Stand der Technik und Trends der Arbeitshydraulik im System Traktor

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Keuper, G.: Maier, U.: Stand der Technik und Trends der Arbeitshydraulik im System Traktor
WISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2005)
Stand der Technik und Trends der Arbeitshydraulik im System Traktor
Flexiblere und funktional erweiterte elektrohydraulische Hubwerkregelsysteme
Uwe Maier;
Dr. Gerhard Keuper
Bosch Rexroth AG, Stuttgart
www.boschrexroth.com
Traktoren haben, neben ihrer Aufgabe als Zugmaschine, die Funktion einer „mobilen Energiequelle und Steuerungszentrum“ für angehängte oder aufgesattelte Geräte. Diese zweite Hauptfunktion wird zum einen von der Zapfwelle, zum anderen von der Arbeitshydraulik wahrgenommen. Bestandteile der Arbeitshydraulik moderner Traktoren sind Konstant- oder Verstellpumpen für die Druckversorgung und Ventile zur Steuerung des Hubwerkes sowie angekoppelter Geräte.
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Arbeitsplattform Traktor
Am Anfang der Traktorhydraulik standen hydraulisch-mechanische Regelungen und manuell bediente
Steuerungen der Arbeitsfunktionen ohne Elektrik/Elektronik. Heute haben elektrohydraulische Ventilsteuerungen und elektronisch-hydraulische Regelsysteme breiten Eingang in moderne Traktoren gefunden. Infolge der zunehmenden Automatisierung von Arbeitsfunktionen sind mittlerweile spezifische
Sensoren und elektronische Steuergeräte im gesamten Leistungsspektrum der Traktorbaureihen etabliert. Diesen Wandel erfahren auch die Komponenten für die Fahrfunktion, wie Lenkung, Bremse und
Getriebe.
Bild 1:
Hydraulikkomponenten im Traktor
1
Bosch Rexroth bietet eine komplette Palette hydraulischer und elektronischer Komponenten für die
Traktorhydraulik (Bild 1).
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Hauptkomponenten der Hydraulik
Anfang des 20. Jahrhunderts begann die Mechanisierung der Landwirtschaft. Ein beispielhafter
Meilenstein war die Entwicklung des mechanische Hubwerkes durch Harry Ferguson in den 20erJahren des letzten Jahrhunderts.
1955 wurden in West-Deutschland 105.000 Traktoren gebaut, allerdings besaßen zu Beginn der 50erJahre die Traktoren noch keine Hydraulik (Bild 2). Wegen der zunehmenden Größe der Traktoren und
Geräte wurde zu dieser Zeit, anstelle des mechanischen Aushubs für Anbaugeräte, der hydraulische
Kraftheber eingeführt (Bild 3). Ausgehend von dieser bahnbrechenden Neuerung mit einem erweitertem Grad an Funktionalität und Flexibilität begann die zunehmende Ausweitung der Hydraulik.
Bild 2:
Traktoren vor Einführung der Arbeitshydraulik
Bild 3:
2.1
Historie und aktueller Stand bei Pumpen
2.1.1
Zahnradpumpen
Hydraulischer Kraftheber (um 1952)
Für die Energieversorgung der Kraftheber wurde eine Hydraulikpumpe benötigt. Bosch entwickelte
eine solche Pumpe für 120 bar Maximaldruck und es entstand die erste Bosch-Zahnradpumpe in der
sogenannten Plattenbauweise ohne Spaltkompensation (Bild 4), die ab 1953 gefertigt wurde. Die
sogenannte „Buchsenpumpe“ war der nächste Entwicklungsschritt mit erheblich verbessertem
Wirkungsgrad. Seit 1972 in Serie, wird sie bis heute als Solo- oder Mehrfachpumpe gebaut und auch
als Motor eingesetzt. Ein Merkmal aller Außenzahnradpumpen ist die Förderstrompulsation, die bei
Zahnrädern mit 12 Zähnen ca. 14 % beträgt (Bild 5). Seit 1998 gibt es von Bosch Rexroth die „Silence-Pumpe“ mit Flankenspiel der Zahnräder nahe Null. Dadurch reduziert sich die Förderstrompulsation um bis zu 75% im Vergleich zur Standardlösung mit leicht erhöhtem volumetrischen Wirkungsgrad. Die Vorteile dieser leisen und pulsationsarmen Zahnradpumpe werden heute zunehmend bei
der Druckversorgung der Traktorlenkung zur Reduzierung von Schwingungen im System genutzt.
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Bild 4:
Bild 5:
2.1.2
Plattenpumpe (1953)
Außenzahnradpumpe (Standard vs. Silence)
Verstellpumpen
Mit zunehmender hydraulischer Leistung wurden neue Möglichkeiten der Druckölversorgung gesucht.
Weiterentwicklungen der Verstellpumpe in den 50er Jahren ermöglichten eine bessere Anpassung
von Ölmenge und Druck an den Systembedarf. Vergleicht man eine Axialkolbenverstellpumpe aus
dem Jahre 1958 mit einer Verstellpumpe von heute, so werden die enormen Entwicklungsfortschritte
anhand des verringerten Leistungsgewichtes bei gleichzeitiger Erhöhung des zulässigen Betriebsdruckes sehr schnell deutlich (Bild 6). In Verbindung mit hydraulischen Last- bzw. LS-Signalen,
die über die Ventile weitergeleitet werden, arbeitet die Verstellpumpe als Regelpumpe, d.h. sie passt
ihren Förderstrom stets dem aktuellen Bedarf an. Aufgrund der gegenüber Konstantpumpen gün-
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stigeren Energiebilanz haben sich Verstellpumpen heutzutage vor allem bei Traktoren mittlerer und
höherer Leistung etabliert.
Bild 6:
Entwicklungsfortschritt bei Verstellpumpen
In modernen Traktoren werden zunehmend Pumpen des Typs A10VNO eingesetzt. Es handelt sich
hierbei um Verstellpumpen mit aufgebohrten Triebwerken, die bei Drücken bis 210 bar ein nochmals
verbessertes Leistungsgewicht aufweisen. Um die erforderlichen Drehzahlen zu erreichen, werden
A10VNO-Einheiten üblicherweise über eine vorgeschaltete Zahnradpumpe bzw. über einen Gerotor
versorgt. Eine Variante dieser Baureihe ist die A10CNO-Verstellpumpe. Sie wurde speziell für Traktoren mit einem gemeinsamen Ölhaushalt für Arbeitshydraulik und Getriebe entwickelt. Verstell- und
Speisepumpe sowie Druckabsicherungsventile, Filteranschluss, Filterbypass und Filterdifferenzdruckschalter wurden in einer kompakten raumsparenden Einheit integriert (Bild 7). Somit kann auch bei
beengten Einbauverhältnissen eine optimale Lösung angeboten werden.
2.2
Historie und aktueller Stand bei Hubwerkregelventilen und -systemen
Eine Kernfunktion bei Traktoren ist die Hubwerkregelung. Hier war und ist Bosch Rexroth als Zulieferer des dazu erforderlichen Regelventils marktführend. Bereits Anfang der 60er-Jahre wurde mit der
Serienlieferung des mechanisch-hydraulisch geregelten Hubwerkventils begonnen (Bild 8). Mit diesem Ventil konnten bereits kombinierte Mischregelungen aus Zugkraft und Lage realisiert werden. Es
wurde unmittelbar am Kraftheberblock montiert. Heute sind sie weitestgehend durch die technisch
flexibleren und funktional erweiterten elektrohydraulischen Hubwerkregelsysteme (EHR) abgelöst und
gehören bei mittleren und großen Traktoren zur Standardausrüstung. Dem Landwirt werden damit
zahlreiche neue Funktionen, wie Schwingungsdämpfung, Schlupfregelung u.a. geboten. Rexroth
liefert die Komponenten für das komplette System, wie Regelventil, Steuergerät, Bedienteil und Sensorik. (Bild 9).
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Bild 7:
Regelpumpe A10CNO für TraktorLR-Systeme
Bild 9:
Bild 8:
Kraftheberblock mit BoschRegelgerät
Substitution der hydromechanischen Regelkraftheber durch die EHR
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Seit Einführung der EHR wurden die Regelventile stetig weiterentwickelt bzw. durch neue Technologien ersetzt (Bild 10). Wesentliche Schritte sind dabei die Bereitstellung eine im Wegeventilblock integrierbaren EHR23-Ventilscheibe (Qnenn bis 100 l/min) für mittlere bis große Traktoren und die Einführung eines Flanschventils EHR5 (Qnenn bis 60 l/min) für kleine Traktoren. Derzeit letzter Schritt ist die
Einführung der On Board Electronics (OBE) bei beiden Ausführungen, so dass sich daraus eine
mechatronische Einheit - sozusagen Herz und Hirn der elektrohydraulischen Hubwerksregelung ergibt.
Bild 10:
Entwicklungshistorie der EHR-Ventile
Die EHR5-OBE und EHR23LS-OBE Regelventile mit integrierter Elektronik (Bild 11) sind für den robusten und harten landtechnischen Alltag konzipiert und bieten alle etablierten Möglichkeiten einer
elektronischen Hubwerkregelung für die mittleren und oberen Leistungsklassen:
Lageregelung – Zugkraftregelung – Mischregelung
Auflagedruckregelung
Abstandsregelung
Schlupfregelung
Schwingungstilgung (Transportmodus)
Externe Regelung (Anbaugeräte)
Darüber hinaus bieten Sie mit moderner, leistungsfähiger Hard- und Software richtungsweisende
Technik mit einer Fülle von Anwendungsvorteilen (Bild 12):
Das Steuerzentrum des Hubwerkregelsystem als abgeglichene, geprüfte Einheit
Geringer Verdrahtungs- und Montageaufwand
Integrierter Flash-Speicher für Software-Updates
CAN-Kommunikation für Bedienung und Diagnose
Temperaturüberwachung der Elektronik
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Bild 11-1:
EHR-OBE
Bild 11-2:
HR5-OBE
Die konsequente Nutzung des Elektronik-Know-Hows der Bosch Kraftfahrzeugbereiche ist die Basis
für Zuverlässigkeit und Langlebigkeit und ermöglichte erst die Integration leistungsfähiger Elektronik in
die Rexroth Produkte. Kriterien, die gerade bei Traktoren und Landmaschinen sehr wichtig sind.
2.3
Historie und aktueller Stand bei Wegeventilen
Mit der Einführung hydraulischer Hubwerke stand die Hydraulik zugleich für die angekoppelten Geräte
und deren Steuerung zur Verfügung. Bereits im Jahre 1953 wurden die ersten Wegeventile SRZ eingesetzt. Das Merkmal der Wegeventile der Baureihe SRZ in Scheibentechnik war die Möglichkeit zur
unmittelbaren Kopplung an die Hubwerkregelventile (Bild 13). Sie gestatteten damals bereits einen
überaus kompakten Aufbau der gesamten Ventiltechnik und waren daher am Markt besonders attrak-
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tiv. Die hydraulische Ausstattung der Traktoren und die zunehmend hydraulisch-elektrisch aktuierten
Betätigungen der Geräte haben zu einem mittlerweile hohen Automatisierungsgrad geführt.
Bild 12: Sensor- und Bedienschnittstellen an EHR5- und EHR23-OBE-Geräten
Bild 13: Wegeventilblock SRZ in Traktoren
ab Beginn der 60er-Jahre
2.3.1
Mechanisch betätigte Wegeventile
Weitergehende Forderungen wie
hohe Dichtheit in Neutralstellung,
zugleich Begrenzung des Sekundärdrucks infolge thermischer Ausdehnung
Kick-out und Rastung,
lastunabhängige Funktionssteuerung,
Load-Sensing-Techniken, sowohl in Verbindung mit Konstantpumpen-Druckversorgung (OCLS) als auch mit Verstellpumpen (CC-LS),
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haben zur Entwicklung der aktuellen Baureihe SB23 LS geführt. Es handelt sich um einen umfangreichen Ventilbaukasten mit auf die Traktoranwendung optimierten Funktionsbausteinen. Durch stetige
Funktionserweiterung werden die Anforderungen des Marktes erfüllt (Bild 14).
Bild 14
Wegeventil SB23LS mit manueller Betätigung
Dieser Baukasten ermöglicht eine wirtschaftlich günstige, funktions- und zukunftssichere Lösung für
die Arbeitshydraulik. Bedarfsabhängig wird das Grundventil in Scheibenbauweise mit der üblichen
Vielfalt möglicher Steuerfunktionen bestückt. Wahlweise Zusatzfunktionen wie Sperrventile, Schockventile und Druckwaagen sorgen für minimale Leckage, Robustheit gegenüber Druckspitzen und
lastdruckunabhängig gesteuerten Ölstrom. Eine manuelle Betätigung mit Hebel und Rasten ergänzt
den Baukasten ebenso wie eine „Kick-out“ Funktion. Auf Wunsch ist künftig eine Umschaltung für fünf
verschiedene Kombinationen von Raststellungen und Schaltfunktionen verfügbar.
2.3.2
Elektrohydraulisch betätigte Wegeventile SB 23-EHS
Im Vordergrund des wirtschaftlichen Einsatzes moderner Traktoren stehen die energie- und zeitoptimale Nutzung der installierten Maschinenleistung und der Arbeitseinrichtungen. Um dies bei zunehmender Komplexität der Abläufe zu beherrschen, ist die stetige Fortentwicklung des Fahrerplatzes mit
verbesserter Ergonomie von hoher Bedeutung. Hierbei geht es einerseits um die Gestaltung und
Anordnung von Bedienungs- und Anzeigeelemente, andererseits um die Abkopplung leistungsmindernder Klima- und Geräuschbelastungen. Vorteilhaft bei komplexen Arbeitsabläufen ist eine
zumindest partielle Automatisierung. Auf diese Weise bleibt die Komplexität für den Fahrer überschaubar und ist damit Voraussetzung für den optimalen Geräteeinsatz. Möglichkeiten sind
beispielsweise die Funktionsverknüpfung von Fahrsteuerung und Arbeitshydraulik sowie die Automa-
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tisierung von Ablaufsequenzen (z.B. das automatisierte Drehen, Anheben und Absenken des Pfluges
im Vorgewende).
Zwei Schlüssel waren für eine weitgehende Automatisierung entscheidend:
die Bereitstellung elektrohydraulisch gesteuerter Wegeventile und
der CAN-Bus (Controller Area Network).
Der CAN-Bus etablierte sich dabei vor allem wegen der erfolgreichen Verwendung im Kraftfahrzeug.
Infolge seiner breiten Verfügbarkeit steht er auch Traktoren und landtechnischen Maschinen als
Plattform zur Steuerung von Funktionen zur Verfügung. Innerhalb der Ventilfamilie SB23 wird dieser
seit einigen Jahren in Verbindung mit der elektrohydraulischen Stelleinheit EHS angeboten (Bild 15).
Aufgabe der EHS ist die Umsetzung eines Eingangssignals in eine lagegeregelte Verstellung des
Wegeventilschiebers. Dieses Eingangssignal kann per CAN-Botschaft, oder bei nicht vorhandenen
Bus auch ratiometrisch oder mittels Pulsweitenmodulation PWM übertragen werden. Das Eingangssignal wird vom Ventil in einen entsprechenden lastunabhängigen Volumenstrom zum Verbraucher
gewandelt.
Bild 15: SB23LS-EHS mit Elektrohydraulischer Betätigung
Im EHS-Modul sind die notwendigen Funktionselemente in einer baulichen Einheit kompakt untergebracht. Ein elektro-hydraulischer Stellantrieb bestehend aus 4/3-Proportional-Pilotventil und Stellkolben stellt die Betätigungseinrichtung dar. Ein induktiver, berührungsfreier Lagesensor nimmt die
Schieberstellung auf. Damit ist einerseits dessen Lageregelung möglich, andererseits können mit
einer differenzierten Eigendiagnose unterschiedliche Fehler sicher erkannt werden. Die Auswerteelektronik des Sensors und die Regelelektronik sowie die Busankopplung sind auf einer gemeinsamen
Elektronikbaugruppe untergebracht.
Zur Auswahl der Ventilcharakteristik stehen vorbereitete Kennlinien zur Verfügung, von linearem bis
progressivem Verhalten und zwar unabhängig für beide Betätigungsrichtungen (Bild 16). Damit lässt
sich beispielsweise ein gewünschtes Feinsteuerverhalten einstellen, gleichzeitig aber auch die volle
Aussteuerung im Großsignal gewährleisten. Die Kennliniensteigung ist wählbar, wiederum individuell
für beide Betätigungsrichtungen. Damit lassen sich z.B. die bei gleichem Volumenstrom unterschiedlichen Ausfahrgeschwindigkeiten eines Differentialzylinders kompensieren. Außerdem er10
möglicht die Einstellung von Rampenzeiten die Anpassung der Anstiegszeiten an unterschiedliche
Lastverhältnisse des beaufschlagten Antriebs um damit z.B. Arbeitsgeräte sanft anlaufen zu lassen.
Bild 16:
2.4
SB23LS-EHS mit programmierbaren Ventilkennlinien und Zeitverhalten
Kundenspezifisch konfigurierte Steuerblöcke
Die Einbauräume für Ventilbaugruppen in modernen Traktoren sind äußerst beschränkt. Deshalb
müssen kostenintensive hydraulische Leitungsverbindungen minimiert werden. Stand der Technik bei
Wegeventilen der Arbeitshydraulik ist daher eine Konfiguration als Steuerblock (Bild 17). Wir bezeichnen einen Steuerblock mit EHR-Regelventil, Zusatz-Wegeventilen, bei Bedarf Prioritätsventilen und
kundenspezifischer Anschlusstechnik als Zentralen Modularen Steuerblock („ZMS-Block“). Ein solcher
Ventilblock mit geringem externen Verrohrungsaufwand wird von Rexroth werkseitig komplett geprüft
und einbaufertig ausgeliefert. Die Anordnung eines solchen Blocks ist heute bevorzugt am Traktorheck über der Hinterachse, gegebenenfalls ergänzt um einen weiteren Block für Funktionen an der
Traktorfront. Vorteilhaft ist weiterhin die Integration von Steckkupplungen für die Anbaugeräte. Eine
wichtige Zielsetzung für einbaugerechte Steuergeräte der Traktor-Arbeitshydraulik besteht in einer
möglichst kompakten, dennoch flexiblen Konzeption der Einzelbausteine wie auch der daraus konfigurierbaren Ventil-Steuerblöcke.
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Bild 17:
Zenraler modularer Steuerblock (ZMS); Konfiguration aus Wege- und EHR-Ventil, Anschlussplatte mit Prioritätsfunktion
Eine wichtige Zielsetzung für einbaugerechte Steuergeräte der Traktor-Arbeitshydraulik besteht in
einer möglichst kompakten, dennoch flexiblen Konzeption der Einzelbausteine wie auch der daraus
konfigurierbaren Ventil-Steuerblöcke. Der Schlüssel zur Zielerreichung liegt hierbei in der bauraumoptimierten Konstruktion der komplexen Ventilscheiben. Die Kombination mit kundenspezifisch gestalteten Anschlussplatten und Steckkupplungsgehäusen bietet dann das Optimum an Funktion, Platzbedarf und Wirtschaftlichkeit. Repräsentative Anordnungen solcher Ventilblöcke sind einseitige Verkettungen der Ventilscheiben mit seitlicher Eingangssektion (Bild 18) und beidseitige Verkettungen an
eine zentrale Anschlussplatte (Bild 19).
Bild 18: Wegeventilblock mit einseitiger Verkettung (hier mit 7xSB23LS-EHS,
2xEHR23, 1xPrio.-Ventil)
Bild 19: Wegeventilblock mit Zentralanschlussplatte und beidseitiger Verkettung (hier
mit 4xSB23LS,EHR23, Prio.-Ventil)
Letztere wird direkt auf das Traktorgetriebe montiert. In der Anschlussplatte sind der Nachfüllstutzen
und der Ölrücklauf von den Ventilen zu dem im Antrieb angeordnetem Ölvorratsbehälter integriert.
Zum Heck des Traktors hin zeigen die Steckkupplungen in kundenspezifisch gestaltetem Gehäuse.
Bei beengtem Einbauraum zwischen den Hubarmen löst ein senkrechter Aufbau der Ventilscheiben
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das Einbauproblem (Bild 20). In diesem Beispiel beinhaltet die Anschlussplatte Anpassungsmöglichkeiten an verschiedene Druckversorgungen mit Konstant- bzw. Verstellpumpen. Als optionaler Zusatz
kann das Anhängerbremsventil ebenfalls an der Anschluss-platte montiert werden. In diesem Beispiel
beinhaltet die Anschlussplatte Anpassungsmöglichkeiten an verschiedene Druckversorgungen mit
Konstant- bzw. Verstellpumpen.
Bild 20:
Wegeventilblock mit vertikaler Verkettung (Hier mit Prio.-Ventil,
EHR-ZM, 4xSB23LS, Anhänger-Bremsventil)
Als optionaler Zusatz kann das Anhängerbremsventil ebenfalls an der Anschlussplatte montiert werden. Es erspart auf diese Weise die Bereithaltung eines passenden Anbauflansches an anderer Stelle
sowie zusätzliche externe Verrohrungen. Ebenso kundenspezifisch gestaltet sind die Gehäuse der
Steckkupplungen. Bei hohem hydraulischen Ausrüstungsgrad von Traktoren, insbesondere bei
Anordnungen der hydraulischen Antriebe im Front- und Heckbereich, kann sich eine räumliche
Aufteilung der Ventilsteuerblöcke anbieten. Während die Ventilsektionen für das Heckhubwerk und die
Zusatzfunktionen im ZMS-Block zusammengefasst sind, bündelt ein zentral in der Traktormitte
angeordneter modularer Zentralhydraulikblock (kurz CHP = Central Hydraulic Program) Ventilsektionen zur Steuerung von priorisierten Funktionen (z.B. Lenkung, Anhängerbremse, Versorgung der
Getriebesteuerung (Bild 21).
Die kaskadenförmige Verschaltung sorgt für die Verteilung des Ölstromes nach folgender Priorität:
1.Lenkung
2.Anhängerbremsventile
3.Niederdruckversorgung für Getriebe oder Steueröl des Wegeventiles
4. Arbeitshydraulik und Hubwerkregelung
Ist das Lenksystem eigenständig aufgebaut, ist die gezeigte Prioritätenfolge nicht erforderlich. Um das
Anhängerbremsventil dennoch mit Priorität zu versorgen wird ein Rohrleitungsventile (LT42) eingesetzt, das die Prioritäts- und Anhängerbremsfunktion in einem Gehäuse beinhaltet. Durch das direkte
Anflanschen der CHP an das Getriebe entfallen die Tankleitungen. Die Leitungslängen zur Lenkung,
Heck oder Fronthydraulik können optimiert und dadurch der Verrohrungsaufwand an der Maschine
vermindert werden.
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Bild 21: Topologisch günstige Aufteilung von Steuerblöcken im Traktor
Der Volumenstrom der Verstellpumpe wird auf dem kürzestem Wege verteilt. Aufgrund steigender
Anforderung an die Hauptbremssysteme kommen die heute eingesetzten Bremssysteme teilweise an
ihre Leistungsgrenze. Die Tendenz geht hier zu Fremdkraft-Bremssystemen, wie Sie von Rexroth
bereits seit vielen Jahren im Baumaschinenbereich eingesetzt werden. Die Versorgung dieser
Fremdkraftbremsen kann ebenfalls über die CHP erfolgen. Hierzu ist die Sektion LT59 als Speicherladeventil ausgebildet.
2.5
Historie und aktueller Stand bei Lenkungen
Als Anfang der 60er-Jahre die hydrostatische Lenkung ihren Entwicklungsweg startete, war der Traktor einer der Zieleinsatzgebiete. Mit den in der Zeit davor genutzten mechanischen Lenkungen auf
Basis von Kegelrad-, Zahnstangen- oder Schneckengetrieben war man hinsichtlich der bezwingbaren
Lenkkräfte eingeschränkt. Die aus dem Lkw bekannten hydro-mechanischen Lenkgetriebe brachten
wohl eine wesentliche Verbesserung, aufgrund der mechanischen Verbindungs- und Kraftübertragungselemente waren die Gestaltungsfreiräume des Traktors aber beschränkt. Erst die hydrostatische
Lenkung brachte die gewünschten und vom Markt geforderten konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten und vor allem die Bewältigung der hohen Lenkkräfte. Damit war die Lenkung kein einschränkendes System mehr für die Größe eines Traktors. Die benötigte Energie für den Lenkvorgang
wird von der Hydraulikpumpe zur Verfügung gestellt. Der Fahrer bedient durch die Drehung des Lenkrades lediglich ein „Steuergerät“, auch „Lenkaggregat“ genannt, welches Wegeventil-, Zumess- und
Handpumpenfunktionen in sich vereint und Hydrauliköl zu einem Lenkaktuator (Lenkzylinder oder motor) leitet.
In Traktoren werden heute hydrostatische Lenkungen LAG in den verschiedenen Bauarten eingesetzt
Open Center - Non reaction sowie
Open Center - Reaction oder Closed
Center - Non reaction sowie Closed
Center - Reaction.
Diese Komponenten stellen - im System betrachtet - die günstigste technische Lösung für das Thema
„Lenken“ dar.
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Gestiegene Achslasten und die kinematischen Verhältnisse führen zu entsprechend hohen Lenkdrücken. Aufgrund dessen und den geltenden Normen und Richtlinien, welche die Lenkfähigkeit der
Maschine regeln, kann es erforderlich sein, im Notbetrieb Lenkaggregate mit Untersetzung einzusetzen (Bild 22). Rexroth hat Lenkaggregate LAGU mit Kammerabschaltung und LAGZ mit Rotorsatzabschaltung für diese Einsatzfälle entwickelt. Im Servobetrieb unterscheidet sich die Funktion der LAGU
und LAGZ nicht von anderen Lenkaggregaten. Das Übersetzungsverhältnis von Lenkraddrehwinkel zu
Radeinschlag ist in der jeweiligen Betriebsart konstant. Im Notbetrieb aber reduziert sich das Fördervolumen automatisch. Dadurch wird die erforderliche Antriebsenergie = Handkraft am Lenkrad
gegenüber einem altbekannten herkömmlichen Lenkaggregat um ca. 50 % und mehr verringert.
Bild 22:
3
Übersicht Lenkungen LAG
Zukunftstrends
Die Zukunft der Hydraulik liegt zum einen in der Fähigkeit zur kompakten, hochintegrierten und energetisch optimierten Darstellung von Einzelfunktionen, zum anderen in der Verbindung von Hydraulik
und Elektrik/Elektronik. Steuer- und Regelorgane sowie intelligente Signalverarbeitungen werden
zunehmend die Erzeugung und Steuerung der hydraulischen Leistung im Traktor und anderen mobilen Arbeitsmaschinen optimieren helfen.
Die technischen Herausforderungen für die elektrohydraulischen Komponenten liegen primär in der
Bereitstellung wirtschaftlich interessanter und robuster Signalwandler (Stellorgane wie Pilotventile
oder Magnete und Sensoren). Die Herausforderungen im System liegen in der Vernetzung der Teilfunktionen und -systeme (Bild 23). Triebfedern dieser und zukünftiger Entwicklung sind die damit
erschließbaren Potenziale zur Effizienzsteigerung und die Vermeidung unnötiger Redundanz. In mobilen Anwendungen hat sich dafür der von Bosch entwickelte CAN-Bus als Plattform etabliert.
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Bild 23:
CAN-basierte Signalverknüpfung im Traktor
3.1
Pumpen
3.1.1
Zahnradpumpen
Eine wirtschaftlich attraktive Antwort auf die gesteigerten Anforderungen bzgl. Energieeinsparung ist
die Zuschaltpumpe. Sie bietet eine Verbesserung der Leistungsbilanz gegenüber einer Solopumpe. In
Zeiträumen in denen die Arbeitshydraulik nicht genutzt wird, und nur Verbraucher wie Lenk- und
Bremsventile mit geringem Volumenstrombedarf ständig versorgt werden müssen, fördert nur Pumpenteil 1. Pumpenteil 2 der Zuschaltpumpe wird nur bei erhöhtem Bedarf per LS-Signal zugeschaltet.
Beide Pumpenstufen sind über die Ventilsektion für die Zuschaltfunktion verbunden (Bild 24). Somit
ergibt sich eine einbaufertige kompakte Einheit ohne externe Verbindungsleitungen.
3.1.2
Verstellpumpen
Die elektrische Verstellung macht bei den Ventilen nicht halt, sondern wird zukünftig auch die Druckversorgung nachhaltig beeinflussen. Die bisher üblichen hydraulischen LS-Systeme können in Zukunft
durch elektrohydraulische Flow Matching Systeme („EFM®-Systeme“) ersetzt werden. Bei diesem
System wird der vorliegende Volumenstrombedarf der Einzelverbraucher in Form von elektrischen
Signalen summarisch in einen Sollwert für den Fördervolumenstrom umgewandelt. Mit diesem Sollwert wird die Pumpe dann elektrisch verstellt. Ein geeignetes Ventilschaltungskonzept ermöglicht die
individuelle Verteilung auf die Verbraucher. Für derartige Zukunftskonzepte bietet Rexroth elektrisch
verstellbare Pumpen auf Basis der Pumpenbaureihe A10VO bzw. A10VNO an (Bild 25). Durch einen
Proportionalmagneten wird der Verstellkolben der Pumpe proportional zu einem Strom positioniert, so
dass sich jeder beliebige Schwenkwinkel und damit, in Verbindung mit einer Drehzahlerfassung, auch
die gewünschte Fördermenge einstellen lässt.
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Vorteile der EP-Verstellung:
Hohe Genauigkeit durch direkte elektroproportional angesteuerte Verstellung mit hydromechanischer Rückführung
Kompakte Bauweise
Hoher Systemwirkungsgrad
Kombinierbar mit allen gängigen hydraulisch-mechanischen Druck und Förderstromreglern.
Bild 24: Zuschaltpumpe
3.2
Bild 25: Verstellpumpe mit EP-Verstellung
Mobilventile
Elektrisch betätigte Wegeventile SB23-EHS haben sich mittlerweile in Traktoren der oberen und mittleren Leistungsklasse etabliert. Eine neue Generation derartiger Ventile – genannt „SB23LS - EHS2“
für 2. Generation wird noch konsequenter die Vorteile der Elektrohydraulik umsetzen und hierbei eine
höhere Integrationsstufe erreichen (Bild 26).
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Bild 26:
SB23LS-EHS 2.Generation
Der Durchflussbereich wird auf Qnenn =100 l/min, bzw. Qmax=140 l/min, erweitert und so dem Trend zu
größerem Volumenstrombedarf gerecht. Bewährte Merkmale wie lagegeregelter Ventilschieber, Diagnosefunktionen, CAN-Bus usw. werden in der neuen On-Board-Elektronik beibehalten. Die Verfügbarkeit kostengünstiger Drucksensoren aus dem Automobilbereich ermöglicht jedoch eine entscheidende funktionale Erweiterung. Zwei optionale Sensoren für die Messung der Drücke in den Arbeitsanschlüssen sowie optional ein weiterer Drucksensor für die Messung von Pumpen-, LS- oder Rücklaufdruck werden zukünftig neuartige Möglichkeiten zur Kontrolle und Regelung von Anschlussdrücken der Arbeitsgeräte bieten. Damit sind Arbeitsfunktionen in erheblich erweitertem Maße vom
Traktor aus steuer- bzw. regelbar. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist das automatische
Drehen des ausgehobenen Pfluges im Vorgewende (Bild 27). Mit Hilfe der Druckmessung können die
Totlagen eines einfachen Differentialzylinders infolge des Druckanstieges leicht erkannt werden und
zur elektronischen Umsteuerung des ansteuernden Ventils genutzt werden. Auf die sonst übliche hydraulische Umschaltmimik eines Wendezylinders kann verzichtet werden, was zu einer entsprechenden Vereinfachung der Geräteantriebe führt.
Bild 27:
Anwendung von Drucksensoren zur Steuerung von Geräten: Beispiel: Pflug drehen
Ein weiteres Beispiel zur Nutzung von Drucksensoren ist das Wiegen von Lasten am Traktorhubwerk
(Bild 28). Hierbei werden die Messwerte der Hubzylinderdrücke genutzt. Bei bekannter Kinematik
lässt sich die Last mit einem speziellen Algorithmus bei beliebiger Lage des Schwerpunktes mit hoher
Genauigkeit (Fehler im Bereich <2 %) auch während der Fahrt über den Acker berechnen.
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Bild 28: Anwendung von Drucksensoren für Zusatzfunktionen; Beispiel: Wiegen mit dem Hubwerk
3.3
Systemfunktionen
Anbaugeräte, die über die Traktorinternen Zusatzventile versorgt werden, können per elektrischer
Signalübertragung die Funktionen ihrer geräteseitigen Antriebe oder Stellorgane selbst ansteuern.
Dazu werden die Wegeventile der Zusatzhydraulik quasi vom Traktor an das Anbaugerät „ausgeliehen“. Die hierfür notwendige Kommunikation erfolgt über den LBS-Bus (CAN-basiert). Die in den
Wegeventilen integrierten Drucksensoren werden zukünftig von den elektronischen Steuerungen in
den Anbaugeräten zur Optimierung ihrer Arbeitsfunktion genutzt, ohne selbst diese Sensorausstattung
bereitstellen zu müssen (Bild 29). In Verbindung mit den leistungsfähigen, elektrisch-proportional
verstellbaren Wegeventilen SB23-EHS2 kann dies auf Seiten der Geräte zur Optimierung ihrer Funktionen genutzt werden, ohne dass die Geräte selbst hydraulisch aufwändiger werden müssen, sondern im Gegenteil sich eher vereinfachen lassen. Das Know-How des Geräteherstellers wird sich auf
diese Weise mehr in den geräteseitigen Steuergeräten abbilden und damit einen wesentlichen Anteil
seiner Differenzierung zum Wettbewerb tragen.
Bild 29: Geräteseitige Steuerung von Zusatzfunktionen
(„Anbaugerät steuert Traktor“)
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3.4
Lenkungen
Mit zunehmender Komplexität der Arbeitsabläufe wird eine Unterstützung des Fahrers beim Lenken
oder gar eine Automatisierung notwendig. Hierfür ist eine elektrisch ansteuerbare Lenkung erforderlich. Ein zusätzlicher Nutzen besteht hierbei in der Möglichkeit einer, fahrsituationsabhängigen Lenkverstärkung (Volumenstromverstärkung). Rexroth arbeitet an einem modularen Systemkonzept unter
Abstützung auf bewährte, vorhandene Funktionsbausteine und Berücksichtigung gültiger Richtlinien
für Lenkanlagen. Bild 30 zeigt das Konzept einer externen Volumenstromverstärkung des Lenkaggregats als ein Beispiel für ein alternatives Lenksystem. Die Bewegung des Lenkrades wird in Winkelgeschwindigkeit und Richtung an der Lenksäule oder am Lenkaggregat vom Lenksensor erfasst, ausgewertet und als Digital- oder Analogsignal an ein elektronisches Steuergerät gesendet. Alternativ
können die Eingangssignale in einem GPS- oder Spurführungssystem generiert werden. Das elektronische Steuergerät steuert ein Proportionalwegeventil an, welches bedarfsgerecht Öl zum Lenkzylinder
liefert. Dieses Systemkonzept zielt auf Ergonomie- und Komfortverbesserungen, die letztendlich zu
höherer Umschlagsleistung sowie zur Entlastung des Fahrers und weiteren, bzw. verbesserten
Einsatzmöglichkeiten des Traktors führen.
Bild 30: Elektrohydraulische Lenkung, Add-On Lösung
4
Zusammenfassung
Rund 50 Jahre Hydraulik im Traktor haben einen großen Anteil zur Technisierung der Landtechnik und
somit entscheidend zur Verringerung oder Vermeidung der körperlich anstrengenden Arbeiten
beigetragen. Nur somit konnte eine erhebliche Effizienzsteigerung in der Landtechnik erreicht werden.
Als weiterer wesentlicher Innovationstreiber haben mittlerweile die Elektronik und Bustechnologien im
Traktor Fuß gefasst. Zur Beherrschung der mittlerweile komplexen Traktorfunktionen eröffnen sich
technisch und wirtschaftlich attraktive neue Lösungen, die auch den wachsenden ökologischen Anforderungen gerecht werden. Maßgeblich wird dabei die Fähigkeit von Zulieferern und Traktorherstellern
sein, die unterschiedlichen Technologien optimal miteinander zu kombinieren. Die früheren Einzelunternehmen Rexroth, Brueninghaus Hydromatik und Bosch haben in der Vergangenheit bereits an
vorderer Stelle zusammen mit den Kunden zur Erfolgsstory hydraulischer Antriebstechnik im Traktor
beigetragen. Nun vereinigt zur Bosch Rexroth AG wollen wir mit unserer breiten Erfahrung in der hy20
draulischen Energieerzeugung und -steuerung sowie der Elektronik und Getriebetechnik unsere Kunden noch umfassender mit einem breiten, abgestimmten Produktangebot unterstützen.
Quellen
[1]
Bilder: Bosch Rexroth AG
[2]
Die Erstveröffentlichung des Beitrags erfolgte bei der Tagung "Mobile 2003" im Oktober in Ulm
Autoren
Dr. Gerhard Keuper
Uwe Maier
Bosch Rexroth AG
The Drive & Control Company
Abteilung: BRM-MC/ETS
Bosch Rexroth AG
The Drive & Control Company
Abteilung: BRM-MC/VTS2
Postfach 300240
D 70442 Stuttgart
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D 70442 Stuttgart
Tel.:
Fax:
Tel.:
Fax:
+49 (0) 711-811-8382
+49 (0) 711-811-8374
e-mail:
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+49 (0) 711-811-8374
e-mail:
Internet: www.boschrexroth.com
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