Entwicklung von Technologien für energiesparende Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen (TEAM)

Problemstellung
Unter mobilen Arbeitsmaschinen versteht man sogenannte Offroad-Maschinen in den Branchen Bau- und Baustoffmaschinen, Land- und Forstmaschinen, Fördertechnik, Kommunal- und Spezialfahrzeuge. Der Weltmarkt beträgt ca. 260 Mrd., 15 % dieses Marktes werden durch Produktion in Deutschland gedeckt. Deutsche Zulieferer insbesondere Hersteller von Hydrau-likkomponenten, Getrieben und Achsen erreichen einen Weltmarktanteil von über 30 %. Einschließlich der Zulieferer sind ca. 500 Firmen mit ca. 230.000 Beschäftigten dieser Teilbranche des Maschinenbaus in Deutschland zuzurechnen. Dieses immense Produktionsvolumen in Deutschland wird durch die Technologieführerschaft der vor Ort produzierenden Unternehmen ermöglicht. Damit die Produktion in Deutschland gehalten werden kann, ist es unabdingbar, den technologischen Vorsprung zur Konkurrenz aufrechtzuerhalten.
Analysen zeigen, dass mit neuen Technologien ein Energie- und Schadstoffeinsparpotential in Höhe von 20 bis 40 % zu erwarten ist. Diese Werte setzen jedoch die Kombination neuer Antriebstechnologien voraus. Teilweise existieren diese Antriebstechnologien für die Anwendung in mobilen Arbeitsmaschinen bereits als Funktionsmuster. Eine konsequente maschinenspezifische Zusammenführung dieser Technologien, die praktische Erprobung sowie eine vergleichende Bewertung standen bislang aus.
Vielversprechend sind auch Entwicklungen aus dem Automotive-Bereich, beispielsweise von schnelldrehenden elektrischen Antrieben oder aber auf einen eingeschränkten Betriebsbereich optimierte Verbrennungsmotoren. Aussagen zur Anwendbarkeit in mobilen Arbeitsmaschinen können bislang nicht getroffen werden.
Die Zusammenführung unterschiedlicher Technologien zu einem Antriebssystem erforderte bereits in der Entwurfsphase eine ganzheitliche Maschinenbetrachtung inklusive der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Antrieben sowie der prozessseitig bedingten Lasten. Die typischerweise verteilten Expertisen, (meist beziehen die Maschinenhersteller die Subsysteme wie Fahrantrieb, Dieselmotor, Arbeitshydraulik oder Werkzeuge von Zulieferern) standen bisher einer ganzheitlichen Betrachtung der Maschine entgegen.

Projektziele
Ziel des Verbundvorhabens war die Entwicklung, Erprobung und Bewertung von innovativen Antriebstechnologien zur Steigerung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen. Ausgehend davon leiteten sich folgende Teilziele ab:
(a) Analyse und Weiterentwicklung bestehender Systemlösungen unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungen aus Industrie und Forschung,
(b) Entwicklung von anwendungsspezifisch optimierten Antriebskomponenten,
(c) Erarbeitung von Methoden und Werkzeugen zur ganzheitlichen Maschinenbetrachtung
(e) Schaffung einer Grundlage zur Effizienzbeurteilung in mobilen Arbeitsmaschinen,
(f) Erprobung und Bewertung der Antriebstechnologien anhand von Demonstratoren.

Vorgehensweise
Im Rahmen des Forschungsverbunds aus Industrie und Hochschulen wurden systematisch Lösungen zur Steigerung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen erarbeitet und weiterentwickelt. In koordinierter Form wurden dabei Einzellösungen vorangetrieben und zu Systemlösungen zusammengeführt. Zur Erreichung der Arbeitsziele bildete das Konsortium themenspezifische Arbeitsgruppen, die in enger Abstimmung die einander ergänzenden Arbeitspakete bearbeiteten:
(a) Anforderungsanalyse und Anforderungspflege: Festlegung der konkreten Entwicklungsschwerpunkte und der Rahmenbedingungen, Erstellung der Lastenhefte
(b) Entwicklung von Methoden und Instrumenten zur energetischen Beurteilung von Antriebssystemen: Schaffung einer wissenschaftlich belastbare Grundlage zur Effizienzbeurteilung mobiler Arbeitsmaschinen, Durchführung umfangreicher Feldmessungen an konkreten Anwendungsbeispielen
(c) Entwicklung parametrierbarer Referenzmodelle zur Bestimmung des Prozesseinflusses: Erarbeitung von Modellen zur Beschreibung der Interaktion Erdstoff/Maschine: Prognose des prozessseitigen Energiebedarfs bereits im Entwurfsprozess, prozessbezogene optimierte Auslegung
(d) Technologieentwicklung und -vernetzung: Untersuchung und Weiterentwicklung von neuen Antriebstechnologien und deren Komponenten: verdrängergesteuerte Systeme der Arbeitshydraulik, leistungsverzweigte Getriebe, Hybridantrieb, Punktmotor, schnelldrehende elektrische Antriebe
(e) Systemintegration und praktische Erprobung: Zusammenführung neuer Antriebstechnologien, Konzeption und Konstruktion der Demonstratormaschinen, Erarbeitung geeigneter Steuerungsstrategien für das Gesamtsystem, Integration der neuen Antriebstechnologien, experimentelle Untersuchungen unter Praxisbedingungen, Validierung der theoretischen Betrachtungen

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Aus der Vielzahl der mobilen Arbeitsmaschinen wurden im Rahmen des geplanten Vorhabens einige exemplarisch herausgegriffen. Die erarbeiteten Methoden und Technologien lassen sich prinzipiell aber auf andere Maschinen übertragen. Die für die Entwurfsphase zu erarbeitenden Simulationswerkzeuge erlauben die Visualisierung der Wechselwirkungen zwischen den Komponenten und Systemen unter maschinen- und anwendungsspezifischen Einsatzbedingungen. Dies bietet sowohl den Maschinenherstellern, den Systemlieferanten und auch den Forschungsinstituten die Möglichkeit einer zielgerichteten Entwicklung neuer über das Verbundvorhaben hinausgehender Systemlösungen. Die gesammelten Erkenntnisse finden bei den beteiligten Hochschulinstituten unmittelbar Eingang in die Lehre und Weiterbildung. Mit dem Demonstrator Grüner Radlader steht ein Versuchsträger zur Verfügung, an dem die erreichten Ergebnisse nachgewiesen werden konnten und der auch künftig für weitere Forschungszwecke zur Verfügung steht.

• AGCO GmbH
• BAUER Maschinen GmbH
• Bosch Rexroth Aktiengesellschaft
• Danfoss Power Solutions GmbH & Co. OHG
• DEUTZ Aktiengesellschaft - Technologie Entwicklung VE-T
• Heinzmann GmbH & Co. KG
• HYDAC International GmbH
• Karlsruher Institut für Technologie (Universitätsaufgabe)
• Lehnhoff Hartstahl GmbH & Co. KG
• Liebherr-Hydraulikbagger GmbH
• LRT GmbH Tharandter Baumaschinenservice
• RWTH Aachen
• Schaeffler Technologies AG & Co. KG
• TAKRAF GmbH
• Technische Universität Dresden
• Wirtgen GmbH