• Kann der elektrische Antrieb mit einer hydraulischen Lösung mithalten? Dieser Frage gingen die Unternehmen Sensor-Technik Wiedemann, Ropa Fahrzeug- und Maschinenbau sowie der Lehrstuhl Agrarsystemtechnik der Technischen Universität Dresden in einem praktisch orientierten Projekt nach. Bild: TU Dresden

    Kann der elektrische Antrieb mit einer hydraulischen Lösung mithalten? Dieser Frage gingen die Unternehmen Sensor-Technik Wiedemann, Ropa Fahrzeug- und Maschinenbau sowie der Lehrstuhl Agrarsystemtechnik der Technischen Universität Dresden in einem praktisch orientierten Projekt nach. Bild: TU Dresden

  • Die Projektpartner führten sowohl Simulationen als auch praktische Tests durch. Bild: TU Dresden

    Die Projektpartner führten sowohl Simulationen als auch praktische Tests durch. Bild: TU Dresden

  • Bei der elektrischen Variante behielten die Projektpartner die Idee des Zentralantriebs bei. Statt einer Hydropumpe bauten sie zwei Generatoren mit einer Nennleistung von jeweils 140 Kilowatt bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute ein. Die Hydromotoren ersetzten sie durch zwei Elektromotoren. Bild: TU Dresden

    Bei der elektrischen Variante behielten die Projektpartner die Idee des Zentralantriebs bei. Statt einer Hydropumpe bauten sie zwei Generatoren mit einer Nennleistung von jeweils 140 Kilowatt bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute ein. Die Hydromotoren ersetzten sie durch zwei Elektromotoren. Bild: TU Dresden

  • Ein Blick unter die Haube: Die Maschine mit elektrischem Fahrantrieb hat einen Wirkungsgrad von 75,5 Prozent. Hingegen erreichte die Maschine mit hydrostatischem Fahrantrieb in den Simulationen und Testst einen Wirkungsgrad von 46,4 Prozent. Bild: TU Dresden

    Ein Blick unter die Haube: Die Maschine mit elektrischem Fahrantrieb hat einen Wirkungsgrad von 75,5 Prozent. Hingegen erreichte die Maschine mit hydrostatischem Fahrantrieb in den Simulationen und Testst einen Wirkungsgrad von 46,4 Prozent. Bild: TU Dresden

  • Selbstfahrende Rübenvollernter sind nicht gerade Leichtgewichte. Die verwendete Arbeitsmaschine hat eine Leermasse von etwa 30 Tonnen. Mit Rüben sind es bis zu 60 Tonnen. Der dieselelektrische Antrieb kam damit gut zurecht. Bild: TU Dresden

    Selbstfahrende Rübenvollernter sind nicht gerade Leichtgewichte. Die verwendete Arbeitsmaschine hat eine Leermasse von etwa 30 Tonnen. Mit Rüben sind es bis zu 60 Tonnen. Der dieselelektrische Antrieb kam damit gut zurecht. Bild: TU Dresden

  • Parallel zum Aufbau der elektrischen Prototypen führten die Forscher auch Simulationen beider Antriebssysteme durch. Bild: TU Dresden

    Parallel zum Aufbau der elektrischen Prototypen führten die Forscher auch Simulationen beider Antriebssysteme durch. Bild: TU Dresden

  • Im hydraulischen Fahrzeug nehmen zwei Hydromotoren in Schrägachsenbauweise die Leistung auf, wobei jeweils ein Motor als Konstant- und ein Motor als Verstelleinheit ausgeführt ist. Bild: TU Dresden

    Im hydraulischen Fahrzeug nehmen zwei Hydromotoren in Schrägachsenbauweise die Leistung auf, wobei jeweils ein Motor als Konstant- und ein Motor als Verstelleinheit ausgeführt ist. Bild: TU Dresden

Selbstfahrende Rübenvollernter sind mit einem hydrostatischen Fahrantrieb ausgestattet. Diese Form des Fahrantriebes ermöglicht die für den Arbeitsprozess notwendige stufenlose Anpassung der Fahrgeschwindigkeit an unterschiedliche Erntebedingungen. Bislang wurden hydrostatische Antriebssysteme verwendet, deren großer Nachteil jedoch der im Vergleich zur Mechanik mäßige Wirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich, ist. Die auftretenden Lastzyklen sind durch eine sehr breite Verteilung der Betriebspunkte gekennzeichnet, was die Auslegung auf einen hohen Gesamtwirkungsgrad erschwert. Elektrische Antriebe zeichnen sich durch einen im Vergleich zur Hydraulik höheren Wirkungsgrad aus.

Deshalb rüsteten die Unternehmen Sensor-Technik Wiedemann, Ropa Fahrzeug- und Maschinenbau sowie der Lehrstuhl Agrarsystemtechnik der Technischen Universität Dresden in Zusammenarbeit eine selbstfahrende Zuckerrübenvollerntemaschine mit einem dieselelektrischen Fahrantrieb aus. Diese Arbeitsmaschine zeichnet sich durch eine hohe Fahrzeugleermasse von circa 30 Tonnen aus, die im Rodebetrieb durch die Zuladung der geernteten Zuckerrüben auf bis zu 60 Tonnen ansteigt. Der Erntebetrieb erfolgt unter zum Teil sehr schwierigen Bodenverhältnissen. Daraus resultiert ein im Vergleich zu anderen selbstfahrenden Erntemaschinen hoher Leistungsbedarf des Fahrantriebs im Bereich von 100 Kilowatt bis 300 Kilowatt mit einer sehr breiten Verteilung der Betriebspunkte. Durchschnittlich liegt der Kraftstoffverbrauch bei 40 bis 50 Liter pro Hektar.

Zentralantrieb in beiden Fahrzeugen

Im konventionellen, hydrostatischen Antriebsstrang des dreiachsigen Rübenvollernters Ropa Euro-Tiger V8-3 ist die Hydraulikfahrpumpe an ein zentrales Pumpenverteilergetriebe angeflanscht, welches direkt vom Dieselmotor angetrieben wird. Die Hydraulikpumpe für den Fahrantrieb ist eine Verstellpumpe in Schrägscheibenbauart mit einer Nennleistung von 343 Kilowatt. Die hydraulische Leistung wird von zwei Hydromotoren in Schrägachsenbauweise aufgenommen, wobei jeweils ein Motor als Konstant- und ein Motor als Verstelleinheit ausgeführt ist. Der Rübenvollernter verfügt über einen zentralen Allradantrieb, bei dem die beiden Motoren direkt an einem Schaltgetriebe sitzen. Dieses Getriebe verfügt über zwei Schaltstufen. Im ersten Gang sind Geschwindigkeiten von Null bis 14 Kilometer pro Stunde, im zweiten Gang von Null bis 20 Kilometer pro Stunde möglich.

Von dem Schaltgetriebe führt eine Gelenkwelle zur Vorderachse und eine Gelenkwelle zu den zwei Hinterachsen. Alle Räder sind achsschenkelgelenkt. Zusätzlich ist zwischen Vorder- und erster Hinterachse eine Knicklenkung implementiert.

Bei dem elektrischen Fahrantrieb behielten die Projektteilnehmer das Antriebskonzept des Zentralantriebes bei. Die Hydropumpe ersetzten sie durch zwei Generatoren mit einer Nennleistung von jeweils 140 Kilowatt bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute. Die Hydromotoren wurden ebenfalls durch zwei Elektromotoren mit einer Nennleistung von jeweils 140 Kilowatt bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute ersetzt. Bei allen elektrischen Maschinen handelt es sich um permanenterregte Synchronmaschinen mit einer Trafoöl-Flüssigkeitskühlung. Die Überlastfähigkeit der elektrischen Antriebe beträgt 30 Prozent. Im Gleichspannungszwischenkreis zwischen den Generatoren und den Elektromotoren befindet sich zudem ein Bremschopper. Ein zusätzlicher Energiespeicher, zum Beispiel in Form einer Batterie, existiert nicht.

Parallel zum Aufbau des elektrischen Antriebssystems simulierte das Entwicklungsteam den konventionellen hydraulischen und den alternativen elektrischen Fahrantrieb. In den Modellen ist der komplette Antriebsstrang abgebildet: vom Dieselmotor, über den elektrischen Antriebsstrang mit Generatoren und Elektromotoren beziehungsweise über den hydraulischen Antriebsstrang mit Pumpe und Hydromotoren, den mechanischen Zentralantrieb bis hin zum Rad-Boden-Kontakt. Die Simulation liefert vergleichende Aussagen über die Leistungsfähigkeit, den Wirkungsgrad und den Kraftstoffverbrauch zwischen hydraulischem und elektrischem Fahrantrieb.

Ergänzend zu der Simulation testeten die Projektpartner die Maschinen in der Praxis. Nach einer ersten Inbetriebnahme der elektrifizierten Maschine mit anschließenden Funktionstests erfolgte in den darauffolgenden Zugkraftversuchen ein Vergleich zwischen dem elektrischen und hydraulischen Fahrzeug.