Wirkungsgrade. Wird ein höherer Leistungsanteil hydrostatisch übertragen, so fällt der Wirkungsgrad entsprechend den auftretenden Verlusten im hydrostatischen Übertragungszweig ab. In den Wirkungsgradschaubildern ist dieser Effekt durch die, auch von anderen Stufenlosgetrieben mit hydrostatisch- mechanischer Leistungsverzweigung bekannten, Kamelbuckeln deutlich ersichtlich (Wirkungsgradverlauf für Traktorgetriebe in Bild 9). Der dargestellte Wirkungsgradverlauf zeigt eindrucksvoll den durch die Leistungsverzweigung erreichten Vorteil gegenüber dem rein hydrostatischen Antrieb, wie er bei geringen Geschwindigkeiten auftritt. In den dargestellten Kurven ist eine Getriebe- Eingangsleistung von 85 kw angenommen, weiters sind alle Verlustträger inklusive der hydraulischen Versorgung berücksichtigt. Je höher die Drehzahlen des Hohlrades liegen, desto geringer wird die hydrostatisch übertragene Leistung.

9 55 100% 95% 90% Efficiency 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% -1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 1 / ratio Bild 9: Wirkungsgradverlauf VDC Getriebe Bei hohen Transportgeschwindigkeiten wird die Leistung fast ausschließlich mechanisch übertragen und das Getriebe zeigt auch bei hohen Abtriebsdrehzahlen sehr gute Wirkungsgrade. 4.2 VDC Getriebe Offlineversion Für Traktoren ist das VDC Getriebe in der gestreckten sogenannten Inlineversion vorgesehen, für andere Anwendungen ist eine möglichst kurze Getriebebauform gefordert. In den folgenden Bildern sind das Getriebeschema und das CAD- Modell einer Offline-Variante dargestellt, in welcher die mechanischen Leistungspfade über zwei parallel liegende Vorgelegewellen geführt werden. Diese Variante baut wesentlich kürzer als die Inlineversion, außerdem kann der meist erforderliche Versatz zwischen Eingangs- und Abtriebswelle einfach angepasst werden. Abb. 10: Getriebeschema Offline-Version; Abb. 11: CAD Modell Offline- Version

10 56 Innovative Stufenlosgetriebe für den Off-Highway-Bereich 4.3 VDC Getriebe für Kommunalfahrzeuge Die funktionellen Anforderungen an die Antriebsstränge von Kommunalfahrzeugen können nur durch effiziente Stufenlosgetriebe abgedeckt werden. Derzeit bestehen die Antriebssysteme entweder aus rein hydrostatischen Antrieben mit nachgeschalteten Stufengetrieben oder aus Schaltgetrieben, welche bei geringen Geschwindigkeiten rein hydrostatisch betrieben werden können. Dies wird erreicht, indem der mechanische Strang abgekoppelt und der hydrostatische Antrieb zugeschaltet wird. Diese Systeme sind aufwändig und verursachen hohe Herstellkosten. Mit dem VDC Getriebe mit vier Vorwärtsgängen können die Anforderungen von Kommunalfahrzeugen optimal abgedeckt werden. Der Betrieb bei Kriechgeschwindigkeiten und die Retourfahrt erfolgt rein hydrostatisch. Durch die vier Vorwärtsgänge kann eine hohe Fahrzeug- Endgeschwindigkeit erreicht werden. Über den gesamten Fahrbereich liegen die Wirkungsgrade auf sehr gutem Niveau. In Bild 11 ist ein Getriebeschema gezeigt, Bild 12 zeigt das zugehörige Geschwindigkeitsdiagramm. In den Bildern 13 und 14 sind CAD Modelle des Getriebes dargestellt. Bild 11: Getriebeschema VDC Getriebe für Kommunalfahrzeuge

11 3600 Eingangs drehzah l 4th Gear 57 3rd Gear 2nd Gear 1st Gear Hydrosta tic Drive Geschwindigkeit [km/h] Bild 12: Geschwindigkeitsdiagramm VDC Getriebe für Kommunalfahrzeuge Bilder 13 und 14: VDC Getriebe für Kommunalfahrzeuge 4.4 VDC Getriebe mit elektrischem Variator Durch die spezielle Getriebekonfiguration wird immer nur ein Teil der Eingangsleistung über den Variator übertragen, sobald einer der mechanischen Gänge aktiviert ist. Wird anstelle des hydrostatischen Variators ein elektrischer Variator in der Kombination von Generator und Elektromotor und eines elektrischen Speichers verwendet, lassen sich zusätzlich zu den beschriebenen Vorteilen des stufenlosen Antriebssystems weitere Vorteile wie Boost Power, rein elektrischer Betrieb, wenn auch nur über kurze Strecken, sowie Rekuperation der Bremsenergie darstellen. Nach ersten Auslegungen liegt bei einer Eingangsleistung von 120 kw die zu installierende elektrische Leistung bei 25 bis 30 kw. Der Vorteil des Elektromotors gegenüber dem Hydromotor liegt in der relativ hohen Überlastfähigkeit bei kurzzeitigem Momentenbedarf.

12 58 Innovative Stufenlosgetriebe für den Off-Highway-Bereich Angesichts der relativ geringen elektrischen Leistung und der erreichten Fortschritte in Punkto Leistungsdichte und Herstellkosten in der elektrischen Antriebstechnik könnte ein Antriebssystem nach dem im Bild 15 dargestellten Getriebeschema eine interessante Lösung zur Erfüllung der zukünftigen Anforderungen an Arbeitsmaschinen- Antriebsstränge darstellen. G Inverter M Batterie Bild 15: VDC Getriebe mit elektrischem Variator 5 Zusammenfassung und Ausblick Doppelkupplungsgetriebe bieten Vorteile in den Punkten Herstellkosten und Wirkungsgrad bei Anwendungen in Arbeits- und Landmaschinen gegenüber konventionellen Lastschaltgetrieben. Die im VDC Getriebe realisierte Kombination des Doppelkupplungsgetriebes mit einem hydrostatischen Variator ergibt ein effizientes Stufenlosgetriebe. Das Getriebe ist infolge des einfachen Getriebeaufbaus kostengünstig herstellbar und kann durch weitgehend freie Auslegung der mechanischen Übersetzungsstufen mit geringem Aufwand an spezielle Kundenwünsche angepasst werden. Neben dem Einsatz in Traktoren eignet es sich hervorragend für Handlingmaschinen und ähnliche Anwendungen, in welchen gute Wirkungsgrade, hohe Zugkräfte, feinfühliges Rangieren und hohe Transportgeschwindigkeiten gefragt sind. Das VDC Getriebe vereint die funktionellen Vorteile von hydrostatischen Antrieben mit den Wirkungsgradvorteilen von mechanischen Antrieben. Durch Verwendung eines elektrischen Variators anstelle des hydrostatischen können zusätzliche funktionelle Vorteile erreicht werden, wobei die Baugrößen der elektrischen Komponenten klein gehalten werden können.

13 59 6 Literatur: [1] Resch, R.: Leistungsverzweigte Mehrbereichsfahrantriebe mit Kettenwandlern. Dissertation TU München [2] Förster, H. J.: Stufenlose Fahrzeuggetriebe in mechanischer, hydrostatischer, hydrodynamischer, elektrischer Bauart und in Leistungsverzweigung. Hrsg. von M. Mitschke und F. Frederich 1996 G. [3 Lechner, H. Naunheimer: Fahrzeuggetriebe. Springer Verlag 1994 [4] J. Looman: Zahnradgetriebe. Springer Verlag 2. Aufl [5] Renius Karl Th.: Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen, Überblick zum Stand der Technik, Wissensportal Baumaschine.de, 2004 [6] Seeger J.: Leistungsverzweigte Getriebe in Traktoren, O+P Ölhydraulik und Pneumatik, 3/2005