Aufrufe
vor 1 Jahr

Mobile Maschinen 1/2015

Mobile Maschinen 1/2015

Verbundprojekt TEAM –

Verbundprojekt TEAM – Technologieträger Grüner Radlader 5. Teil: Kraftstoffeinsparung durch optimierte Komponenten und innovative Maschinensteuerung Markus Schneider, Oliver Koch, Jürgen Weber, Markus Bach, Georg Jacobs Neben den Komponenten des Antriebssystems bestimmt die Maschinensteuerung maßgeblich den Kraftstoffverbrauch mobiler Arbeitsmaschinen. Die im BMBF-Forschungsprojekt TEAM entwickelte Demonstratormaschine „Grüner Radlader“ soll im Praxisversuch zeigen, welches Energieeinsparpotenzial mit heute verfügbarer Antriebstechnologie und einer ganzheitlich optimierten Steuerungsstrategie nutzbar ist. Motivation Vor dem Hintergrund gesetzlicher Emissionsregularien (EU Stufe 4, US TIER 4 final) und zunehmender Betriebskosten steigt die Attraktivität neuer, energieeffizienter Antriebskonzepte in mobilen Arbeitsmaschinen. Bau- und Landmaschinen bieten insbesondere durch den Einsatz effizienter Antriebskomponenten und einer optimierten Abstimmung der Ansteuerung nach wie vor großes Energieeinsparpotenzial. In den letzten Jahren wurden für die verschiedenen Subsysteme eines Antriebsstranges bestehende Lösungen kontinuierlich weiterentwickelt und neue, innovative Konzepte entworfen. Entwicklungen wie Leistungs- Dipl.-Ing. Markus Schneider und Dipl.-Ing. Oliver Koch sind wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fluidtechnik (IFD) der TU Dresden, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber ist Institutsleiter Dipl.-Ing. Markus Bach ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs ist Institutsleiter verzweigungsgetriebe [1], verdrängergesteuerte Arbeitsausrüstungen [2] und Hybridsysteme [3] haben ihr Potenzial bereits in praktischen Anwendungen gezeigt. Bisher wurden jedoch nur einzelne Antriebe durch neuartige Lösungen ersetzt. Ein konsequenter Austausch aller Subsysteme und deren ganzheitliche steuerungstechnische Verknüpfung sind bisher nicht öffentlich bekannt und diskutiert. Am Beispiel eines Radladers mit 24 t Einsatzgewicht und 200 kW installierter Motorleistung werden die genannten Technologien zum ersten Mal in einem Antriebsstrang vereinigt. Neben Effizienzvorteilen der einzelnen Systeme und ihrem Energierückspeisevermögen sind Kraftstoffeinsparungen vor allem durch die steuerungstechnischen Freiheiten in der Abstimmung der Maschine zu erwarten. In Praxisversuchen soll gezeigt werden, welche Kraftstoffeinsparung unter realen Einsatzbedingungen möglich ist. Im Forschungsprojekt TEAM arbeiten mehr als 20 Maschinenhersteller, Zulieferer und Hochschulinstitute zusammen, um die Entwicklung von Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen voranzutreiben. TEAM wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. www.team-mobilemaschinen.de Teil 1 Ermittlung der Energieeffizienz – Methodik und Werkzeuge Teil 2 Prognosewerkzeug zur Bestimmung des Prozesseinflusses Teil 3 Hybridantrieb - Neues Optimierungspotenzial für den Dieselmotor Teil 4 Elektrische High-Speed-Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen Teil 5 Technologieträger „Grüner Radlader“ 10 Mobile Maschinen 1/2015

SERIE I NACHRICHTEN 02 Struktur der Betriebsstrategie des „Grünen Radladers“ 01 Antriebsstrang des „Grünen Radladers“ Antriebs- und Steuerungskonzept Bild 01 zeigt den Aufbau des Antriebssystems des „Grünen Radladers“ sowie die beteiligten Projektpartner. Der im Forschungsvorhaben TEAM von Deutz und dem VKA der RWTH Aachen entwickelte betriebsbereichsoptimierte Dieselmotor [4] treibt über ein Pumpenverteilergetriebe das von Bosch Rexroth beigesteuerte Leistungsverzweigungsgetriebe HVT an. Die Hub- und Kippfunktion der Arbeitsausrüstung werden jeweils verdrängergesteuert von einer separaten Einheit von Danfoss Power Solutions im geschlossenen hydrostatischen Kreis betrieben. Ein hydrostatischer Parallelhybrid, bestehend aus einer 4-Quadranten-Verdrängereinheit von Liebherr und dem Doppelkolbenspeicher der Firma Hydac, unterstützt als hochdynamische Leistungsquelle bzw. – senke den Dieselmotor. Die Montage des Demonstrators und die Integration der Subsysteme führte Liebherr auf Basis der Serienmaschine L576 durch. Jedes Subsystem verfügt über ein separates Steuergerät, welches spezifische Ansteuer-, Diagnose- und Sicherheitsfunktionen umfasst. Eine zentrale Maschinensteuerung, die vom Institut für Fluidtechnik der TU Dresden (IFD) entwickelt und programmiert wird, steuert die Subsysteme via CAN-Bus in Abhängigkeit der Bedienereingaben an. Das IME der RWTH Aachen entwirft Algorithmen zur verbesserten Abstimmung von Fahrantrieb und Dieselmotor [5]. Diese modularisierte Architektur erlaubt eine weitgehend unabhängige Entwicklung der einzelnen Subsysteme durch die beteiligten Partner. Zudem können Kommunikationsschnittstellen bei Bedarf noch während des Entwicklungsprozesses mit geringem Aufwand angepasst werden. Betriebsstrategie Die Antriebs- und Steuerungsstruktur des „Grünen Radladers“ ermöglichen neue Ansätze in der Interaktion der Subsysteme. Bild 02 zeigt vereinfacht die entwickelte Betriebsstrategie. Im Gegensatz zu konventionellen Maschinen beeinflusst der Bediener nicht direkt mit Hilfe des Gaspedals die Drehzahl des Dieselmotors. Stattdessen interpretiert die Maschinensteuerung die Signale aus Joystick und Fahrpedal als Geschwindigkeitswünsche für die Arbeitsausrüstung bzw. den Fahrantrieb. Die Software ermittelt auf deren Basis die minimal Die Entkopplung des Bedieners vom Dieselmotor eröffnet neue Möglichkeiten zur effizienten Antriebsstrangsteuerung notwendige Dieselmotor-Drehzahl, um die Bedieneranforderungen zu erfüllen. Somit wird gewährleistet, dass die Maschine immer auf der technisch möglichen niedrigsten Drehzahl agiert. Das führt neben einer gesteigerten Auslastung des Motors und damit besserem Wirkungsgrad zu geringeren Schleppverlusten im Antriebsstrang. Im Ladebetrieb arbeitet der Dieselmotor in einem Solldrehzahlband von 1400 bis 1600 min -1 . In Abhängigkeit der aktuellen Betriebsbedingungen dosiert ein überlagertes Leistungsmanagement das Drehmoment des Hybridmoduls zur dynamischen Unterstützung des Motors und Mobile Maschinen 1/2015 11

Ausgabe