Innovative Stufenlosgetriebe für den Off- Highway-Bereich · Schlüsselwörter: Stufenlosgetriebe,...

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Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 47 Innovative Stufenlosgetriebe für den Off- Highway-Bereich Dipl.-Ing. Heinz Aitzetmüller hofer forschungs- und entwicklungs GmbH & Co KG Gewerbepark 1 A-4451 Garsten/ Steyr [email protected] 1 Abstract Beim vorgestellten VDC (Variable Double Clutch-) Getriebesystem ist ein 4- Gang Doppelkupplungsmodul mit einem hydrostatischen Variator kombiniert. Dadurch wird ein Stufenlosgetriebe erreicht, in welchem die funktionellen Vor- teile von hydrostatischen Antrieben mit den Wirkungsgradvorteilen rein mecha- nischer 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, Kommunalfahr- zeuge, Handlingfahrzeuge und Arbeitsmaschinen, in welchen hohe Anforderun- gen an Zugkräfte, Positioniergenauigkeit, Shuttlefunktion und hohe Transportge- schwindigkeiten bei guten Wirkungsgraden gefordert sind. Schlüsselwörter: Stufenlosgetriebe, CVT, Doppelkupplungsgetriebe, hydrosta- tisch-mechanische Leistungsüberlagerung, Hydrostat, elektrischer Variator

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Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 47

Innovative Stufenlosgetriebe für den Off-Highway-Bereich

Dipl.-Ing. Heinz Aitzetmüller

hofer forschungs- und entwicklungs GmbH & Co KGGewerbepark 1A-4451 Garsten/ [email protected]

1 AbstractBeim vorgestellten VDC (Variable Double Clutch-) Getriebesystem ist ein 4- Gang Doppelkupplungsmodul mit einem hydrostatischen Variator kombiniert. Dadurch wird ein Stufenlosgetriebe erreicht, in welchem die funktionellen Vor-teile von hydrostatischen Antrieben mit den Wirkungsgradvorteilen rein mecha-nischer 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, Kommunalfahr-zeuge, Handlingfahrzeuge und Arbeitsmaschinen, in welchen hohe Anforderun-gen an Zugkräfte, Positioniergenauigkeit, Shuttlefunktion und hohe Transportge-schwindigkeiten bei guten Wirkungsgraden gefordert sind.Schlüsselwörter: Stufenlosgetriebe, CVT, Doppelkupplungsgetriebe, hydrosta-tisch-mechanische Leistungsüberlagerung, Hydrostat, elektrischer Variator

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2 EinleitungAutomatische Antriebssysteme unter Verwendung von rein hydrostatischen An-trieben oder Wandlergetrieben definieren in Baumaschinen, Handlingmaschinen und Erntemaschinen den aktuellen Stand der Technik. Die Haupt- Anforderun-gen 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 Anwen-dungen nur eine untergeordnete Bedeutung, weil unter normalen Arbeitsbedin-gungen 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 zuneh-mend 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 An-forderungen 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 Aufgabenstellun-gen 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, Pflugein-satz, 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 Antriebssys-teme für Traktoren sind heute in Form automatisierter Teil- und Voll-lastschaltgetriebe, sowie in Form von Stufenlosgetrieben auf dem Markt verfüg-bar. Alle derzeit auf dem Markt befindlichen Traktor- Stufenlosgetriebe funktio-nieren nach dem Prinzip hydrostatisch- mechanischer Leistungsverzweigung, wobei unterschiedliche Philosophien verfolgt werden. In dem durch Fendt entwi-ckelten Vario System werden spezielle Hydraulikeinheiten in Schrägachsenbau-weise 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-

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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 mecha-nischen 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 Trakto-ren im Leistungsbereich von 95 PS bis 310 PS mit Vario- Stufenlosgetrieben an. Insgesamt wurden nach Angaben von Fendt bereits mehr als 50000 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 großvo-lumigen 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 Stan-dards in Funktion und Wirkungsgrad und auch im Preis. Im Vergleich zu Last-schaltgetrieben 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 durchge-führt 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, FunktionErste 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 ein-geführt.Bei Doppelkupplungsgetrieben wird die Antriebsleistung über zwei getrennte Antriebsstränge übertragen, welche durch Beaufschlagung der jeweiligen Kupp-lung aktiviert werden. An der freien Getriebewelle kann der nächste gewünschte Gang vorgewählt und über die Synchronisiereinrichtung mit der freien Getriebe-

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welle verbunden werden. Durch überlappendes Schließen und Öffnen der bei-den 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 Doppel-kupplungskonzept bestens für alle Anwendungen, in denen heute Lastschaltge-triebe eingesetzt werden.

Bild 1: Prinzip Doppelkupplungsgetriebe

4 Variables Doppelkupplungsgetriebe - VDCAuf der Suche nach Lösungsansätzen für kostengünstige und effiziente Antriebssysteme, mit welchen eine optimale Anpassung an die unterschiedlichs-ten Anforderungen ermöglicht wird, wurde eine Kombination aus einem Doppel-kupplungsgetriebe und einem hydrostatischen Variator entworfen. Durch die gewählte Anordnung der Komponenten werden die funktionellen Vorteile von hydrostatischen Antrieben mit den Vorteilen von rein mechanischen Leistungs-übertragungselementen kombiniert. Bild 2 zeigt das Getriebeschema des VDC Getriebes für ein Traktortriebwerk, in den Bildern 3 und 4 sind die Hauptkompo-nenten 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.

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Bild 2: Getriebeschema VDC Getriebe

Bild 3: Komponentenanordnung VDC Getriebe

Bild 4: VDC Getriebe für Traktor

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4.1 Funktionsbeschreibung VDC GetriebeDurch Schließen der Kupplung am Hohlrad wird der rein hydrostatische Fahrbe-reich 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 Kriechge-schwindigkeiten, Shutteln genutzt werden.Die Größe der zu installierenden hydrostatischen Komponenten wird durch die erforderliche Zugkraft und die zulässige Druckbelastung, sowie durch die Dreh-zahlgrenzen der Hydrostateinheiten bestimmt.Soll das Fahrzeug höhere Geschwindigkeiten erreichen, werden am Hohlrad über die Stirnradstufen des Doppelkupplungsgetriebes entsprechende Drehzah-len angelegt. Innerhalb eines jeden mechanischen Bereiches wird die Getriebe-übersetzung durch Veränderung der Sonnenraddrehzahl stufenlos an die jewei-ligen Bedingungen angepasst. Das Geschwindigkeitsschaubild bei konstanter Eingangsdrehzahl ist in Bild 5, der Verlauf der Drehzahlen der beteiligten Kom-ponenten 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 Getriebeüber-setzung nach dem Umschaltvorgang dieselbe ist wie vor dem Umschaltvorgang. Im Bild 7 sind die während der Hoch- bzw. Rückschaltung gemessenen Dreh-zahlverläufe 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.

Bild 5: Geschwindigkeitsschaubild VDC Getriebe bei konstanter Ein-gangsdrehzahl

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Reverse Gear

Hydrostatic Drive

1st Gear

2nd Gear

3rd Gear

Vehicle Speed [kph]

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Bild 6: Drehzahlen Getriebekomponenten

Bild 7: Drehzahlverlauf der Komponenten während einer Hochschaltung

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

1 / ratio

Ring GearSun GearCarrierT/M Input Speed

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Bild 8: Drehzahlverlauf der Komponenten bei Rückschaltung von 3. auf 1. Gang

In analoger Weise erfolgen Rückschaltungen. Die Drehzahlverläufe bei Rück-schaltung 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 Übersetzun-gen im mechanischen Getriebeteil so gewählt, dass die Gänge unter Nutzung der hydrostatischen Spreizung aneinander anschließen und in den Hauptar-beitsbereichen geringe hydrostatische Leistungen übertragen werden. In diesen Betriebspunkten besitzt das Getriebe die besten Wirkungsgrade. Wird ein höhe-rer Leistungsanteil hydrostatisch übertragen, so fällt der Wirkungsgrad entspre-chend 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 Traktor-getriebe in Bild 9).Der dargestellte Wirkungsgradverlauf zeigt eindrucksvoll den durch die Leis-tungsverzweigung erreichten Vorteil gegenüber dem rein hydrostatischen An-trieb, 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 Ver-sorgung berücksichtigt.Je höher die Drehzahlen des Hohlrades liegen, desto geringer wird die hydro-statisch übertragene Leistung.

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Bild 9: Wirkungsgradverlauf VDC Getriebe

Bei hohen Transportgeschwindigkeiten wird die Leistung fast ausschließlich mechanisch übertragen und das Getriebe zeigt auch bei hohen Abtriebsdreh-zahlen sehr gute Wirkungsgrade.

4.2 VDC Getriebe – OfflineversionFür Traktoren ist das VDC Getriebe in der gestreckten sogenannten „Inlinever-sion“ vorgesehen, für andere Anwendungen ist eine möglichst kurze Getriebe-bauform 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

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

1 / ratio

Effic

ienc

y

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4.3 VDC Getriebe für KommunalfahrzeugeDie funktionellen Anforderungen an die Antriebsstränge von Kommunalfahrzeu-gen können nur durch effiziente Stufenlosgetriebe abgedeckt werden. Derzeit bestehen die Antriebssysteme entweder aus rein hydrostatischen Antrieben mit nachgeschalteten Stufengetrieben oder aus Schaltgetrieben, welche bei gerin-gen 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 Kriechge-schwindigkeiten 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

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Bild 12: Geschwindigkeitsdiagramm VDC Getriebe für Kommunalfahr-zeuge

Bilder 13 und 14: VDC Getriebe für Kommunalfahrzeuge

4.4 VDC Getriebe mit elektrischem VariatorDurch die spezielle Getriebekonfiguration wird immer nur ein Teil der Eingangs-leistung 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 elektri-scher 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 Elektromo-tors gegenüber dem Hydromotor liegt in der relativ hohen Überlastfähigkeit bei kurzzeitigem Momentenbedarf.

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140

Hydrosta tic Drive

1st Gear

2nd Gear

3rd Gear

4th Gear

Geschwindigkeit [km/h]

Eingangsdrehzah l 3600

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Angesichts der relativ geringen elektrischen Leistung und der erreichten Fort-schritte 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 Anfor-derungen an Arbeitsmaschinen- Antriebsstränge darstellen.

Bild 15: VDC Getriebe mit elektrischem Variator

5 Zusammenfassung und AusblickDoppelkupplungsgetriebe 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 Übersetzungs-stufen mit geringem Aufwand an spezielle Kundenwünsche angepasst werden.Neben dem Einsatz in Traktoren eignet es sich hervorragend für Handlingma-schinen 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.

M

G

Batterie

Inverter

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6 Literatur:[1] Resch, R.: Leistungsverzweigte Mehrbereichsfahrantriebe mit Ketten-

wandlern.Dissertation TU München 2004 http://tumb1.biblio.tu-muenchen.de/publ/diss/mw/2004/resch.html

[2] Förster, H. J.: Stufenlose Fahrzeuggetriebe in mechanischer, hydro-statischer, hydrodynamischer, elektrischer Bauart und in Leistungs-verzweigung.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. 1988

[5] Renius Karl Th.: Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsma-schinen,Überblick zum Stand der Technik, Wissensportal Baumaschine.de, 2004

[6] Seeger J.: Leistungsverzweigte Getriebe in Traktoren,O+P „Ölhydraulik und Pneumatik“, 3/2005