Hydraulik Effizienz hydrostatischer Antriebe

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Dr. techn. N. Krimbacher* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Die Problematik der Kurvenstabilität löst Liebherr bei seinen Reachstackern mit zwei hydraulischen Einzelradantriebssystemen. Damit lassen sich unterschiedliche Antriebsmomente auf beiden Radpaaren einstellen, wodurch die Querkräfte auf die Lenkräder reduziert und die Positionsgenauigkeit erhöht werden.

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Der Reachstacker von Liebherr: Er stapelt in Häfen und Terminals Container mit einem Gewicht von bis zu 40t mit einer Positioniergenauigkeit von wenigen Zentimetern. Bilder: Liebherr
Der Reachstacker von Liebherr: Er stapelt in Häfen und Terminals Container mit einem Gewicht von bis zu 40t mit einer Positioniergenauigkeit von wenigen Zentimetern. Bilder: Liebherr
( Archiv: Vogel Business Media )

Der Reachstacker ist eine Maschine zum Stapeln von Containern. Aufgrund des begrenzten Raumes in Häfen und Terminals ist nur ein geringer Platz zum Wenden und zum Bewegen des Reachstackers vorhanden. Hohe Mobilität ist daher eine große Herausforderung an derartige Geräte. Die entsprechenden Fahrrichtungsänderungen werden mithilfe der gelenkten Hinterräder bewerkstelligt.

Derzeit existieren am Markt zwei unterschiedliche Konzepte zur Leistungsübertragung: Konventioneller Weise wird ein Differentialgetriebe in Kombination mit einem Drehmomentenwandler verwendet. Im Liebherr Reachstacker werden zwei hydraulische Einzelradantriebssysteme eingebaut.

Üblicherweise erfolgt die Leistungsverteilung zwischen den Vorderrädern über das Differential. Dies ist notwendig, da beide Vorderräder unterschiedliche Drehzahlen aufweisen können. Das Differential erzwingt prinzipiell dasselbe Antriebsmoment auf beide Radseiten. Durch Massenträgheiten der Maschine werden die Lenkräder während der Kurvenfahrt zusätzlichen Querkräften ausgesetzt. Der Betrag dieser Kräfte hängt ab von der Position und Größe der Last, der Position des geräteeigenen Schwerpunktes, dem Kurvenradius, der Fahr- und Lenkgeschwindigkeit und vielen anderen externen Einflüssen. Die Quersteifigkeit bestimmt im Wesentlichen die Lenkgenauigkeit und ist daher eine große Anforderung an derartig gesteuerte Fahrzeuge. Diese Radquersteifigkeit sollte daher möglichst hoch sein, um ein direktes Steuern des Gerätes aus der Fahrerkabine zu erreichen; geringe Steifigkeiten implizieren ein Wackeln und ungenaues Steuern des Gerätes.

Leistungsübertragung durch zwei getrennte hydrostatische Antriebe

Innerhalb des Liebherr Reachstackers erfolgt die Leistungsübertragung auf beide Radpaare durch zwei getrennte hydrostatische Antriebe. Daher kann das Antriebsmoment auf beide Radpaare beliebig verändert und eingestellt werden.

Das Moment wird idealerweise derart eingestellt, dass die Querkräfte auf die Lenkräder minimiert werden. Dadurch wird der Verschleiß und damit die Lebensdauer der Lenkräder stark erhöht. Zusätzlich wird das Handling des Gerätes erleichtert, da die Steuerung der Maschine direkt zur Lenkungsvorgabe durch den Fahrer über den Joystick erfolgt. In Abbildung 1 ist ein Vergleich zwischen der Verwendung eines Differentialgetriebes und einer Einzelradansteuerung dargestellt.

Abb.1 Verformung der Lenkräder: Beim hydrostatischen Einzelradantrieb können gegenüber einem Differentialgetriebe die Querkräfte auf die Lenkräder minimiert werden. Dadurch erhöht sich ihre Steifigkeit und der Kurvenradius wird kleiner. (Archiv: Vogel Business Media)

Wie man dort deutlich erkennen kann, wird für den Fahrer durch den hydrostatischen Einzelradantrieb die Steifigkeit der Lenkräder scheinbar erhöht; die Radquerkräfte werden reduziert. Außerdem wird der Kurvenradius kleiner, da der Querschlupf der Lenkräder verkleinert wird und damit das Gerät unmittelbar entlang der vorgegebenen Kurvenbahn fährt.

Vergleich zwischen dem hydrostatischen Getriebe und einem Drehmomentenwandler

Konventionell angetriebene Reachstacker verwenden einen Drehmomentenwandler in Kombination mit einem Differentialgetriebe. Aufgrund dieses Differentials haben die Geräte die bereits vorher erwähnten Nachteile. Zusätzlich ist die Energieeffizienz im Vergleich zu einem hydrostatischen Antriebskonzept unterschiedlich.

In Abbildung 2 ist die Energieeffizienz eines (einstufigen) Drehmomentenwandlers im Vergleich zu einem hydrostatischen Getriebe skizziert.

Abb. 2 Vergleich der Wirkungsgrade: In Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen ist der Wirkungsgrad bei hydrostatischen Getrieben besser als bei Drehmomentenwandlern. (Archiv: Vogel Business Media)

Der Drehmomentenwandler arbeitet in zwei Phasen – der Beschleunigungsphase und der gekuppelten Phase. Während der Beschleunigungsphase soll eine hohe Differenz zwischen der Antriebs- und Abtriebsdrehzahl vorhanden sein, um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten. Nach erreichen eines Drehzahlverhältnisses nahe 1.0 kuppelt der Drehmomentenwandler ein; die Übertragung erfolgt über ein mechanisches Getriebe.

Im hydrostatischen Getriebe kann das Ansteuersignal der hydraulischen Pumpen und Motoren beliebig von der Antriebsdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine verändert werden.

Der Prozess des Stapelns ist gekennzeichnet durch kurze Fahrdistanzen und vielen Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen. Ein Fahren über lange Distanzen ist nicht sehr häufig anzutreffen. Der Wirkungsgrad in diesen Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen ist bei hydrostatischen Getrieben besser als bei Drehmomentenwandlern. Zusätzlich kann beim hydrostatischen Getriebe die Antriebsdrehzahl der Verbrennungskraftmaschine aufgrund der Leistungsanforderung frei gewählt werden, welches einer Optimierung des gesamten Gerätes in Sachen Energiesparen und damit dem Treibstoffverbrauch entgegenkommt.

Bremsenergie wird zum Anheben des Auslegers verwendet

Ein hydrostatischer Antrieb ist prinzipiell für den Vierquadrantenbetrieb geeignet. Er kann dazu verwendet werden, die Maschine zu beschleunigen, zu verzögern und in beide Richtungen zu bewegen. Während der Verzögerungsphase muss die anfallende Bremsenergie durch andere Funktionen des Gerätes verwendet oder über zusätzliche hydraulische Aktuatoren abgebaut werden.

Mechanische Betriebsbremsen sind zusätzliche Einheiten, welche aufwendig angebracht werden müssten. Hydraulische Dissipationselemente können mit geringem Aufwand in das bestehende System integriert werden bzw. sind aufgrund anderer Funktionen des Reachstacker bereits vorhanden. Üblicherweise kommt es während den Verzögerungsphasen vor, dass der Ausleger des Reachstackers angehoben wird, um den Container im Stapel zu verstauen. Zur selben Zeit wird das Gerät aber auch abgebremst. Durch das gleichzeitige Abbauen der kinetischen Energie des Liebherr Reachstackers über das hydrostatische Getriebe und der Verwendung letzterer zum Anheben des Auslegers wird die Energieeffizienz des gesamten Gerätes verbessert und damit der Treibstoffverbrauch weiter reduziert.

Technische Realisierung des hydrostatischen Antriebes

Die Hydraulikpumpen der zwei geschlossenen Kreise werden direkt über die Verbrennungskraftmaschine angetrieben. Die beiden hydraulischen Motoren treiben über ein dreistufiges Planetengetriebe direkt die beiden Antriebsräderpaare an. Die Drehzahlen beider Hydraulikmotoren, der Verbrennungskraftmaschine und die vier Hydraulikdrücke werden sensortechnisch erfasst (Abbildung 3).

Abb. 3 Schaltplan des hydrostatischen Antriebes: Beim Reachsrackers treiben die beiden hydraulischen Motoren über ein dreistufiges Planetengetriebe direkt die beiden Antriebsräderpaare an. (Archiv: Vogel Business Media)

Zur Regelung des gesamten Konzeptes muss auch noch der Wunsch des Fahrers durch die Position eines Joysticks (Lenkwinkel und Fahrgeschwindigkeit) und der aktuelle Stellwinkel der Lenkräder erfasst werden. Alle diese Informationen werden, mithilfe von zusätzlichen numerischen Modellen, verwendet, um das Gerät zu regeln und zu steuern.

*Dipl.-Ing. Dr. techn. N. Krimbacher, Entwicklung System / Software, Liebherr-Werk Nenzing GmbH., Austria

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