Einsatz eines geschlossenen hydrostatischen Zweiraupenantriebs in Raupentransportern

In China werden zunehmend Raupentransporter mit geschlossenem hydrostatischem Zweiraupenantrieb eingesetzt, insbesondere bei Raupenbulldozern, Raupentraktoren und Raupentransportfahrzeugen. Diese Antriebstechnik bietet mehrere Vorteile: Sie isoliert den Motor von Stößen aus dem Untergrund, ermöglicht höhere Fahrgeschwindigkeiten und eine stufenlose Geschwindigkeitsregelung für unterschiedliche Arbeitsanforderungen. Außerdem sorgt sie für einen sanften Anlauf unter besonderen Einsatzbedingungen, macht ein komplexes mechanisches Getriebe überflüssig und reduziert das Gesamtgewicht der Maschine. Dank der hohen Austauschbarkeit der Hydraulikkomponenten lassen sich bestehende Maschinen leicht umrüsten. Bei leistungsstarken Fahrzeugen mit Zweiraupenantrieb sind die Vorteile des geschlossenen hydrostatischen Antriebs besonders deutlich. Obwohl das Hydrauliksystem mit hohem Druck und großem Volumenstrom arbeitet, sind Hydraulikkomponenten, Zubehör und Tank kompakter als bei einem offenen Hydrauliksystem gleicher Leistung. Das erleichtert die Integration in die Maschine. Im Folgenden fasst der Autor seine langjährige Erfahrung mit der Auslegung hydrostatischer Antriebe zusammen.

1. Systemaufbau

Ein geschlossener hydrostatischer Zweiraupenantrieb besteht unter normalen Betriebsbedingungen aus einer hydraulisch oder elektronisch gesteuerten Verstellpumpe und einem Konstantmotor. Um unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten und Zugkräfte abzudecken, ist gelegentlich ein Motor mit zwei Schaltstufen erforderlich. Abbildung 1 zeigt den Grundaufbau eines geschlossenen hydrostatischen Zweiraupenantriebs mit Vorsteuerhebeln, Pumpen, Motoren, Fahrgetrieben und weiteren Komponenten.

2. Abstimmung von Vorsteuerhebel und Verstellpumpe

Bei der Auslegung ist die Abstimmung der Kennlinien für Fördervolumen und Druck (bzw. Spannung) der Pumpe mit der Druckregelkennlinie des Vorsteuerkreises (bzw. der elektrischen Steuerung) entscheidend. Bei vollständig hydrostatisch angetriebenen Zweiraupenfahrzeugen sollte die Totzone der Druckregelkennlinie der Antriebspumpe etwas größer sein. So werden durch unbeabsichtigte Bewegungen des Vorsteuerhebels ausgelöste Pumpenreaktionen reduziert und die Geradeausfahrt verbessert. Eine möglichst große Steigung hilft, die Lenkempfindlichkeit zu verringern: Die Pumpe lenkt bei kleinem Fördervolumen, wodurch die Lenkgeschwindigkeit und der beim Lenken zu überwindende Trägheitswiderstand sinken. Dadurch wird ein Abwürgen des Motors unwahrscheinlicher. Für Vorsteuerhebel kommen üblicherweise zwei Druckregelkennlinien zum Einsatz. Bei der Abstimmung sollte der Anfangsdruck (bzw. die Anfangsspannung) der Kennlinie beim Verlassen der Totzone unter dem maximalen Druck (bzw. der maximalen Spannung) liegen, der dem Pumpenfördervolumen in der Totzone entspricht (Punkt f). Das ermöglicht einen sanften Anlauf und das Anfahren aus dem Stillstand. Der Vorsteuerdruck (bzw. die Versorgungsspannung) sollte höher sein als der Druck (bzw. die Spannung), der dem maximalen Fördervolumen der Pumpe entspricht. Dadurch lässt sich das Pumpenfördervolumen über den gesamten Bereich stufenlos regeln. Bei hydraulischer Steuerung sollte der Vorsteuerdruck in der Regel etwa 5 × 10⁵ Pa über dem Druck liegen, der dem maximalen Pumpenfördervolumen entspricht. Das verringert Schwankungen der Fahrgeschwindigkeit, die durch das Zittern des Hebels bei hoher Fahrgeschwindigkeit entstehen können. Der Hebelweg, der die stufenlose Änderung des Pumpenfördervolumens steuert, sollte möglichst groß sein. Wie in Abbildung 2 dargestellt, ermöglicht die Kennlinie III gegenüber Kennlinie II einen größeren Hebelweg für die stufenlose Regelung (Abschnitt nj > Abschnitt mi), begrenzt jedoch durch den verfügbaren Hebelweg. Die Steigung des Proportionalbereichs sollte möglichst gering sein. Bei gleichem Bedienweg Δs ist die Änderung des Pumpenfördervolumens bei Kennlinie II größer als bei Kennlinie III (Δq2 < Δq3). Kennlinie II reagiert für den Fahrer daher zu empfindlich; Kennlinie III bietet ein besseres Bediengefühl. Bei Kennlinie III sollte außerdem der maximale Druck (bzw. die maximale Spannung) im Proportionalbereich (Punkt c) nahe am maximalen Steuerdruck (bzw. der maximalen Steuerspannung) der Pumpenkennlinie liegen (Punkt h). Um das Lenkverhalten und die Wendigkeit der Maschine zu verbessern und bei engen Kurven den Lenkungswiderstand sowie den Leistungsbedarf des Motors zu begrenzen, kann das Pumpenfördervolumen eingeschränkt werden. Üblicherweise wird dazu beim Lenken der Vorsteuerdruck (bzw. die Versorgungsspannung) begrenzt. Er sollte dann unter dem Steuerdruck (bzw. der Steuerspannung) liegen, der dem maximalen Pumpenfördervolumen entspricht. Der Grenzwert ist anhand der Maschinenparameter so festzulegen, dass der Motor nicht abgewürgt wird.

3. Festlegung des Systemdrucks

Bei Fahrzeugen mit geschlossenem hydrostatischem Zweiraupenantrieb entspricht der Druck zum Überwinden des Lenkungswiderstands unter normalen Bedingungen dem maximal erforderlichen Druck und kann als Systemdruck eingestellt werden. Bei der Festlegung des Systemdrucks sind jedoch neben dem erforderlichen Druck zum Überwinden des Lenkungswiderstands auch die erreichbaren Leistungsdaten der verfügbaren Hydraulikkomponenten und des Zubehörs sowie die Einsatzbedingungen und Kosten der Maschine zu berücksichtigen.

4. Auswahl des Fahrmotors

Motoren mit zwei Schaltstufen sind erforderlich, um sowohl die gewünschte Fahrgeschwindigkeit als auch die maximale Zugkraft zu erreichen und den Wirkungsgrad des Hydrauliksystems zu verbessern. Außerdem ist je nach Anwendung zwischen schnelllaufenden Motoren und langsam laufenden Hochdrehmomentmotoren zu wählen. Schnelllaufende Motoren sind kompakt und können in das Fahrgetriebe integriert oder als kombinierte Einheit ausgeführt werden. Ideal ist der Einbau innerhalb der Raupenkette, da dies die Fahreigenschaften der Maschine verbessert. Langsam laufende Hochdrehmomentmotoren sind größer. Um die Geländegängigkeit der Maschine zu verbessern, sollte der Motor höher als die Mitte des Antriebsrads montiert und vom Boden ferngehalten werden.

5. Auswahl der Hydraulikpumpe

Die Hydraulikpumpe sollte möglichst mit einer hohen Auslegungsdrehzahl betrieben werden, idealerweise nahe ihrer Nenndrehzahl. So erreicht der aus Pumpe und Motor bestehende Hydraulikkreis auch dann einen hohen Wirkungsgrad, wenn der Motor im Leerlauf arbeitet. Für die Bestimmung des maximalen Pumpenfördervolumens dient üblicherweise die erste Schaltstufe des Zweistufenmotors mit dem kleineren Fördervolumen als Grundlage. Dadurch lässt sich die erforderliche Antriebsleistung verringern und der Wirkungsgrad des Systems verbessern.

6. Bei der Auswahl von Hydraulikzubehör für geschlossene Hydrauliksysteme sind folgende Punkte besonders zu beachten: 1) Die Saugleitung sollte möglichst kurz und großzügig dimensioniert sein, damit keine Luft angesaugt wird. In die Saugleitung darf nur ein grobmaschiger Saugfilter eingebaut werden. Wenn der verfügbare Bauraum es zulässt, empfiehlt sich ein hoch angeordneter Hydrauliköltank, dessen Ölstand oberhalb des Pumpeneinlasses liegt. Das verbessert die Ansaugbedingungen der Pumpe. Achten Sie beim Anschluss der Saugleitung besonders auf Dichtheit. Andernfalls kann es zu Fahrzeugvibrationen, schlechter Geradeausfahrt sowie Schäden an Pumpe und Motor kommen. 2) Die Ablassleitungen von Pumpe und Motor sollten einen möglichst großen Innendurchmesser haben und separat in einen drucklosen Rücklauftank münden. In die Ablassleitungen darf kein Ölfilter eingebaut werden. So bleibt der Ablasswiderstand möglichst gering und die Wellendichtungen von Pumpe und Motor werden nicht beschädigt. Andernfalls kann Öl aus dem Hydrauliksystem in die angeschlossenen Getriebekomponenten gelangen, wodurch Hydrauliköl verloren geht und verunreinigt wird. Im schlimmsten Fall kann es zu schweren Systemstörungen kommen.