Kraftübertragung im Traktor

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Forschung für den ländlichen Raum
Josephinum
Research
KRAFTÜBERTRAGUNG IM TRAKTOR
ÖKL-Kolloquium 2014
Der Traktor und seine Leistung –
Schnittstellen moderner Zugmaschinen
Dr. Jürgen KARNER
Josephinum Research Wieselburg
03.12.2014
Wieselburg
INHALT
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
Mechanisierung in der Landwirtschaft
Motor
Getriebe
Leistungsübertragung, Elektrifizierung, Hybrid
Ausblick
Trends & Prognosen
Karner / Kraftübertragung im Traktor
2
EINSATZSPEKTRUM VON LANDMASCHINEN
Diversität von




Bedienern,
Saisonen,
Verfahren,
Geräten, …
3
BEGINN DER MECHANISIERUNG IN NORDAMERIKA
Dampfpflüge




ca. 150 PS starke Maschinen
Pflugleistung bei etwa 14 ha/Tag
täglich rund 8 t Kohle
stündlich ca. 1.200 l Wasser
Begriff „Traktor“
 erstmals 1907 (Fa. Hart-Parr)
 ab 1917 „Fordson“ - Serienfertigung
4
Ersatz
tierischer
Zugkraft
Integration von
Zusatzfunktionen, Antrieb von
Geräten, Komfortfunktionen
MEILENSTEINE DER TRAKTORENTWICKLUNG (AUSWAHL)
…
2007
Traktor mit elektrischer Leistungsversorgung (JD e-Premium)
1995
Hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigtes Getriebe (Fendt)
1954
erstes 2-stufiges Lastschaltgetriebe (IH)
1940
erste DIN Zapfwellennorm
1931
etwa 1 Mio. Traktoren in USA, 16.000 Stk. in DE
1926
Ferguson, erster hydraulischer Kraftheber, 3-Punkt, Regelhydraulik
1923
Lanz-Ackerbulldog, 12 PS, Allrad
1917
„Fordson“ Radtraktor, 20 PS, Blockbauweise, Fließbandfertigung
Quelle: Renius: Traktoren – Technik und ihre Anwendung (1985) + eigene Ergänzungen
5
GLOBALER MARKT
 Weltweit werden jährlich ca. 2 Mio. Traktoren gebaut!
 Traktorenumsatz 2012 etwa 40 Mrd. €
 Indien ist größter Traktorenmarkt (ca. 600.000 Stk.)!
Die Hälfte der Traktoren hat bis zu 40 PS!
Bilder: www.pinterest.com, natureandlifenotes.com, CNH, Claas, Josephinum Research
6
LANDMASCHINEN-PRODUKTION GLOBAL
Regionale Verteilung der globalen Landmaschinen-Produktion
(~94 Mrd. € in 2013)
 globale
Traktorkonzepte
 Technologieimpulse
für die Entwicklung
kommen aus
Westeuropa
Quelle:
Wiesendorfer: Die konjunkturelle Entwicklung der Landtechnikindustrie, VDMA (2013)
7
AUFBAU EINES EUROPÄISCHEN STANDARDTRAKTORS
Quelle: Renius, Vorlesung Traktoren TU-München
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MOTOR LEISTUNGSANGABEN
Motorleistung als wichtigstes Kriterium
Augenmerk auf das
Kleingedruckte!
Quelle: www.fendt.com
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POWER BOOST
Quelle: Profi 9/2013
Boost-Modus
 durch Umschalten auf
Motorkennfelder für höhere Leistung
 bei Leistungsabgabe an mehrere
Verbraucher
11
MOTOR LEISTUNGSANGABEN
 verschiedene
Leistungsbegriffe
 verschiedene
Prüfnormen
Quelle: www.deere.de
12
STATISTISCHE DATEN VON 104 TRAKTOR-MODELLEN
 gesetzlich geforderte Reduktion von NOx, Partikelmasse
 Trend zu SCR-Technik zur Erfüllung der Abgasstufe IV ab 56 kW
 allgemein kein zusätzlicher Dieselpartikelfilter (herstellerabhängig)
 Downsizing, 4-Zylindermodelle für Leistungen bis ca. 120 kW
Quellen:
Renius, Geimer: Motoren und Getriebe bei Traktoren, Jahrbuch Agrartechnik (2013)
Karner: Kleinerer Motor mit mehr Leistung, BauernZeitung (2014)
Brandhofe, K., Stickel, C-P.: Zukünftige Abgasgesetzgebung
Karner / Innovationen in der Landtechnik
13
 Eigengewicht steigt tendenziell linear mit der Motorleistung
14
L
𝐿∙𝜆
 Traktormasse steigt in etwa mit der 3. Potenz des Radstandes!
 Reifendimension muss mit steigender Traktorabmessung
„überproportional“ vergrößert werden, damit Bodendruck nicht ansteigt!
15
GETRIEBE
16
Grafik: Resch, 2004
STUFENLOSGETRIEBE
 häufigste Benutzungsdauer zwischen ~4 km/h und 12 km/h
( Hauptarbeitsbereich)
 Nebenmaxima bei hoher Transportgeschwindigkeit (Straße)
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STUFENLOSGETRIEBE
Prinzip:
 variable Drehzahl durch parallel
angeordneten Hydrostat (Pumpe+Motor)
Quelle: Profi - Magazin für Landtechnik
18
STUFENLOSGETRIEBE
Ausblick
 neue, effiziente Generation von
hydrostatisch-mechanisch
leistungsverzweigten Getrieben
 neue Getriebestrukturen
(„Compound-Getriebe“)
 Stufenlostechnologie auch bei kleineren Modellen
Bild: Fa. Lindner (Lintrac90)
19
LEISTUNGSÜBERTRAGUNG TRAKTORGERÄT
20
LEISTUNGSÜBERTRAGUNG TRAKTOR-GERÄT




reine Zugleistung
Zapfwelle
Hydraulik
ISOBUS
Quelle: Klaus Hahn: Einsatzmöglichkeiten elektrischer Antriebe für landwirtschaftliche
Maschinenkombinationen (2010)
< 275 kW
< 63 kW je Kupplung
< 0,72 kW
Bilder: Pöttinger, Claas
 große Leistungen als Zugleistung oder über Zapfwelle, aber dadurch
Kopplung an Drehzahl des Verbrennungsmotors
 stufenlos drehzahlvariable Antriebe vornehmlich hydraulisch ausgeführt
 elektrische Leistungsversorgung als weitere Schnittstelle?
21
HISTORISCHE BEISPIELE MIT ELEKTRISCHEM ANTRIEB
Lohner Porsche (1900)
 Radnabenmotoren an der
Vorderachse
 Batteriebetrieb, später mit
Benzinmotor + Generator
 serieller Hybrid
Quelle: Hoffmann: Hybridfahrzeuge (2010)
Farmall Electrall (1954)
 Notstromversorgung
 Geräte: gezogener
Mähdrescher und
Ballenpresse
 Abtöten von Unkräutern
mittels Lichtbogen
Quelle: tforums.ytmag.com
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VERGLEICH DER SPEICHER
„Speicherkapazität“
Speichersysteme /
Energieträger
Betrieb bei 100 kW über 2h
spezifische Energie
(Wh/kg)
Pb/PbO2
32 … 40
NiMH
43 … 90
Li-Ion
100 … 200
Li-Polymer
~ 60 kg Diesel 190
SuperCaps
2,5
Superbenzin
12.700
Diesel
11.800
~1.260 kg Li-Ion Speichermasse
~ 60 kg Diesel
Quellen:
Hofmann (2010): Hybridfahrzeuge
Wallentowitz, Freialdenhoven (2011): Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges
Kogler (2013): Projektbericht Elektrische Antriebe in der Landtechnik, unveröffentlicht
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DIESEL-ELEKTRISCHES ANTRIEBSSYSTEM
Hybrid
Control Unit
HCU
=
PSM
3~
Diesel Motor
Generator
3~
3~
PSM
3~
3~
ASM
3~
=
=
Gleichrichter
DCZwischenkreis
=
3~
Inverter
Quellen:
Karner, Baldinger, Reichl: Hybrid systems in Agricultural Engineering, (2014)
Götz, ZF (2011)
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TRAKTOREN
Steckdose am Traktor
 John Deere e-Premium, 6210RE
 Fendt X-Concept
 Zapfwellengeneratoren
Bilder: Landtechnikmagazin.de; www.fendt.com; GKN Walterscheid
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TRAKTOR + SÄMASCHINE
ZF, SDF, Amazone
 Elektrifizierung von Nebenaggregaten am Traktor
 elektrische Antriebe am Gerät (Gebläse, Vereinzelung)
 Generator (PSM, 50 kW Dauerleistung) am Eingang des hydrostatisch
leistungsverzweigten Getriebes (VKM-Drehzahl, kein Hochsetzen)
 6% Verbrauchseinsparung durch Elektrifizierung der Nebenaggregate
Quellen: ZF (2012), Amazone (2012)
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KREISELSCHWADER
Pöttinger
 variable Kreiseldrehzahl durch elektrischen Antrieb
 Ziele:
 Drehzahlanpassung an die Futtermasse
 Verringerung von Bröckelverlusten
 Verringerung der Futterverschmutzung
Quelle: Hofinger (2012): Electric driven Rake. Kolloquium “Elektrische Antriebe in der Landtechnik”, Dresden
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TRANSPORT-TECHNIK
Elektrischer Achsantrieb am
Abschiebewagen (Fliegl)
 Achse und Motor getrennt
 Betrieb über Steckdose am
Traktor oder
Zapfwellengenerator
 Ziel:
 Traktionsgewinn
Bilder: Fa. Fliegl (2011)
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RÜBENVOLLERNTER




ROPA-Rübenvollernter: durchschnittliche 1.000 ha/Saison
durchschnittlicher Verbrauch: 45 Liter/ha
Umrüstung des hydrostatischen Fahrantriebs auf diesel-elektrischen
Anpassungsgetriebe für höhere Generatordrehzahlen
(2x 140kW @ 3.000 U/min)
 Ziel:
 Reduktion des Kraftstoffverbrauchs
kaum kostengünstige Standardkomponenten
für diese Leistungsklasse verfügbar
Quelle: Fa. POPA (2012)
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RADHARVESTER
Hohenloher Maschinenbau
 Leistungsauslegung von VKM+Hydraulik für Spitzenleistung
 hydraulische Hybridlösung mit Hydraulikspeicher (360kJ)
 Boost (90kW) zur Beschleunigung des Baumstammes
 Ziele:
 Entlastung der VKM
 Downsizing 6 Zyl.  4 Zyl.
 günstigere Abgasstufe
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BAGGER
Komatsu
 Drehbewegung des Oberwagens wird diesel-elektrisch ausgeführt
 Rückgewinnung der Schwenkenergie und Speicherung dieser Energie
(SuperCaps)
 Diesel: 110 kW
 Ziele:
 Kraftstoffeinsparung
 weniger CO2-Emissionen
Quellen:
http://www.komatsu.eu/new_equipment/displayFile.ashx?fileid=86416
http://forum.bauforum24.biz/forum/index.php?showtopic=48108
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AUSBLICK
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TIM & V2V
 Traktor-Geräte Kommunikation über ISOBUS
 z.B. Kartoffellege-Gerät
 z.B. Schwadscanner und Ladewagen
Vehicle2Vehicle Synchronisation
 Mähdrescher übernimmt Kontrolle über Traktor
 Traktoren im „Synchronlauf“
Bilder: John Deere; Grimme; Pöttinger
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TECHNOLOGIE
Neue Maschinenkonzepte?
 geringere Einsatzmassen?
 geringere Abmessungen?
 kommunizierende Einheiten?
Bild: AGCO Fendt
Studie ANTS
Bild: Valtra
Bild: TU Dresden
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KONTAKT
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Jürgen KARNER
Josephinum Research Wieselburg
Tel.: +43 7416 52175
E-Mail: [email protected]
Homepage: http://www.josephinum.at
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