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O+P Fluidtechnik 5/2021

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O+P Fluidtechnik 5/2021

MOBILE MASCHINEN

MOBILE MASCHINEN ANTRIEBSTECHNIK satz im Leerlauf laufen musste. Ein Motor im Leerlauf kann bis zu zweimal mehr Abgasemissionen ausstoßen wie ein Motor im Lastbetrieb. Abgasemissionen enthalten eine Reihe von Luftschadstoffen wie Kohlendioxid (CO2), Stickstoffdioxid und Feinstaub. Diese können sich negativ auf die Luftqualität in der Umgebung auswirken. Fahrzeuge im Leerlauf, vor allem Diesel-Lkw, verursachen außerdem Lärmbelästigung, besonders bei einem hohen Energiebedarf. VORTEILE ELEKTRISCHER ANTRIEBE Ein E-Nebenantrieb macht das Fahrzeug umweltfreundlicher und ist der erste Schritt in Richtung Hybrid- und voll elektrischer Antriebsstränge. Die Entkoppelung der Hilfsfunktionen von der Zugmaschine erlaubt eine Unabhängigkeit zwischen der Drehzahl des Dieselmotors, sodass die Arbeit energieeffizient, wirtschaftlich und umweltfreundlich ausgeführt wird. Die Gründe für diese Entwicklung liegen auf der Hand. Die Verschärfung der Umweltbestimmungen für Emissionen, Feinstaub und Lärm sowie die Beschränkungen von Hauptvertragspartnern für Arbeitsplätze in Städten machen diese neue Anwendung immer dringender. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Dieselmotor erheblich kleiner sein kann, sodass Kraftstoff eingespart wird. Beim Fahren (Traktion + Nebenantrieb) und in der Stadt wird der Dieselmotor ausgeschaltet und der E-Nebenantrieb eingesetzt. Der niedrigere Geräuschpegel am Arbeitsplatz sorgt für eine sichere Kommunikation und ein geringeres Gesundheitsrisiko für z.B. Hörschäden. Bei der Verwendung von klassischen Nebenantrieben müssen Kollegen aufgrund des Motorlärms im Leerlauf über Handzeichen miteinander kommunizieren. Im Gegensatz dazu sind batteriebetriebene Ausleger so leise, dass Kollegen miteinander sprechen können, obwohl sich einer auf dem Boden und der andere auf der Arbeitsbühne befindet. Auch eine Kommunikation über Funkgeräte ist dadurch problemlos möglich. MEHRERE VARIANTEN EINSETZBAR Das E-Nebenantriebssystem besteht aus einem Wechselrichter und einem Elektromotor, der von einer Gleichstromversorgung, z. B. einer Batterie, gespeist wird. Wenn Nebenverbraucher über die Batterie versorgt werden, muss der Motor während des Betriebs des Nebenaggregates nicht mehr im Leerlauf laufen. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch signifikant gesenkt und Luftverschmutzung sowie Lärmbelästigung eingedämmt. Ähnlich wie ein dieselbetriebener Nebenantrieb kann ein elektrischer Nebenantrieb mit einem mechanischen Kraftübertragungssystem (Kardanwelle oder Getriebe) oder einer Hydraulikpumpe ver- 03 38 O+P Fluidtechnik 2021/05 www.oup-fluidtechnik.de

ANTRIEBSTECHNIK 04 POINTIERT E-NEBENANTRIEBE FÜR MOBILE MASCHINEN FLEXIBEL INTEGRIERBAR LEERLAUFANTRIEB DES DIESELMOTORS ÜBERFLÜSSIG EFFIZIENT UND LEISE IM BETRIEB bunden werden. Dadurch werden allerdings neue Anforderungen an die Hydraulikpumpe und Motoren gestellt, sodass weitere Verbesserungen hinsichtlich Leistungsdichte, Effizienz, Geräuschpegel und Robustheit möglich sind. Für den Antrieb eines elektrischen Nebenantriebs gibt es mehrere Lösungen. Die erste besteht im Einsatz einer wiederaufladbaren Batterie, die Kapazität für einen kompletten Arbeitstag bietet und über Nacht aufgeladen wird. In anderen Fällen können anstelle einer Batterie Brennstoffzellen verwendet werden, um Elektrofahrzeuge zusätzlich zum Antriebssystem mit elektrischer Energie für den elektrischen Nebenantrieb zu versorgen. Alternativ kann die Batterie mit einem Generator aufgeladen werden, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Diese Lösung ist hervorragend für Anwendungen mit häufigen Starts und Stopps geeignet, z.B. Müllfahrzeuge. Da die Batterie im Fahrbetrieb regelmäßig aufgeladen werden kann, weist diese eine vergleichsweise geringe Kapazität auf, was sich günstig auf das Gewicht und die Kosten der Batterie auswirkt. Auch verschiedene Motortechnologien sind verfügbar. Ein permanenterregter Synchronmotor (PMAC-Motor) bietet eine hohe Leistungsdichte und Effizienz. Im Vergleich zu einem luftgekühlten Induktionsmotor mit 110 kW/3 000 min-1 und einem vergleichbarem wassergekühlten GVM210 400 136 kW PMAC-Motor von Parker, ist er erheblich kompakter und benötigt nur ein Zwanzigstel des Volumens und ein Zehntel des Gewichts. Die Drehmomentdichte und Drehzahleigenschaften liefern zusammen mit passenden Umrichtern die benötigte Drehzahl und das Drehmoment für einen maximalen Wirkungsgrad für elektrohydraulische Pumpen und Hilfssysteme. Der Wirkungsgrad des PMAC-Motors ist in allen Arbeitspunkten sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb zudem erheblich höher als bei einem Induktionsmotor, sodass ein viel kleinerer und günstiger Energiespeicher verwendet werden kann. Ein abgestimmter Mobilumrichter sorgt für einen höheren Wirkungsgrad, selbst bei niedrigen Drehzahlen, was auch günstig bei häufigem Ein- und Ausschaltbetrieb ist. 03 Batteriebetriebene Nebenantriebe haben bei Lkw-Ladekränen einen vergleichsweise geringen Energiebedarf, da die Senkbewegung wieder in den Energiespeicher rekupiert werden kann 04 Betonmischer benötigen ein konstant hohes Drehmoment, weshalb der E-Nebenantrieb direkt mit dem Getriebe des Verbrennungsmotors verbunden ist MOBILE MASCHINEN HABEN UNTERSCHIEDLICHE ANFORDERUNGEN Wie oben erläutert, kann der Energiebedarf eines elektrischen Nebenantriebs je nach Anwendung unterschiedlich sein. Zur Veranschaulichung der häufigsten Einsatzfälle schauen wir uns einen Lkw-Ladekran, ein Müllfahrzeug und einen Betonmischer an. Lkw-Ladekräne sind mit einem hydraulischen Anbaukran ausgerüstet, der schwere Materialien vom Tieflader herunter oder auf diesen heraufhebt. Der Arbeitszyklus bei Last umfasst zwei Bewegungen: das Heben von Materialien auf das Fahrzeug und das Fahren zum Zielort sowie das Abladen der Materialien. Die verrichtete Arbeit und somit der Energiebedarf ist vergleichsweise gering, da beim Senken der Last die Energie wieder zurück in den Energiespeicher rekuperiert wird. Theoretisch müssen daher nur die systemischen Energieverluste ausgeglichen werden. Das Müllfahrzeug hat jedoch durch das häufige Leeren der Mülltonnen ein spezielles Lastprofil. Die komplexen hydraulischen Funktionen stellen hohe Anforderungen an den Nebenantrieb in den drei Teil-Zyklen. Der erste Teil-Zyklus besteht im Aufnehmen und im Leeren der Mülltonne. Der zweite Teil-Zyklus umfasst die Verdichtung. Der Lkw fährt dann zur nächsten Mülltonne und diese beiden Zyklen werden wiederholt, bis die Trommel des Lkw voll ist. Der letzte Teil-Zyklus umfasst das Fahren zum Wertstoffhof oder zur Mülldeponie und das Auskippen der Ladung. Je nachdem, wie das Fahrzeug verwendet wird, kann der elektrische Nebenantrieb nur mit einer Batterie oder einem Hilfsgenerator aufgeladen werden. Die Energie von häufigen Bremsvorgängen kann ebenfalls gespeichert werden. Die Nutzbremsung nutzt einen Teil der kinetischen Energie, wodurch die Batterie über den Generator geladen wird. Der Betonmischer ist anspruchsvoller. Er benötigt während des Arbeitszyklus des E-Nebenantriebs ein kontinuierliches und relativ hohes Drehmoment, um den Beton zu mischen – auch beim Fahren. Die drei Teil-Zyklen umfassen das anfängliche Mischen des Betons, das anschließende Fahren zur Baustelle und schließlich das Abpumpen der Mischung. Durch die direkte Verbindung des Getriebes mit dem E-Nebenantrieb ist kein Hydraulikkreislauf mehr nötig, um die Trommel des Betonmischers zu drehen. Dies verbessert den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit und reduziert die Wartungsanforderungen. Bilder: Parker Hannifin GmbH www.parker.com www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2021/05 39

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