Wie dezentrale Antriebe und automatisierte Steuerungen die Hydraulik verändern

Immer mehr Nahrungsmittel, immer mehr Holzfällarbeiten – Land- und Forstmaschinen können sich über mangelnde Einsatzzeiten nicht beschweren. Die Anforderungen an die Effizienz von Erntemaschinen, Traktoren oder Rückezüge steigen permanent. Energieoptimierte Motoren, automatisierte Prozesse und dezentrale Antriebe sollen hydraulische Komponenten optimal ergänzen: die Geburtsstunde der hybriden Lösungen. Neue Konzepte bei der Entwicklung der Antriebe für Land- und Forstmaschinen finden vermehrt auf Basis von elektromechanischer Energieumwandlung statt. Neben der Energieeffizienz legen die technischen Konstrukteur ein immer größer werdendes Augenmerk darauf, dezentrale und modulare Antriebe in die Maschinen zu integrieren.

Um Fluidtechnik für die Land- und Forstwirtschaft zu entwickeln und zu betreiben, müssen Konstrukteure sowie Anwender ökologische, ökonomische und gesetzliche Rahmenbedingungen beachten. Sie stehen dabei vor mehreren Zielkonflikten: Optimierte Funktionalität bei hoher Effizienz, immer leisere Arbeitsgeräusche, robuste Komponenten mit langer Lebensdauer sowie die Verwendung von ungiftiger, wiederverwertbarer Betriebsstoffe und intelligente Komponenten wie Sensoren. Letztere spielen bei der Digitalisierung der Land- und Forstmaschinen eine wichtige Rolle. Sie liefern Diagnosedaten über die Anlagensteuerung oder den Ausfall einzelner Maschinenteile. Zudem sollen diese Weg-, Füllstands- oder Drucksensoren den Wartungsaufwand reduzieren und somit die Ausfallkosten senken.

Bei klassischen Erntemaschinen in der Landwirtschaft erhöhten Konstrukteure die Produktivität durch breitere Schneidewerke, vergrößerte Bearbeitungskanäle und digital steuerbare Funktionalitäten. Die Maschinen werden größer, die Fluidtechnik immer kleinteiliger. Skalieren die Konstrukteure die Maschinen in immer größer werdenden Dimensionen, nehmen jedoch auch die Kosten für Anschaffung und Unterhaltung überproportional zu. Wie bewältigen die Maschinenhersteller diesen Spagat? Mechanische und hydraulische Antriebstechnik wird durch elektromechanische Baugruppenantriebe ergänzt. Ein genereller Verzicht auf Hydraulik und Pneumatik ist angesichts des Anforderungsprofils der Land- und Forstmaschinen jedoch utopisch.

Die RWTH Aachen forscht zum Beispiel an einem elektrohydraulischen Aktuator (EHA), der mit einem High-Speed-Motor ausgerüstet ist. Im Fokus steht dabei eine neue Hochgeschwindigkeits-Innenzahnradpumpe, die das Drehzahlniveau erhöhen soll, um somit die Leistungsdichte des Hydrauliksystems zu erreichen.

Auch in der Ventiltechnik sind die Forschungsansätze schon weit. Bei den zylindrischen Ventilschiebern aus Stahl gibt es zum Beispiel zwei eklatante Schwächen. So lässt sich der Ringspalt zwischen Schieber und Buchse nicht einstellen. Es kommt dabei zu Verlusten infolge von Leckage. Der Verschleiß der Steuerkanten führt zu einem veränderten Betriebsverhalten. In Zusammenarbeit mit dem IWM der RWTH Aachen entwickeln die Forscher ein Flachschieberventil aus Keramik, das die genannten Schwachstellen vermeiden soll.

Bei hydraulischen Verdrängereinheiten für den mittleren bis hohen Druckbereich setzen die Entwickler sehr oft Axialkolbenmaschinen ein. Die Effizienz dieser Maschinen steht zunächst in Abhängigkeit zu den Verlusten in den vier wichtigsten tribologischen Kontakten, Kolben-Buchse, Kolben-Gleitschuh, Gleitschuh-Schrägscheibe und Kolbentrommel-Steuerspiegel. Die Aachener Forscher entwickeln hierzu neue Konzepte, um die Leistungsfähigkeit dieses Kontakts mit neuen Beschichtungen weiter zu Steigern. Um dem Verhalten auf den Grund zu gehen, werden die Spalthöhen im Bereich von wenigen Mikrometern und Kontaktreibung an einer 160 kW-Pumpe realitätsnah gemessen und numerisch modelliert.

Jeder Hydrauliker kennt das Problem: Je größer das Luftvolumen im Hydrauliköl ist, desto mehr Probleme macht das Hydrauliksystem von mobilen Maschinen. Die Leistung des gesamten Anwendungsprozesses leidet darunter. In einem weiteren Forschungsprojekt will die akademische Fluidtechnik die transiente Luftfreisetzungskapazität im Hydrauliktank zunächst unter Verwendung einer Simulation mit konzentrierten Parametern einschließlich eines mehrphasigen Fluidmodells simulieren. Anschließend wird sie experimentell validiert. Laut der RWTH Aachen benötigt diese Simulation „relativ geringe Rechenkapazitäten und -zeiten und ist daher auch für kleine und mittlere Unternehmen anwendbar“.

Den Wald vor lauter Bäumen sehen die Entwickler bei der Automatisierung von großen Forstfahrzeugen schon lange nicht mehr. Die Technik hybrider Antriebe und automatisierter Arbeitsprozesse ist in der Forstwirtschaft bereits sehr weit. Auf verbrauchs- und schadstoffärmeren Motoren legen die Hersteller großen Wert – bislang treiben schwere Diesel mit 200 bis 300 kW die Maschinen an. Mit einem sukzessiv steigenden Bedienerkomfort und alternativen Antrieben gehen neue Modelle von John Deere, Logset oder Ponsse ins Rennen. Mit dem 12H GTE Hybrid vom finnischen Konzern Logset hat die Hybridtechnologie ihren Einzug in die Branche gefunden. Sein Elektro-Diesel-Hybridmotor leistet bis zu 375 kW und entwickelt ein Drehmoment von 2.000 Newtonmeter. Damit ist er nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch leistungsstärker als die meisten seiner Wettbewerber.

Mit einem Gewicht von 23,7 Tonnen verfügt der Forwarder von Ponsse durch den Ponsse Active Crane über ein System, mit dem der Bediener die Greiferbewegung anstelle einzelner Funktionen steuert. Sobald die entsprechende Greiferposition an die Maschine übermittelt wurde, führt sie den Hub aus und bedient Ausleger sowie Ausschub automatisch.

_{Quelle: AgrartechnikHD - Agriculture in Action / YouTube.com}

Die Fluidtechnologie verschmilzt mit elektrischen Antrieben, Software und der Vernetzung der digitalen Komponenten. Stellten die Konstrukteure die einzelnen Bauteile für das Hydraulikaggregat noch individuell zusammen, sind heute Plug-and-run-Lösungen gefragt. Neben der intelligenten Hydraulik spielen aber gerade bei Landmaschinen die Sensoren und eine bedienfreundliche Telematik immer mehr die Hauptrollen. Harvester, Roder, Mähdrescher oder Traktoren sollen und müssen die Sä- sowie Erntemethoden so effizient wie möglich machen.

Beim Landmaschinenhersteller Ropa ist der Zuckerrübenroder Tiger 6S ein Paradebeispiel für automatisierte und digital vernetzte Erntemaschinen. Der Roder steckt neben seiner obligatorischen Hydraulik voller digitaler Technik. Er fährt vollautomatisch. Mithilfe ihres leistungsstarken Bordrechners überlässt die Maschine nichts dem Zufall. Eine integrierte Telematik und vorschauende Wartungstools lassen das Vorgängermodell Tiger 6 im Schatten der Zuckerrüben stehen.

Das neue Draper-Schneidwerk Convio Flex bei Mähdreschern von Claas reiht sich auf dem durchdigitalisierten Acker nahtlos in das Feld der smarten Landmaschinentechnik ein. Fahrer kann das Schneidwerk optional so einstellen, dass es sich dynamisch, um 135 Millimeter nach unten und 90 Millimeter nach oben, an den Bodenverlauf adaptiert. So erntet der Landwirt über die gesamte Arbeitsbreite von maximal 12,3 Meter auch bodennahe Früchte – ohne große Verluste.

Für einen optimierten Gutfluss stellt die Haspel über eine einstellbare Kurvenbahn sicher, dass selbst liegendes Getreide vor dem Schnitt angehoben wird. Der hydraulische Haspelantrieb automatisiert die Anpassung der Zugkraftregelung an die jeweils entsprechende Höhe. Durch programmierte Druckwerte wird verhindert, dass die Zinken der Haspel in den Boden einfahren. Ein Flip-Over-Konzept verhindert, dass sich das Erntegut in der Haspel verwickelt. Die Regulierung des Auflagendrucks über das hydropneumatische System Active Float entlastet den Messerbalken.

Krones gezogene Mähwerke der Serie EasyCut zeigt, dass der Landwirt immer mehr zum Instandhalter wird, der die Daten seiner automatisierten Landmaschinen nur noch eingeben und interpretieren, also auswerten muss. So lässt sich bei Krone die Ballendichte über die elektrische Pressdruckverstellung vom Traktorsitz aus regeln. Über das Tractor-Implement-Management-System (TIM) erfolgt die Steuerung der Heckklappe vollautomatisch. Ausfallzeiten durch Wartungsarbeiten an der Ballenpresse sind Vergangenheit. Mithilfe der serienmäßig verbauten automatischen Öl- und Fettschmierung minimieren das Wartungsvolumen wesentlich.

Bucher Hydraulics geht mit den Proportional-Wegeventilen der Baureihe LVS den Weg zur Automatisierung hydraulischer Anwendungen weiter. Will der Landwirt den Kratzboden regeln, braucht er einen Einfachblock mit nur einer Ventilscheibe. Die integrierte Boos-Funktion macht ein schnelles Entladen möglich, bei der bei Bedarf die gesamte Ölmenge an einem Verbraucherausgang zur Verfügung gestellt werden kann. Bucher Hydraulics bietet auch einen Ventilblock an, in dem bis zu 35 Steuerungen hochkomplexer Maschinen integriert sind. Bei gezogenen Arbeitsmaschinen steht zudem eine doppelwirkende Hubwerksregelung zur Verfügung.

Aber nicht nur bei Land- und Forstmaschinen machen sich die Hersteller auf die Suche nach alternativen Antrieben. Im Schiffsbau sorgt in der Regel die Ölhydraulik dafür, dass sich die Ventile öffnen und schließen: Über eine eigene Hydraulikleitung aus rostfreiem Stahl steuert der zentrale Steuerschrank jedes einzelne Hydraulikventil an. So mussten die Monteure über hunderte Meter Hydraulik-Leitungen verlegen. Neue Kontrollsysteme in Schiffen verzichten auf die leitungsgebundene Zentralölhydraulik. Sie setzen auf lokale elektrohydraulische Aggregate.

Mithilfe dieser elektrohydraulischen Kleinaggregate passiert die Ventilbetätigung dezentral. Jedes der Ventile besitzt ein aufgeschraubtes Kleinaggregat – einschließlich aller elektrischen und hydraulischen Komponenten. Monteure müssen somit keine kilometerlangen und wartungsintensiven Hydraulikleitungen verlegen. Die Ventilansteuerung erfolgt rein elektrisch, während die kraftaufwendige Bewegung weiterhin hydraulisch bleibt. Für den notwendigen Druck sorgt die Pumpe des Aggregats. Im Aktuator befindet sich auch der obligatorische Vorrats- und Ausgleichbehälter für das Hydrauliköl befindet sich am Aktuator.

Die Beispiele machen deutlich, wie eng Elektrik und Hydraulik zusammengewachsen sind. Hybride Lösungen bei mobilen Maschinen sind als Trend unverkennbar. Während die Steuerung vollkommen digitalisiert wird, bleibt die unbändige Kraft der Hydraulik im Aktuator jedoch unverzichtbar. Dennoch macht sich die Fluidtechnik zunehmend unsichtbarer, weil sie dezentraler wird. Der immer kleiner werdende Bauraum sowie die parallel angestrebte Effizienzsteigerung bei den Energiekosten stehen weiter im Hausaufgabenheft der Entwickler.