Neues Stufenloses Getriebe für Radlader

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    16-Mar-2017

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  • NEUES STUFENLOSES GETRIEBE FR RADLADERZF Passau konnte innerhalb der CVT-Familie eine neue Lsung fr voll leistungsverzweigte hydrostatisch-

    mechanische stufenlose Getriebe entwickeln, die speziell fr die Anforderungen in Radladern ausgelegt

    ist. Das cPower-Konzept ist sehr robust und bietet einen enorm hohen Wirkungsgrad und Steuerungs-

    funktionen, die den Anforderungen bei diesen Baumaschinen gerecht werden. Die Best-in-Class-Effizienz

    ermglicht eine signifikante Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und verbessert auerdem die Produk-

    tivitt wesentlich.

    72 Sonderausgabe ATZ I September 2010

    GETRIEBE

  • EIGENSCHAFTEN VON WANDLER- UND HYDROSTATISCHEN GETRIEBEN

    Hydrodynamische lastschaltbare Getriebe fr Baumaschinen werden laufend verbes-sert, um den Wirkungsgrad weiter zu stei-gern. Mit der Einfhrung von mehr Gngen und einer Wandlerkupplung kann der hohe Wirkungsgrad eines mechanischen Getrie-bes bereits im zweiten Gang genutzt wer-den. Wandlergetriebe zeigen auch bei der Drehmomentsteuerung bei Arbeitsvorgn-gen in niedrigen Geschwindigkeiten mit hohem Drehmoment, wie beispielsweise beim befllen der Schaufel, ein hervorra-gendes Verhalten. Leider zeigt der Wandler bei solchen Belastungsspitzen seine Nach-teile in Sachen Effizienz. Speziell dann, wenn in diesen Arbeitszyklen sehr viel Zeit in Bereichen hohen Drehmoments und niedriger Geschwindigkeit verbracht wird.

    Als Alternative zu Wandlergetrieben werden hydrostatische Getriebe bei Rad-ladern von kleiner und mittlerer Gre immer beliebter. Hydrostatische Getriebe zeigen ihre Wirkungsgradvorteile gerade bei diesen niedrigen Fahrgeschwindigkeiten. Auerdem bietet ein hydrostatisches Ge-triebe eine unendlich hohe bersetzung. Allerdings wird der mechanisch-hydrau-lische Wirkungsgrad von hydrostatischen Getrieben bei schnellen Arbeitsfahrten zu einem Nachteil. Die Schwchen eines hyd-rostatischen Getriebes werden besonders in Anwendungen deutlich, bei denen der Radlader lngere Strecken mit hherer Ge-schwindigkeit zurcklegen muss. Kosten-reduzierung, geringerer Verbrauch und Steigerung der Produktivitt bestimmen die Trends in der Baubranche und legen gleichzeitig die Schwachstellen der beiden Getriebekonzepte offen.

    Die leistungsverzweigten hydrostatisch-mechanischen cPower-Getriebe sind da-rauf ausgelegt, die Vorteile beider Getriebe-konzepte ber die gesamte Bandbreite der Fahrzeuggeschwindigkeit zu kombinieren. Dadurch wird eine hohe Kraftstoffeinspa-

    rung in allen Arbeitsbereichen erreicht. Um alle Radladergren abdecken zu knnen, entwickelt ZF eine ganze Getriebefamilie. In ist die Zuordnung von jedem Getrie-be zu einem Fahrzeug dargestellt.

    KONSTRUKTIONSZIELE

    Hohe Lasten bei niedrigen Geschwindig-keiten in Kombination mit hoher Dynamik sind die besonderen Anforderungen in der Baumaschine. In der Vergangenheit waren Fahrzeugleistung und Produktivitt die wichtigsten Ziele bei der Getriebeentwick-lung. Whrend diese Ziele weiter bestehen bleiben, werden effiziente Antriebssysteme aufgrund steigender Kraftstoffpreise und der Forderung nach geringeren CO2-Emis-sionen immer wichtiger.

    Es gibt noch viele weitere Anforderungen, die ein Getriebekonzept auf dem Bauma-schinenmarkt erfllen muss. Bei einem Radlader ist das Kontrollieren des Dreh-moments beim Befllen der Schaufel sehr wichtig, . Wird die Radzugkraft whrend der Arbeit im Haufen nicht feinfhlig kontrolliert, knnen die Rder des Rad-laders durchdrehen, den Boden vor dem Haufwerk beschdigen und damit die Ladeleistung des Fahrzeugs bei nachfol-genden Arbeitsgngen herabsetzen. Eine wichtige Anforderung fr diese Bauma-schinen ist die Leistungsfhigkeit beim Reversieren. Schnelles, gleichmiges Reversieren ist eine Funktion, welche die Produktivitt steigert. Weiterhin ist eine lange Lebensdauer wichtig fr das Bau-maschinengetriebe. Die Robustheit, fr die die ZF-Getriebe bekannt sind, kann nur dann erreicht werden, wenn das ge-whlte Getriebekonzept einfache mecha-nische Strukturen zulsst. Dies erlaubt einfache Herstellung aller Teile, geringe interne Drehzahlen und Wartungsfreund-lichkeit. Um grere Vernderungen bei bereits vorhandenen Kundenfahrzeugen zu vermeiden, muss ein neues Getriebe-konzept auch in den bereits vorhandenen

    DIPL.-ING. (FH) WOLFGANG REBHOLZ ist Entwicklungsleiter fr

    Baumaschinengetriebe bei der ZF Passau GmbH in Passau.

    DIPL.-ING. (FH) JRGEN LEGNER ist Konstruktionsleiter fr

    Baumaschinengetriebe bei der ZF Passau GmbH in Passau.

    DIPL.-ING. (FH) UDO BREHMER ist Produktgruppenleiter Entwicklung

    Baumaschinengetriebe bei der ZF Passau GmbH in Passau.

    ROBERT MORRISON (Bachelor of Science Mechanical

    Engineering (B.S.M.E) ist Teamleiter Entwicklung Baumaschinengetriebe bei der ZF Passau GmbH in Passau.

    AUTOREN

    cPower- Getriebe zu-geordnet zu Fahrzeugen cPower trans-mission to vehicle allo-cation

    Sonderausgabe ATZ I September 2010 73

    GETRIEBE

  • CHARACTERISTICS OF TORQUE CONVERTER AND HYDROSTATIC TRANSMISSIONS

    Hydrodynamic power shift transmissions for construction machines have been con-tinuously improved to increase overall ef-ficiency. With the introduction of more gears and a lock-up clutch, the high effi-ciency of a mechanical transmission can be expected as early as the 2nd gear. Torque converter transmissions also have excel-lent torque control behaviour in low speed, high torque operations such as bucket fill-ing. Unfortunately, in this type of opera-tion, the converter shows its weakness in efficiency. This weakness is compounded when some applications require a high percentage of time at these high torque and low speed operations.

    An alternative to torque converter trans-missions, hydrostatic transmissions are in-creasing in popularity among the small and mid-size wheel loaders. Hydrostatic transmissions have their efficiency advan-tages at exactly these lower driving speeds. In addition, a hydrostatic transmission of-fers an infinitely high gear ratio. But the mechanical hydraulic efficiency becomes a disadvantage in hydrostatic transmis-sions when travelling at higher speeds. The weaknesses of a hydrostatic transmis-sion can be seen in applications where a wheel loader must travel longer distances at higher speeds. The ever growing impor-tance of lower fuel consumption has ex-posed weaknesses in both types of trans-mission concepts.

    The power-split hydrostatic-mechanical cPower transmissions are designed to combine the advantages of both trans-mission concepts throughout the entire

    vehicle speed range. This leads to an opti-mum in fuel economy in all operating con-ditions. To cover all wheel loader ZF is de-veloping a whole family of transmissions.

    shows the allocation of each transmis-sion to vehicle.

    DESIGN TARGETS

    High loads at low vehicle speeds in com-bination with high dynamics are the out-standing requirements for construction machinery. In the past, vehicle perfor-mance and productivity were the main development targets. While these targets remain the same, rising fuel prices and efforts to reduce CO2-emissions have made efficient driveline systems even more important.

    There are many other requirements which a transmission concept must fulfil in the construction machinery market. For a wheel loader, it is most important to control the torque during bucket fill-ing, . If rim pull is not controlled while in the pile, the tires of a wheel loader can slip, damaging the ground in front of the pile, thus reducing the loading perfor-mance of the vehicle in the ensuing opera-tions. Excellent reversing performance is yet another requirement in the construc-tion machinery market. Fast, smooth re-versing is a function which increases pro-ductivity in a construction machine. Yet, another prerequisite for a construction machinery transmission is durability. The level of robustness for which ZF-trans-missions are known, can only be reached if the chosen concept allows for main-taining simple mechanical structures, easy manufacturability of all parts, low internal speeds, and good serviceability.

    To prevent major changes to existing cus-tomer vehicles, a new transmission con-cept must also fit within the existing in-stallation envelope. Achieving all of these design goals, while maintaining the ro-bustness of todays current transmissions, is a great challenge.

    CONCEPT STUDY FOR WHEEL LOADER TRANSMISSIONS

    ZF has conducted extensive reviews of alternative transmission concepts. One such concept is a power-split hydrostatic-mechanical CVT transmission, which unites the advantages of a hydrostatic transmission with the high efficiency of a mechanical transmission.

    NEW CVT FOR WHEEL LOADERS

    DIPL.-ING. (FH) WOLFGANG REBHOLZ is Manager Engineering for con-

    struction machine transmissions at the ZF Passau GmbH in Passau

    (Germany).

    DIPL.-ING. (FH) JRGEN LEGNER is Manager Design for construction

    machine transmissions at the ZF Passau GmbH in Passau (Germany).

    DIPL.-ING. (FH) UDO BREHMER is Supervisor Engineering for

    development construction machine transmission at the ZF Passau

    GmbH in Passau (Germany).

    ROBERT MORRISON (Bachelor of Science Mechanical

    Engineering (B.S.M.E)) is team leader for development construction

    machine transmission at the ZF Passau GmbH in Passau (Germany).

    AUTHORS

    Within the CVT family, ZF Passau could develop a new solution of fully powersplit hydrostatic-mechanical

    CVTs which are specially tailored to the wheel loaders requirements. The cPower concept offers high robust-

    ness, efficiencies and control functions which fulfil the requirements of those construction machines. The

    best-in-class efficiency will lead to fuel economy improvement and also to improved machine productivities.

    TRANSMISSION

    74 Specia l Edi t ion ATZ I September 2010

  • Einbauraum passen. Diese Konstruktions-vorgaben umzusetzen und dabei gleich-zeitig die Robustheit der gegenwrtigen Getriebe beizubehalten, ist eine groe Herausforderung.

    KONZEPTSTUDIE FR RADLADERGETRIEBE

    ZF hat umfassende Prfungen von alter-nativen Getriebekonzepten durchgefhrt. Ein solches viel versprechendes Konzept ist ein leistungsverzweigtes hydrostatisch-mechanisches CVT, das die Vorteile eines hydrostatischen Getriebes mit dem hohen Wirkungsgrad eines mechanischen Getrie-bes vereint. Mit einem solchen leistungs-verzweigten Getriebe kann bei allen Bau-maschinenanwendungen eine hohe Effizi-enz erreicht werden. Bei niedrigen Fahr-zeuggeschwindigkeiten wird ein grerer Anteil des hydrostatischen Leistungsflusses genutzt. Ein hohes Drehmoment und groe Effizienz sind das Ergebnis. Mit steigender Fahrzeuggeschwindigkeit wird ein immer grerer Anteil des mechanischen Getrie-bes genutzt, um wiederum maximale Effi-zienz zu erhalten.

    Ein solches Konzept ermglicht auch konstante, niedrige Motordrehzahlen, wodurch sowohl CO2-Emissionen als auch der Kraftstoffverbrauch reduziert werden

    knnen. Das bewhrte Verhalten eines Drehmomentwandlers beim Befllen der Schaufel muss dadurch erreicht werden, dass Getriebebersetzung und Getriebe-drehmoment unabhngig voneinander angesteuert werden. Darber hinaus wird durch die einfache mechanische Struktur ein robustes Getriebe dargestellt.

    Um nun das richtige leistungsverzweigte CVT zu finden, das diese Anforderungen erfllt, hat ZF umfassende Konzeptstudien durchgefhrt. Es wurden viele relevante leistungsverzweigte CVT-Systeme, die aus Patenten und Verffentlichungen bekannt waren, analysiert. Man kann die mehr als 20 verschiedenen leistungsverzweigten hydrostatischen CVT in zwei groe Grup-pen einteilen: in primr und sekundr ge-koppelte Systeme. Beide Systeme wurden genau untersucht. Jedes CVT-Konzept wur-de im Hinblick auf die Radladeranwen-dung geprft und berechnet. Es wurden Konstruktionsparameter wie die erforder-liche Gre der hydrostatischen Einheiten, die erforderliche Drehmomentkapazitt der Kupplung oder Differenzdrehzahlen an der Kupplung bercksichtigt. Die CVT-Systeme wurden anhand der Ergebnisse miteinander verglichen. Die Systeme wur-den auch mit hydrodynamisch angetrie-benen Lastschaltgetrieben und voll hydro-statischen Systemen verglichen. Als Krite-

    rien fr den Vergleich wurden ebenso Kontrollierbarkeit des Abtriebsdrehmo-ments (Radzugkraft), Effizienz, Leistung und Robustheit (niedrige interne Dreh-zahl, einfache mechanische Struktur, ge-ringe Anzahl von Teilen) verwendet. Als Fazit dieser Konzeptstudie fr Radlader kann man sagen, dass sekundr gekoppel-te, voll leistungsverzweigte hydrostatisch-mechanische CVT-Systeme im Vergleich zu teilleistungsverzweigten CVT-Systemen, voll hydrostatischen Antriebsstrngen und hydrodynamisch angetriebenen Lastschalt-getrieben am besten geeignet sind und den geringsten Kraftstoffverbrauch auf-weisen. Sekundr gekoppelte CVT-Systeme bentigen weniger mechanische Teile und sind deshalb oft weniger komplex. Sekun-dr gekoppelte Systeme bieten die notwen-dige Steuerbarkeit des Abtriebsdrehmo-ments (Radzugkraft), die bei Radladeran-wendungen bentigt wird.

    AUFBAU UND FUNKTION DES CPOWER-GETRIEBES

    Der Antrieb des Getriebesystems besteht aus zwei Fahrtrichtungskupplungen fr Vorwrts- und Rckwrtsfahrt, . Diese Anordnung ermglicht eine symmetrische Geschwindigkeit und Zugkraft fr beide Fahrtrichtungen. Die Leistung wird von dort zum Planetenradsatz bertragen, wo sie dann aufgeteilt wird auf die hydrosta-tische Einheit und das Hohlrad, das me-chanisch mit dem weiteren Getriebeteil gekoppelt ist. Die Kupplungswelle sum-miert dann beide Kraftflsse wieder, ber-trgt sie zur Kupplung des ersten Fahr-bereichs und schlielich von dort zum Getriebeabtrieb. Es gilt anzumerken, dass der Kraftfluss im ersten Bereich alle Fahr-zeuggeschwindigkeiten von typischen Arbeitszyklen, wie beispielsweise das Be-laden eines Lkws, abdeckt. Es sind keine Bereichswechsel darin erforderlich, was die Maschinenleistung und Robustheit des Systems negativ beeinflussen knnte.

    Die internen bersetzungen des Getrie-bes wurden so gewhlt, dass zwischen den Bereichen keine Differenzdrehzahl entsteht. Dadurch kann der Bereichswechsel im Synchronpunkt ausgefhrt werden. Nach dem Wechsel von Kupplung 1 zu Kupp-lung 2, wird der Kraftfluss im zweiten Be-reich durch den Hydrostat umgekehrt. Der frhere Motor wird zur Pumpe und die frhere Pumpe wird zum Motor. Jetzt er-

    Systemdarstellung Radlader mit cPower-Getriebe System representation wheeled loader with cPower transmission

    Sonderausgabe ATZ I September 2010 75

    GETRIEBE

  • With a fully hydrostatic power-split transmission, a high efficiency can be reached in all construction machinery ap-plications. At low vehicle speeds, a higher portion of the hydrostatic transmission is utilized. High torque and high efficiency are the results. As vehicle speed increases, an ever increasing portion of the mechani-cal transmission is applied to keep the ef-ficiency at a maximum.

    This concept also allows for constant, low engine speeds which facilitates lower CO2 emissions and reduces fuel consump-tion. The well proven behaviour of a torque converter during bucket filling can also be achieved by controlling the transmission speed and torque indepe...

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