Wälz- und Gleitlager

Alternativen simulieren

Energieeffizienz für mobile Arbeitsmaschinen
Mobile Arbeitsmaschinen: Auch die Starken müssen sparen.
Der Lehrstuhl für Mobile Arbeitsmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschäftigt sich mit der Forschung zu Antriebs- und Steuerungstechnik sowie zur Simulation mobiler Arbeitsmaschinen. Schwerpunkt ist die Energieeffizienz: Neben dem positiven Effekt auf Umwelt und Ressourcenverbrauch ist der wirtschaftliche Nutzen beachtlich.

Die Kraftstoffkosten einer mobilen Arbeitsmaschine über die gesamte Einsatzdauer ist um eine Zehnerpotenz höher als beim Pkw. Verständlicherweise ist das Interesse der Industrie an Maßnahmen zur Effizienzsteigerung groß: die Maschinen sollen möglichst effizient und wirtschaftlich arbeiten. Von entscheidender Bedeutung ist hier das Zusammenspiel aus System- und Komponentenoptimierung. Denn weder optimierte Komponenten in einem schlechten System noch schlechte Komponenten in einem hervorragenden System führen zu einer energieeffizienten Maschine, gibt Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer, Inhaber des Lehrstuhls für Mobile Arbeitsmaschinen am KIT, zu bedenken. Die Betrachtung aller relevanten Elemente ist daher notwendig. Reibungsoptimierte Wälz- und Gleitlagerungen bildeten dabei als universelle Maschinenelemente einen Schwerpunkt.

Hybridisierte Fahrantriebe

Kraftstoffeinsparungen durch hybride Antriebsstrukturen im Fahrantrieb stehen derzeit im öffentlichen Fokus. Als Energiespeicher bieten sich neben elektrischen Speichern Hydrospeicher an, da hydraulische Antriebe in mobilen Maschinen derzeit bevorzugt eingesetzt werden. Beispiel ist ein Müllsammelfahrzeug, dessen Fahrantrieb um einen Hydromotor und Hydrospeicher ergänzt wurde: Beim Bremsen wird die kinetische Energie des Fahrzeugs im Hydrospeicher „abgelegt“ und beim folgenden Beschleunigen wieder genutzt. Bei Sammelfahrten von Müllfahrzeugen muss die gesamte Fahrzeugmasse beschleunigt und nach einer kurzen Wegstrecke wieder abgebremst werden, so dass ein hoher Anteil rekuperierbarer Energie erwartet werden kann. In Versuchen an einem Prototyp war eine Kraftstoffersparnis bis 25 Prozent messbar.

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Ein weiteres Beispiel für einen elektrischen Hybridantrieb ist ein Stapler mit Verbrennungsmotor, der um zwei elektrische Motoren in einem leistungsverzweigten Fahrantrieb ergänzt wurde. Hierdurch kann die Bremsenergie elektrisch zurückgegewonnen und in einer Batterie zwischengespeichert werden. Dieselelektrische Fahrantriebe in Gabelstaplern, bei denen die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors in elektrische Energie gewandelt, zwischengespeichert und elektrisch an den Fahrantrieb abgegeben wird, sowie der Hybridantrieb eines Radladers unter Verwendung eines elektrischen Schwungradgenerators sind weitere Beispiele.

Im Fokus: Rekuperation

Auch in Arbeitsantrieben kann rekuperierbare (wiedergewinnbare) Energie, wie sie etwa bei ziehenden Lasten auftritt, zurückgeholt werden. Bei einem System, das die TU Braunschweig entwickelt hat, ist ein Hydromotor in den Antriebsstrang integriert worden, der diese Aufgabe übernimmt. Er kann die Pumpe unterstützen und damit den Primärantrieb entlasten oder die Energie an eine weitere Einheit, an die ein Hydrospeicher angeschlossen ist, abgeben und dort speichern. Bei einer weiteren Zylindersteuerung mit der Möglichkeit zur Rekuperation ist an jeden Aktor ein hydraulisches Triebwerk angeschlossen, das sowohl die für den Zylinderantrieb benötigte Energie bereitstellen kann als auch die aus dem Zylinder durch Rekuperation zurückgewinnbare Energie an andere Verbraucher mechanisch weiterleiten kann.

Wichtige Grundlage für die Entwicklung alternativer Antriebskonzepte sind Simulationsmodelle zur Auslegung. Neben dem Verhalten des Antriebsstrangs lassen sich Verluste zu jedem Zeitpunkt bestimmen und systematisch analysieren. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Konzepte für verschiedene Maschinentypen unter definierten Randbedingungen vergleichen. pb

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