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O+P Fluidtechnik 4/2016

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ANTRIEBE Formal lässt

ANTRIEBE Formal lässt sich dieser Zusammenhang, dass die hydrostatische Schubleistung auf den Dieselmotor, gegeben durch den Systemdifferenzdruck dp, der Pumpendrehzahl n Pump und das Hubvolumen der Pumpe V Pump , kleiner sein muss, als die maximale Bremsleistung P Eng,brake , die der Motor zur Verfügung stellen kann, wie in Gleichung 1 darstellen: dp ⋅n ⋅ V < P Pump Pump Eng brake , Gl.1 Betrachtet man nun derartige hydrostatische Systeme, so sind bereits verschiedene Bremslösungen vorgestellt worden. Der Grundgedanke der Lösungen ist in der Regel gleich, es wird die kinetische Energie über ein Ventil abgedrosselt und so in Wärme umgesetzt, die dann über den Kühler abgegeben wird. Um zu verdeutlichen, dass nicht nur die oben gezeigte Feldspritze, sondern auch andere Maschinentypen dieser Problematik unterliegen, erfolgt die Bremssystem-Diskussion mit einem Mähdrescher. HYDRAULISCHES BREMSSYSTEM 02 Schaltplan der Pumpe mit ISL Ventilsystem Das erste der Systeme, die hier analysiert werden, ist ein integriertes Ventilsystem, genannt ISL – Integrierte Drehzahl-Limitierung. Diese zusätzliche, in den Rücklauf der Pumpe integrierte Ventilgruppe (Bild 02) ist eine vorgesteuerte Drossel, die den Druck in der Rotationsgruppe der Pumpe unabhängig vom Bremsdruck regelt und somit auch bei maximalem Volumenstrom ein Überdrehen des Dieselmotors vermeidet. Parallel zu dieser Drossel ist eine Blende angeordnet, die dem Druck der Rotationsgruppe erlaubt, bei kleiner werdendem Volumenstrom, wieder anzusteigen und so Drosselverluste zu reduzieren und damit auch den Hitzeeintrag ins Öl. FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 03 Darstellung einer Abbremsung eines Mähdreschers in Bergabfahrt. Oben: Messung – Unten: Simulation 76 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 4/2016

ANTRIEBE Verglichen mit Gleichung 1 zeigt sich, dass die Eleganz dieser Lösung darin besteht, den Triebwerksdruck (dp) bei gleichzeitig hohem Bremsdruck zu reduzieren. Bild 03 verdeutlicht die Funktionsweise des ISLs in einem Fahrzeug, hier im Mähdrescher mit einem Leergewicht von 24 t, einer Antriebsleistung von 330 kW und einer maximalen Fahrgeschwindigkeit von 40 km/h während einer Bremsung am Hang. Der dargestellte Messschrieb zeigt einen kurzen Fahrzyklus, bestehend aus einer Beschleunigung auf maximale Fahrgeschwindigkeit in den ersten 8 s, darauf folgend der Eintritt in eine Bergabfahrt mit nachfolgendem Abbremsen bis zum Stillstand ab ca. 25 s. Verdeutlicht wird dies durch die beiden Systemdrücke p A und p B , wobei A die Druckseite für Vorwärtsfahrt, B für Rückwärtsfahrt bzw. Vorwärts-Bremsdruck ist. Zusätzlich ist der triebwerksinterne Druck p Kit gezeigt, der nach dem ISL-Ventil auf die Rotationsgruppe wirkt. Sobald das ISL aktiv wird, unterscheiden sich p Kit und p B . Weiterhin sind die Drehzahl des Hydraulikmotors und die Dieseldrehzahl gezeigt. Die Funktionsweise des ISL wird an diesem Beispiel recht deutlich, besonders bei 25 s, wenn die Bremsung initiiert wird. Die Pumpe wird auf neutral kommandiert, durch die kinetische Energie des Fahrzeugs wird der Bremsdruck, hier bis zu 500 bar aufgebaut. Der sogenannte Nullhub hält die Pumpe aufgrund des hohen Drucks auf größerem Schwenkwinkel. Parallel dazu reduziert das ISL den Druck im Triebwerk p Kit , dass der Dieselmotor nicht überdreht wird. Wird der Mähdrescher nun langsamer, d. h. der Volumenstrom, der vom Motor geliefert wird, wird kleiner, so kann der Nullhub die Pumpe auf kleineren Winkel bewegen, um den Bremsdruck aufrecht zu halten. Zusätzlich wird bei kleinerem Volumenstrom der Einfluss der Blende größer, sodass p Kit ansteigt, bis das Fahrzeug zum Stillstand gekommen ist. Bild 03 macht deutlich, dass Simulation und Messung sehr gut übereinstimmen. Es finden sich nur kleinere Abweichungen in den Systemdrücken während der Beschleunigung und dem Eintritt in die Hangstrecke, was darauf hindeutet, dass die Topologie nicht perfekt modelliert wurde. Da dies aber nicht kritisch für die Genauigkeit der Simulation ist, zeigt sich hier ein hohes Vertrauen in diese Simulationsergebnisse, aber auch in den folgenden Simulationen, da das gleiche Basismodell verwendet wurde. Die Vorteile eines solchen Systems bestehen in einer hohen Betriebssicherheit, Stabilität, kurzen Reaktionszeiten und Bremswegen sowie einer einfachen Systeminstallation. In der Regel werden die Einstellparameter mit einer vorgeschalteten Simulation ermittelt. Kein zerstörter Dieselmotor, keine aufwändige Softwareanpassung und -parametrierung wurden bisher verzeichnet, und es ist auch keine Anpassung an Herstelltoleranzen während der Serienproduktion nötig. Ein Konzeptnachteil ist allerdings, dass das Ventilsystem nur in einem Anschluss der Pumpe integriert ist. Für die Majorität der Fahrzeuge ist das kein Problem, allerdings für Fahrzeuge, die gleich schnell in beide Richtungen fahren, Fahrzeuge wie Walzen oder Züge beispielsweise. Hier wären dann Adaptionen nötig, in der Art, dass das Ventilsystem in einen externen Block integriert wird und somit auch bidirektional wird. SOFTWAREBASIERENDES BREMSSYSTEM Das weitere, hier diskutierte Bremssystem ist im Prinzip ein spezieller Software-Algorithmus. Um die kinetische Energie abzudrosseln, werden die systemeigenen Hochdruckventile verwendet. Um den Dieselmotor nicht zu überdrehen, wird die Pumpe auf kleineren Winkel geschwenkt, der sich aus einer Modifikation von Gleichung 1 ergibt: V Pump P = Eng brake , Gl.2 dp ⋅ n Pump Zur Volumenstromkompensation wird in der initialen Bremssituation der Motor ebenfalls zu kleineren Schwenkwinkeln geschwenkt. Dieses verhindert auch unangenehme Stöße. Wird der Motor nun zu größeren Winkeln geschwenkt, wird Bremsdruck aufgebaut und der Großteil des Volumenstroms wird über die Hochdruckventile entspannt. Dieses System erscheint, da vordergründig keine weiteren Komponenten benötigt werden, sehr einfach und günstig. Nachteilig ist aber, dass das Schwenkverhalten der Hydrostaten wichtig ist. Passen die Schwenkwinkel von Pumpe und Motor nicht zusammen, können Rücke/Stöße, verminderte Verzögerung oder auch ein zerstören des Dieselmotors bei zu großem Pumpenwinkel auftreten. Dies bedingt daher eine intensive Entwicklungs- und Testphase der Software einhergehend mit intensiven Fahrzeugtests und Parameterabstimmung auf das Schwenkverhalten der Hydrostaten – letzterer Punkt kann auch während der Serienproduktion notwendig sein, um Herstelltoleranzen abzudecken. Weiterhin ist zu bemerken, dass bei dieser Lösung der Volumenstrom nicht im Kreis verbleibt, sondern an den Hochdruckventilen in die Galerie der Pumpe umgeleitet wird, um an der anderen Seite 04 Simulation eines Bremsmanövers mit softwarebasiertem Bremsen in Bergabfahrt O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 4/2016 77

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