Liebherr Prüfstand

LVG-Prüfstand bei Liebherr: Aktuell ist das Getriebe in der Testphase. Bild: Liebherr

In Traktoren sind hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebe seit Jahren im Einsatz. Nun sollen die Vorteile dieser Getriebe auch für Baumaschinen zum Tragen kommen. Auf dieses Ziel arbeitet die Zulieferindustrie zurzeit mit großem Entwicklungsaufwand hin. Dabei geht es primär um einen geringeren Dieselverbrauch. Die Dynamik und die damit verbundene harmonische Interaktion zwischen Fahrer und Maschine, welche die Umschlagsleistung enorm beeinflusst, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle und wird deshalb bei der Getriebekonzeption berücksichtigt. Voraussetzung hierfür sind genaue Kenntnisse über die Einsatzbedingungen der Maschine.

Basis der Entwicklung ist der Stand der Technik von Antriebssträngen mobiler Arbeitsmaschinen mit hohen Anforderungen an das Reversieren. Hierbei kommen sowohl hydrostatische Antriebsstränge, Lastschaltgetriebe mit hydrodynamischem Wandler und neuerdings auch hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebe zum Einsatz.

Hydrostatische Getriebe

leistungsverzweigtes Getriebe

Prinzip des hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigten Getriebes. Bild: Liebherr

Die Stärken hydrostatischer Getriebekonzepte liegen vor allem in den geringen Verlusten während des Reversierens und während des Einstechens in das Haufwerk beziehungsweise Schüttgut. Daraus resultiert schließlich ein niedrigerer Energie-, beziehungsweise Kraftstoffverbrauch im Ladezyklus. Ein weiterer Vorteil dieser Konzepte ist das verschleißfreie hydrostatische Bremsen. Schwächen findet man dagegen im Vergleich zu einem Wandlergetriebe mit Überbrückungskupplung im Hinblick auf den niedrigeren Wirkungsgrad bei höheren Geschwindigkeiten.

Prinzip leistungsverzweigtes Getriebe

Prinzip des leistungsverzweigten Getriebes von Liebherr. Das Unternehmen verwendet drei parallel miteinander verschaltete Hydrostaten. Bild: Liebherr

Lastschaltgetriebe mit hydrodynamischem Wandler

Lastschaltgetriebe mit hydrodynamischen Wandlern kehren die Vorteile der hydrostatischen Getriebe in Nachteile und ihre Nachteile in Vorteile um: Sie können mit einem hohen Wirkungsgrad durch Schließen der Überbrückungskupplung punkten, vor allem bei höheren Geschwindigkeiten. Durch diesen besseren Getriebewirkungsgrad ist der Dieselverbrauch bei konstanter Fahrt geringer. Beim Reversiervorgang und beim Füllen der Schaufel hingegen schneiden Wandlergetriebe hinsichtlich des Dieselverbrauchs schlechter ab. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass der Wandler für ein hohes Moment auch eine hohe Dieseldrehzahl und damit eine hohe Dieselmotorleistung benötigt. Bei kleinen Geschwindigkeiten wird dadurch während des Füllvorgangs ein Teil dieser Leistung durch Schlupf im Wandler in Wärme dissipiert.

Hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigtes Getriebe

Das dritte Prinzip, welches neuerdings eingesetzt wird, ist das hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigte Getriebe. Es soll die Vorteile der zuvor genannten Getriebeprinzipien vereinigen. Allen auf dem Markt bereits vorgestellten Prinzipien gemein ist die Tatsache, dass sie mit zwei Hydrostaten betrieben werden und im zweiten Gang leistungsverzweigt fahren. Unterschiede gibt es in der Ausführung des ersten Ganges. Hier sind drei Varianten möglich: Der erste Gang lässt sich entweder voll hydrostatisch oder leistungsverzweigt ausführen. Außerdem kann das Getriebe bei der Variante mit Leistungsverzweigung im ersten Gang eingangs- oder ausgangsgekoppelt ausgeführt sein, das Reversiergetriebe kann dabei am Ein- oder Ausgang sitzen. Bei der erstgenannten Variante ist eine Hydraulikeinheit direkt mit dem Dieselmotor verbunden, wodurch im ersten Gang ein voll hydrostatischer Gang realisiert werden kann. Dies führt im zweiten Gang zu einem eingangsgekoppelten leistungsverzweigten Getriebe. Bei diesem kommt es in bestimmten Betriebszuständen zu Blindleistung. Sie entsteht, wenn die Hydraulikeinheit am Dieselmotor in den Motorbetrieb wechselt, wodurch zur Dieselleistung zusätzliche hydraulische Leistung in die Eingangsgetriebewelle eingespeist wird.

Fließt Blindleistung, so fließt zwangsläufig eine höhere Leistung in der Getriebeeingangswelle als der Dieselmotor selbst aufbringen kann. Durch die zusätzliche Leistung entstehen zusätzliche Verluste, die den Wirkungsgrad beeinträchtigen und sich somit nachteilig auf das Getriebekonzept auswirken.

Eine Herausforderung bei den Getrieben, welche bereits im ersten Gang leistungsverzweigt arbeiten, sind die zu schaltenden Kupplungen während des Reversierens. Liegt die Reversiereinheit am Getriebeeingang, muss das ganze Planetengetriebe – inklusive des Hydrostaten, der mit dem Getriebeeingang verbunden ist – die Drehrichtung innerhalb kürzester Zeit ändern. Hier gilt es, einen Kompromiss zwischen einer hohen Dynamik des Richtungswechsels einerseits und einer noch dauerhaft ertragbaren rotatorischen Beschleunigung des Hydrostaten andererseits zu finden, ohne die Kupplungen zu überlasten. Dafür weist diese Variante im Gegensatz zur hydrostatischen Ausführung einen besseren Wirkungsgrad im ersten Gang auf.

Neuartiges Konzept entwickelt

Prinzip hydrostatisch Grafik

Prinzip des hydrostatischen Getriebes. Bild: Liebherr

Liebherr verfolgt ebenfalls das Prinzip eines hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigten Getriebes. Das Getriebe ist speziell für Anwendungen mit hoher Dynamik konzipiert. Innerhalb eines solchen Entwicklungsprojektes arbeiten die

Ingenieure von Anfang an eng mit Spezialisten der Fahrzeughersteller zusammen und können so auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung eingehen. Alle Komponenten innerhalb des Antriebsstranges stammen dabei aus dem Hause Liebherr.

Im Gegensatz zu den bereits auf dem Markt bekannten leistungsverzweigten Getriebeprinzipien setzt das Unternehmen – anstatt der üblichen zwei – drei parallel miteinander verschaltete Hydrostaten ein. Dabei sind ein Hydrostat an der Dieselwelle und zwei weitere am Planetengetriebe angeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass kein Hydrostat auf eine andere Getriebewelle umgeschaltet werden muss. Dadurch entfallen komplexe Umkupplungsvorgänge der Hydrostaten, für die zusätzliche Wellen, Kupplungen und Lager notwendig wären. Des Weiteren muss auf der Ausgangswelle nicht umgekuppelt werden. Hierdurch lassen sich große Kupplungen einsparen, die ein hohes Moment übertragen müssen.

Prinzip Lastschaltgetriebe

Prinzip des Lastschaltgetriebes mit Wandler. Bild: Liebherr

Diese Kupplungen haben aufgrund des höheren Momentes einen größeren Reibbelag-Durchmesser als die Kupplungen auf der Eingangsseite. Die Schleppverluste in der Kupplung steigen überproportional mit dem Kupplungsdurchmesser. Diese Einsparung führt also zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades.

Beim Schalten vom ersten in den zweiten Gang müssen die Hydrostaten im Schluckvolumen während des Schaltvorganges nicht verstellt werden. Der Schaltvorgang vom ersten in den zweiten Gang geschieht bei einer Relativ-Drehzahl von Null in der Vorwärts-Kupplung (KV), beziehungsweise Rückwärts-Kupplung (KR), wodurch nur wenig Wärme und Verschleiß in den Kupplungen entsteht. Dadurch ist auch ein Schalten unter Last sowohl bezüglich der Kupplungsbelastung als auch bezüglich der Schaltlogik einfach beherrschbar.

Liebherr Systemdarstellung

Systemdarstellung des leistungsverzweigten Getriebes von Liebherr mit Dieselmotor sowie Kompaktsteuergerät und Vorsteuergerät aus eigener Entwicklung und Produktion. Bild: Liebherr

Der Einsatz von drei Hydrostaten hat im Vergleich zu bestehenden Konzepten weitere Vorteile: So ist es möglich, im leistungsverzweigten Gang auch ausgangsgekoppelt zu fahren. Dies umgeht Einbußen beim Wirkungsgrad, die auf entstehende Blindleistung zurückzuführen sind. Außerdem muss zwischen Null und 40 km/h nur ein Kupplungsvorgang in einem synchronen Schaltpunkt ausgeführt werden, die Geschwindigkeitsänderung erfolgt ansonsten rein über das Verstellen der Hydrostaten.

Getriebe auf dem Prüfstand

Aktuell befindet sich das Getriebe in der Testphase. Mithilfe diverser Simulationstools und Prüfstandsversuchen werden verschiedenste Parameter erfasst und Funktionalitäten getestet.

Mittel- bis langfristig ist die Entwicklung weiterer hydraulisch-mechanisch leistungsverzweigter Getriebe geplant, die weitere Anwendungsprofile abdecken. do

Autoren: Clemens Christ und Klaus Graner, Liebherr-Components Biberach