Zukunftskonzepte von mobilen Arbeitsmaschinen präsentierte Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer, Inhaber des Lehrstuhls für Mobile Arbeitsmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) auf einem Fachpresse-Workshop der Schaeffler Gruppe Industrie am 9. und 10. Dezember 2009 in Landshut. Sein Institut beschäftigt sich insbesondere mit der Forschung zu Antriebs- und Steuerungstechnik sowie zur Simulation mobiler Arbeitsmaschinen. Schwerpunkt seines Vortrags war das Thema "Energieeffizienz". Neben dem positiven Effekt auf Umwelt und Ressourcenverbrauch betonte Prof. Geimer insbesondere den wirtschaftlichen Nutzen, der sich aus energieeffizienteren Maschinen für den Anwender ergebe. Betrachte man die Kraftstoffkosten einer mobilen Arbeitsmaschine über die gesamte Einsatzdauer, so seien diese um eine Zehnerpotenz höher als beim Pkw. "Das Interesse der Industrie an Effizienzsteigerungsmaßnahmen ist daher sehr groß, was auch die zahlreichen Forschungsaktivitäten belegen", so Prof. Geimer.
Von entscheidender Bedeutung bei der Entwicklung effizienterer und wirtschaftlicherer Maschinen sei dabei das Zusammenspiel aus System- und Komponentenoptimierung. "Weder optimierte Komponenten in einem schlechten System noch schlechte Komponenten in einem hervorragenden System führen zu einer energieeffizienten Maschine", so Prof. Geimer. Die Betrachtung aller relevanten Elemente sei daher notwendig. Reibungsoptimierten Wälz- und Gleitlagerungen bildeten dabei als universelle Maschinenelemente einen Schwerpunkt.
Hybridisierte Fahrantriebe
Kraftstoffeinsparungen durch hybride Antriebsstrukturen im Fahrantrieb stehen derzeit im öffentlichen Fokus. Als Energiespeicher bieten sich neben elektrischen Speichern insbesondere Hydrospeicher an, da hydraulische Antriebe in mobilen Maschinen heute bevorzugt eingesetzt werden. Beispiel ist ein Müllsammelfahrzeug, dessen Fahrantrieb um einen Hydromotor und Hydrospeicher ergänzt wurde. Hierdurch ist es möglich, die kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen im Hydrospeicher zu speichern und beim folgenden Beschleunigen wieder zu nutzen. Beim Beladen von Müllfahrzeugen muss die gesamte Fahrzeugmasse beschleunigt und nach einer kurzen Wegstrecke wieder abgebremst werden, so dass ein hoher Anteil rekuperierbarer Energie erwartet werden kann. In Versuchen wurde an einem Prototyp eine Kraftstoffersparnis von bis zu 25 Prozent gemessen.
Ein weiteres Beispiel für einen elektrischen Hybridantrieb ist ein Stapler mit Verbrennungsmotor, der um zwei elektrische Motoren in einem leistungsverzweigten Fahrantrieb ergänzt wurde. Hierdurch ist es möglich, Bremsenergie elektrisch zurück zu gewinnen und in einer Batterie zwischenzuspeichern. Dieselelektrische Fahrantriebe in Gabelstaplern, bei denen die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Energie gewandelt, zwischengespeichert und elektrisch an den Fahrantrieb abgegeben wird, sowie der Hybridantrieb eines Radladers unter Verwendung eines elektrischen Schwungradgenerators sind weitere Beispiele.
Effiziente Arbeitsantriebe
Auch in Arbeitsantrieben kann rekuperierbare Energie, wie sie z.B. bei ziehenden Lasten auftritt, zurück gewonnen werden. Bei einem System, das an der TU Braunschweig entwickelt wurde, ist ein Hydromotor in den Antriebsstrang integriert worden, der diese Aufgabe übernimmt. Er kann die Pumpe unterstützen und damit den Primärantrieb entlasten oder die Energie an eine weitere Einheit, an die ein Hydrospeicher angeschlossen ist, abgeben und dort speichern. Bei einer weiteren Zylindersteuerung mit der Möglichkeit zur Rekuperation ist an jeden Aktor ein hydraulisches Triebwerk angeschlossen, das sowohl die für den Zylinderantrieb benötigte Energie bereitstellen kann, als auch die aus dem Zylinder durch Rekuperation zurückgewinnbare Energie an andere Verbraucher mechanisch weiterleiten kann.
Entwicklung modernerer Simulationstools
Wichtige Grundlage für die Entwicklung alternativer Antriebskonzepte sind Simulationsmodelle zur Auslegung, wie sie z. B. in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der RWTH Aachen, der TU Braunschweig, der TU Dresden und des Karlsruher Instituts für Technologie entwickelt wurden. Neben dem Verhalten des Antriebsstrangs werden auch die Verluste zu jedem Zeitpunkt bestimmt. So war es möglich, die in dem Arbeitszyklus einer Maschine auftretenden Verluste systematisch zu analysieren und einen Vergleich unterschiedlicher Antriebsstrangkonzepte für verschiedene Maschinentypen unter definierten Randbedingungen durchzuführen.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist am 1. Oktober 2009 aus dem Zusammenschluss der Universität Karlsruhe (TH) und dem Forschungszentrum Karlsruhe hervorgegangen. Mit fast 8.000 Mitarbeitern und einem Jahresbudget von rund 600 Mio. Euro hat sich das KIT zum Ziel gesetzt, auf ausgewählten Gebieten eine weltweit führende Wissenschaftseinrichtung zu werden. Das Institut für Fahrzeugtechnik und Mobile Arbeitsmaschinen ordnet sich in den Forschungsschwerpunkt "Mobilitätssysteme" am KIT ein sowie in das Kompetenzfeld "Mobile Systeme und Mobilität". Das Institut umfasst die Lehrstühle für Bahnsystemtechnik, Fahrzeugtechnik, Leichtbau und Mobile Arbeitsmaschinen.
Von entscheidender Bedeutung bei der Entwicklung effizienterer und wirtschaftlicherer Maschinen sei dabei das Zusammenspiel aus System- und Komponentenoptimierung. "Weder optimierte Komponenten in einem schlechten System noch schlechte Komponenten in einem hervorragenden System führen zu einer energieeffizienten Maschine", so Prof. Geimer. Die Betrachtung aller relevanten Elemente sei daher notwendig. Reibungsoptimierten Wälz- und Gleitlagerungen bildeten dabei als universelle Maschinenelemente einen Schwerpunkt.
Hybridisierte Fahrantriebe
Kraftstoffeinsparungen durch hybride Antriebsstrukturen im Fahrantrieb stehen derzeit im öffentlichen Fokus. Als Energiespeicher bieten sich neben elektrischen Speichern insbesondere Hydrospeicher an, da hydraulische Antriebe in mobilen Maschinen heute bevorzugt eingesetzt werden. Beispiel ist ein Müllsammelfahrzeug, dessen Fahrantrieb um einen Hydromotor und Hydrospeicher ergänzt wurde. Hierdurch ist es möglich, die kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen im Hydrospeicher zu speichern und beim folgenden Beschleunigen wieder zu nutzen. Beim Beladen von Müllfahrzeugen muss die gesamte Fahrzeugmasse beschleunigt und nach einer kurzen Wegstrecke wieder abgebremst werden, so dass ein hoher Anteil rekuperierbarer Energie erwartet werden kann. In Versuchen wurde an einem Prototyp eine Kraftstoffersparnis von bis zu 25 Prozent gemessen.
Ein weiteres Beispiel für einen elektrischen Hybridantrieb ist ein Stapler mit Verbrennungsmotor, der um zwei elektrische Motoren in einem leistungsverzweigten Fahrantrieb ergänzt wurde. Hierdurch ist es möglich, Bremsenergie elektrisch zurück zu gewinnen und in einer Batterie zwischenzuspeichern. Dieselelektrische Fahrantriebe in Gabelstaplern, bei denen die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Energie gewandelt, zwischengespeichert und elektrisch an den Fahrantrieb abgegeben wird, sowie der Hybridantrieb eines Radladers unter Verwendung eines elektrischen Schwungradgenerators sind weitere Beispiele.
Effiziente Arbeitsantriebe
Auch in Arbeitsantrieben kann rekuperierbare Energie, wie sie z.B. bei ziehenden Lasten auftritt, zurück gewonnen werden. Bei einem System, das an der TU Braunschweig entwickelt wurde, ist ein Hydromotor in den Antriebsstrang integriert worden, der diese Aufgabe übernimmt. Er kann die Pumpe unterstützen und damit den Primärantrieb entlasten oder die Energie an eine weitere Einheit, an die ein Hydrospeicher angeschlossen ist, abgeben und dort speichern. Bei einer weiteren Zylindersteuerung mit der Möglichkeit zur Rekuperation ist an jeden Aktor ein hydraulisches Triebwerk angeschlossen, das sowohl die für den Zylinderantrieb benötigte Energie bereitstellen kann, als auch die aus dem Zylinder durch Rekuperation zurückgewinnbare Energie an andere Verbraucher mechanisch weiterleiten kann.
Entwicklung modernerer Simulationstools
Wichtige Grundlage für die Entwicklung alternativer Antriebskonzepte sind Simulationsmodelle zur Auslegung, wie sie z. B. in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der RWTH Aachen, der TU Braunschweig, der TU Dresden und des Karlsruher Instituts für Technologie entwickelt wurden. Neben dem Verhalten des Antriebsstrangs werden auch die Verluste zu jedem Zeitpunkt bestimmt. So war es möglich, die in dem Arbeitszyklus einer Maschine auftretenden Verluste systematisch zu analysieren und einen Vergleich unterschiedlicher Antriebsstrangkonzepte für verschiedene Maschinentypen unter definierten Randbedingungen durchzuführen.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist am 1. Oktober 2009 aus dem Zusammenschluss der Universität Karlsruhe (TH) und dem Forschungszentrum Karlsruhe hervorgegangen. Mit fast 8.000 Mitarbeitern und einem Jahresbudget von rund 600 Mio. Euro hat sich das KIT zum Ziel gesetzt, auf ausgewählten Gebieten eine weltweit führende Wissenschaftseinrichtung zu werden. Das Institut für Fahrzeugtechnik und Mobile Arbeitsmaschinen ordnet sich in den Forschungsschwerpunkt "Mobilitätssysteme" am KIT ein sowie in das Kompetenzfeld "Mobile Systeme und Mobilität". Das Institut umfasst die Lehrstühle für Bahnsystemtechnik, Fahrzeugtechnik, Leichtbau und Mobile Arbeitsmaschinen.
