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Technologieträger „Grüner Radlader“

Motivation

Projektziele

Lösungsansatz

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Zusammenfassung

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Motivation

Effiziente Antriebskomponenten und eine optimierte Ansteuerung können die Effizienz mobiler Arbeitsmaschinen erheblich verbessern. Für Teilsysteme mobiler Arbeitsmaschinen wie z.B. den Dieselmotor, den Fahrantrieb und die Arbeitshydraulik gibt es bereits eine Vielzahl energieeffizienter Antriebskonzepte. Darüber hinaus bietet die geschickte steuerungstechnische Verknüpfung der Teilsysteme zu anwendungsspezifischen Gesamtsystemen die Möglichkeit, den Wirkungsgrad signifikant zu erhöhen.


Projektziele

Ziel des Themenschwerpunkts »Grüner Radlader « ist es, neue energiesparende Antriebstechnologien für mobile Arbeitsmaschinen zu kombinieren, zu bewerten und zu erproben. Neben den effizienten Antriebslösungen für die Hauptverbraucher steht deren steuerungstechnische Verknüpfung im Fokus der Untersuchungen. Sie werden am Beispiel eines Radladers und eines Tagebaubaggers durchgeführt. Der Radlader dient als Demonstrationsmaschine zur Erprobung der Lösungen und ihrer Wechselwirkungen. Dabei spielen sowohl die Funktionalität als auch die Bedienbarkeit der Maschine eine wichtige Rolle.


Lösungsansatz

Der erste Schritt bestand in der Auswahl der vielversprechendsten Antriebslösungen für die einzelnen Teilsysteme entsprechend den Anforderungen eines Radladers mit 24 t Einsatzgewicht und einer Dieselmotorleistung von 200 kW. Eine übergeordnete Maschinensteuerung vereint die Teilsysteme zu einem innovativen Gesamtantriebskonzept. Die Simulation wurde in der Systementwicklung genutzt, um komplexe Ansteuerstrategien zu entwickeln und erzielbare Einsparpotenziale abzuschätzen.

Mithilfe von Prüfständen war es zudem möglich, die korrekte Funktionsweise der Teilsysteme bereits in frühen Entwicklungsphasen des Projekts zu evaluieren. Ein »Hardware in the Loop«(HiL)-Prüfstand unterstützte die Softwareentwicklung für die Maschinensteuerung des »Grünen Radladers«. Nach Montage und Inbetriebnahme des Demonstrators wurde die Betriebsstrategie unter realistischen Bedingungen entwickelt und erprobt. Vergleichsfahrten mit einer konventionellen Maschine dienten dazu, die erzielbare Kraftstoffersparnis nachzuweisen. Für das Anwendungsbeispiel Tagebaubagger konzentrierten sich die Arbeiten auf simulative Untersuchungen.


Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Effizientes Antriebs- und Steuerungskonzept

Den Aufbau des Antriebssystems des »Grünen Radladers« zeigt Abb. 1. Der in einem anderen Themenschwerpunkt entwickelte betriebsbereichsoptimierte Dieselmotor treibt über ein Pumpenverteilergetriebe das Leistungsverzweigungsgetriebe an, das Bosch Rexroth beigesteuert hat. Die Hub- und die Kippfunktion der Arbeitsausrüstung werden jeweils verdrängergesteuert von einer separaten Einheit von Danfoss Power Solutions im geschlossenen hydrostatischen Kreis betrieben. Sowohl der Fahrantrieb als auch die Arbeitshydraulik sind in der Lage, Energie beim Verzögern oder Absenken von Lasten in das Antriebssystem zurückzuspeisen und anderen Verbrauchern zur Verfügung zu stellen. Ein hydrostatisches Parallelhybridsystem nimmt überschüssige Energie auf, die sonst in Schleppverlusten dissipiert. Dieses besteht aus einer Verdrängereinheit von Liebherr und dem Doppelkolbenspeicher der Firma HYDAC und unterstützt als dynamische Leistungsquelle bzw. -senke den Dieselmotor. Die Montage des Demonstrators und die Integration der Subsysteme führte Liebherr auf Basis einer Serienmaschine durch.

Jedes Subsystem verfügt über ein separates Steuergerät, das Ansteuer-, Diagnose- und Sicherheitsfunktionen umfasst. Eine zentrale Maschinensteuerung, die das Institut für Fluidtechnik der TU Dresden entwickelt und programmiert hat, steuert die Subsysteme via CAN (Controller Area Network)-Bus in Abhängigkeit der Bedienereingaben. Das Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung der RWTH Aachen befasste sich mit der Simulation und Erprobung des Leistungsverzweigungsgetriebes und entwarf Algorithmen zur verbesserten Abstimmung von Fahrantrieb und Dieselmotor.

Drehzahloptimierte Betriebsstrategie

Im Gegensatz zu konventionellen Maschinen beeinflusst der Bediener die Drehzahl des Dieselmotors nicht direkt. Stattdessen interpretiert die Maschinensteuerung die Signale aus Joystick und Fahrpedal als Geschwindigkeits- und Zugkraftwünsche für Arbeitsausrüstung und Fahrantrieb. Die Software ermittelt auf deren Basis die minimal notwendige Dieselmotordrehzahl, um die Bedieneranforderungen zu erfüllen (Abb. 2). Somit ist gewährleistet, dass die Maschine auf der technisch möglichen niedrigsten Drehzahl agiert.

Darüber hinaus wurden zwei Strategien zur verbesserten Abstimmung von Dieselmotor und Fahrantrieb entwickelt. Im ersten Ansatz folgt die Drehzahlvorgabe lastabhängig der idealen Verbrauchslinie des Dieselmotors. Dies resultiert durch eine Verschiebung der Betriebspunkte gegenüber der Standardbetriebsdrehzahl in niedrigeren Drehzahlen bei höheren Drehmomenten. Im zweiten Ansatz wird die effizienzoptimale Betriebspunktkombination von Getriebe und Dieselmotor für den aktuellen Fahrzustand ermittelt. Beide Ansätze erreichen in der Simulation ähnliche Einsparpotenziale.

Die Betriebsstrategie des »Grünen Radladers« verringert die Schleppverluste im Antriebsstrang und führt aufgrund steigender Auslastung zu höheren Motorwirkungsgraden. Im Ladebetrieb arbeitet der Dieselmotor in einem Solldrehzahlband von 1.400 bis 1.600 U/min. In Abhängigkeit der aktuellen Betriebsbedingungen dosiert ein überlagertes Leistungsmanagement das Drehmoment des Hybridmoduls zur dynamischen Unterstützung des Motors. Durch den Eingriff in die Stellgrößen der Subsysteme wird ein Abwürgen oder Überdrehen verhindert.

Modulare Softwarearchitektur der Maschinensteuerung

Die Maschinensteuerung vereinigt alle Steuerungskomponenten zu einem Gesamtsystem. Die Steuerungssoftware ist modular nach dem Prinzip der Trennung von Verantwortlichkeiten gestaltet. Für jedes Teilsystem existiert ein separates Steuerungsmodul mit entsprechenden Schnittstellen. Eine Zustandsmaschine regelt den prinzipiellen Ablauf des Radladers. Sie initialisiert alle Teilsysteme, gewährleistet den Stillstands- und den Operationsbetrieb sowie das definierte Abschalten aller Systeme, wenn die Zündung deaktiviert wird oder ein Fehler auftritt.

Das Leistungsmanagement fungiert als übergeordnetes Kontrollorgan für Effizienz und Funktionalität. Es koordiniert die Leistungsverteilung auf die Subsysteme und gewährleistet den Schutz des Antriebssystems vor Überdrehzahl und Überlastung. Das Kommunikationsmodul bildet die Schnittstelle zwischen Maschinensteuerung und dem Rest des Systems. Durch diese Abstraktion ist prinzipbedingt eine Plattformunabhängigkeit der Steuerung möglich.

HiL-Prüfstand zur effizienten Systementwicklung

Zur effizienten Entwicklung der Maschinensteuerungssoftware wurde ein »Hardware in the Loop«(HiL)-Prüfstand entwickelt (Abb. 3). Echtzeitfähige Simulationsmodelle der Antriebs- und Steuerungskomponenten bilden das relevante Verhalten der Maschine nach. Das Bedieninterface (Joystick, Display, Pedale) wurde im Original in den HiL-Prüfstand integriert. Neben der Kommunikation und Benutzerinteraktion lassen sich implementierte Steuerungsalgorithmen auf diese Weise gefahrlos erproben. Im Zusammenspiel mit definierten Testroutinen ermöglicht dieser Versuchsaufbau eine automatisierte Prüfung und Fehlerbehebung der Steuerungssoftware und der eingesetzten Controller.

Prüfstandsversuche zur Vorbereitung der Fahrzeugintegration

Um die Fahrzeugintegration vorzubereiten, wurde das Leistungsverzweigungsgetriebe auf dem Verspannungsprüfstand des Instituts für Maschinenelemente und Maschinengestaltung der RWTH Aachen (IME) unter realitätsnahen Lastbedingungen vermessen. Es erfolgte eine Bestimmung des Verlustverhaltens zur Validierung des detaillierten Simulationsmodells, das am IME aufgebaut und für Systemsimulationen genutzt wurde. Mit der eingesetzten Parametrierung konnte ab einer Ausgangsleistung von 40 kW bereits eine Modellgenauigkeit von +/– 4 % gegenüber den Messungen erzielt werden (2. Fahrbereich in Abb. 4 dargestellt). Auf dem Prüfstand wurden zudem die Getriebeverstelldynamik untersucht und die Steuerung des Hybridmodells in Betrieb genommen, sodass die Grundfunktionalität vor der Fahrzeugintegration abgesichert werden konnte. Nach der Erprobung des Demonstrators in einem Kieswerk erfolgte ein weiterer Optimierungslauf auf dem IME-Prüfstand. Reproduzierbare Lastbedingungen ermöglichten hier eine gezielte Analyse und Abstimmung der Steuerungsparameter.

Funktionalität und Effizienz im Praxistest

Nachdem die Komponententests und die Prüfstandsversuche erfolgreich verlaufen waren, wurden alle Subsysteme in die Demonstratormaschine »Grüner Radlader« integriert. Testfahrten in einer Kiesgrube dienten dazu, die Funktionalität und die Leistungsfähigkeit zu überprüfen und die Maschinensteuerung weiterzuentwickeln. Die Drehzahlführung des Dieselmotors entlang der optimalen Verbrauchslinie wurde erprobt. Vor allem bei längeren Fahrstrecken kann durch eine Drehzahlabsenkung im Teillastbetrieb der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Professionelle Baumaschinenführer unterstützten das gesamte Vorhaben, sodass auch Aspekte der Bedienerfreundlichkeit ausreichend Berücksichtigung fanden.

Für die realistischen Vergleichsfahrten in der Kiesgrube (Abb. 5) wurde als Vergleichsmaschine eine hocheffiziente Maschine jüngster Generation gewählt, die gegenüber der anfangs betrachteten Referenz schon über eine ausgefeilte Betriebsstrategie verfügt. Angetrieben wird sie über einen EU-Stufe-4-Dieselmotor mit 12,8 l Hubraum und einer Leistung von 220 kW sowie einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit Überbrückungskupplung und 4-Gang-Lastschaltgetriebe. Im direkten Vergleich konnte der »Grüne Radlader« im kurzen Ladespiel bereits in den ersten Messungen mehr als 10 % Kraftstoffersparnis verbuchen.

Erreicht werden diese Einsparungen durch die kontinuierlich verstellbaren und rückspeisefähigen Systemlösungen für Fahrantrieb und Arbeitsausrüstung, den geringen Hubraum sowie die niedrige Betriebsdrehzahl (Abb. 6). Vor allem beim Einstechen ins Haufwerk mit hohem Zugkraftbedarf sowie beim Beschleunigen arbeitet die Referenzmaschine bei höheren Drehzahlen an der Leistungsgrenze. Der Motor des »Grünen Radladers« hingegen wird überwiegend bei gutem Wirkungsgrad betrieben. Die beim Verzögern rückgespeiste Energie kann direkt von anderen Subsystemen und Nebenverbrauchern regeneriert oder vom Hybridsystem zwischengespeichert werden.

Einsparpotenzial auch für Tagebaubagger

Mit ähnlichen Ansätzen zu Antriebsstruktur und Ansteuerung konnten auch für Tagebaubagger große Einsparpotenziale aufgezeigt werden. Das neue verdrängergesteuerte Antriebssystem basiert auf bereits vorhandenen Komponenten und arbeitet im offenen hydrostatischen Kreislauf. Es spart in der Simulation im Vergleich zur herkömmlichen Open-Center-Struktur über einen repräsentativen 30 Sekunden langen Grabzyklus 28 % Kraftstoff. Legt man eine Standard-Maschinenbenutzung zugrunde, entspricht dies einer Kraftstoffeinsparung von über 1.300 l Diesel pro Tag.


Zusammenfassung

Der Technologiedemonstrator »Grüner Radlader« vereint

  • einen optimierten Dieselmotor,
  • ein Leistungsverzweigungsgetriebe,
  • eine verdrängergesteuerte Arbeitshydraulik und
  • ein hydrostatisches Hybridsystem zu einem innovativen Antriebsstrang.

Durch eine Verknüpfung der Teilsysteme mittels einer innovativen Betriebsstrategie konnte der Demonstrator im praktischen Einsatz mehr als 10 % Kraftstoff gegenüber einer aktuellen Serienmaschine einsparen.
Radlader Interaktion


Verbundpartner

  • Argo-Hytos GmbH (assoziiert)
  • Bosch Rexroth AG
  • Caterpillar Global Mining HMS GmbH (assoziiert)
  • Danfoss Power Solutions
  • HYDAC INTERNATIONAL
  • Hydrive Engineering GmbH
  • Liebherr-Hydraulikbagger GmbH
  • RWTH Aachen, Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung
  • TU Dresden, Institut für Fluidtechnik

Kontakt

Tu Dresden, Institut für Fluidtechnik
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber
Tel.: +49 (0)351 463-33559
Email: mailbox@ifd.mw.tudresden.de
Internet: www.tu-dresden.de/mwifd