Antriebskonzepte für Radlader: Kraftstoffsparen im Fokus

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Avant Tecno Antriebskonzepte Bagger und Lader
Der Weidemann eHoftrac ist der erste voll elektrische Radlader. Foto: Weidemann

Kraftstoff sparen kommt dank der stetig steigenden Preise langsam aus der verpönten Ecke heraus und hat einen doppelten Effekt. Der Spareffekt setzt nicht erst beim Anwender an, sondern wird schon bei der Konstruktion einer Maschine geplant. Es lohnt sich, einen Blick auf aktuelle Entwicklungen und Vorhaben zu werfen. Wie stellt sich der Markt in einem speziellen Segment dar und was kann der Anwender für die Zukunft erwarten?

Die Europäische Union fordert derzeit bis 2020 eine Senkung des CO²-Ausstoßes um 20 Prozent und versucht dieses Ziel mit den entsprechenden Richtlinien zu forcieren. Das geht logischerweise zu gewissen Teilen nur mit einer Verminderung des Kraftstoffverbrauchs einher und siehe da: Das wirkt sich gleichzeitig positiv auf den Geldbeutel, also die Betriebskosten aus. Dieser recht einfache Prozess scheint angestoßen zu sein, bedarf jedoch noch einer gewissen Forcierung. Neben der Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie können auch die Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion des Schadstoffausstoßes sowie dem Einsparungspotential der Anwender leisten. Insbesondere Radlader als sogenannte "Baustellenesel" mit deutlich höheren Fahrleistungen als zum Beispiel Bagger, fallen da ins Blickfeld.

Geld sparen und Umwelt schonen, stehen sich nicht im Weg

Vom der Kupplung zum Wandler

Wer kann sich schon noch an die Zeiten erinnern, als Radlader mit Motor, mechanischer Schaltung, Kupplungen und Kardanwellen ausgestattet waren. Diese Varianten sieht man heutzutage eher bei historischen Maschinen, die älter als 30 Jahre sind und ihr Dasein nicht mehr auf der Baustelle, sondern im Museum oder privaten Sammlungen verbringen. Nachteil der damaligen Leistungsübertragung war, neben der Schwergängigkeit die Tatsache, dass keine schnelle und richtige Anpassung der Leistung an die Einsatzbedingungen möglich war.

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Avant Tecno Antriebskonzepte Bagger und Lader
Avant setzt beim 760i auf die neuen Kohler KDI Motoren, die auf Grund einer verbesserten Einspritztechnik deutlich leistungsfähiger, schadstoffarmer und kostensparend sind. Foto: Avant Tecno
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Der eHoftrac, hier im Schnitt mit Antriebseinheit, basiert auf dem 1160 und soll zwei bis vier Stunden mit einer Akkuladung arbeiten können. Foto: Weidemann

Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte haben dann den Radladern zwei erfolgreiche Antriebskonzepte beschert. Einerseits ist es das hydrodynamisch-mechanische und andererseits das hydrostatische Antriebssystem. Das erstere ist hauptsächlich in Großladern jenseits der 120-Kilowatt-Leistungsgrenze verbaut und beruht auf der Kopplung eines Drehmomentwandlers mit einem Schaltgetriebe, wobei der Wandler entweder direkt am Motor angeflanscht oder per Gelenkwelle verbunden sein kann. Da die Leistung des Radladers sehr stark vom richtigen Zeitpunkt/Betriebspunkt abhängt, muss der Fahrer vom Grundsatz her häufig schalten, was zu kurzfristigen Leistungsabfällen führt und besonders die Kraftstoffbilanz negativ belastet. Um das zu vermeiden, kommen elektronisch gesteuerte, automatische Lastschaltgetriebe zum Einsatz. Sie errechnen den optimalen Schaltpunkt und garantieren somit ein gleichmäßigeres Verteilen der Leistung in den verschiedenen Einsatzbedingungen, was sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.

In Radladern der kleineren Leistungsklassen hat der sogenannte Hydrostat also ein hydrostatisches Getriebe Einzug gehalten. Die vom Motor kommende Leistung wird in diesen Getrieben durch eine Kombination von hydraulischen Verstellpumpen und -motoren umgewandelt und bewirkt somit, dass der Wirkungsbereich der Hydraulikkomponenten sehr nahe an der Leistungskennlinie des Dieselmotors liegt. Der hydrostatische Fahrantrieb kann dadurch mit einer bedeutend niedrigeren Dieselmotordrehzahl betrieben werden, hat über den ganzen Bereich der Drehzahl einen entsprechend hohen Wirkungsgrad und kommt dementsprechend mit fast keinen Gängen aus. Diese Systematik kommt der Arbeitsweise eines Laders sehr entgegen und sorgt für messbare Kraftstoffeinsparungen. Eine zusätzliche Verbesserung gelingt darüber hinaus durch eine intensive Schulung der Fahrer.

Der richtige Motor macht's?

Bei den großen Radladern ist der Verbau einer Abgasnachbehandlung zur Einhaltung der Abgasnormen zwar nicht unbedingt eine sehr leicht zu lösende Aufgabe gewesen, doch Kompakt- oder Kleinstradlader - noch sind sie nicht betroffen, aber die Uhr dreht weiter - fit zu machen, ist auf Grund der beengten Bauräume schon ein spannendes Thema.

Avant und JCB sind jetzt beim Motorenhersteller Kohler fündig geworden. Der wassergekühlte Kohler Diesel KDI im neuen Avant 760i schöpft zum Beispiel seine 56 PS aus gut 1800 Kubikmeter Hubraum und hält ohne einen Dieselpartikelfilter mühelos die TIER IV final Vorgaben ein. Der Common Rail-Vierzylinder erreicht dies durch eine sehr hohe Einspritzleistung von 2000 bar sowie einer Mehrfacheinspritzung pro Verbrennungsdurchgang. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum sowie eine gezieltere Dosierung möglich, was zu einer besseren Verbrennung führt. Als Vorteil für den Anwender ergeben sich ein ansprechenderes Motorverhalten und eine nicht unwesentliche Kraftstoffeinsparung. Verfolgt man dieses Thema bei anderen Motorbauern wie Hatz, Deutz oder Perkins, so fällt auf, dass in diesem Bereich das letzte Wort noch nicht gesprochen wurde. Hocheffiziente Dieselmotoren mit bis zu zwei Litern Hubraum bieten noch einen gewissen Entwicklungsspielraum und sind sehr zukunftsfähig.

Wie sehen andere alternative Konzepte aus?

Manch einem mag es nach der Suche der Stecknadel im Heuhaufen vorkommen, aber eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz oder gar der Wegfall fossiler Brennstoffe als Kraftstoff ist ein weites Feld und bietet viele mögliche Weiterentwicklungen. Ganz im Trend der Zeit sind natürlich Hybridlösungen oder reinrassige Elektroantriebe. Einer der ersten Hybriden im Radladersegment, der erstmalig auf der bauma 2007 vorgestellt wurde, war der Hybridradlader von F. Weyhausen. Dieses Projekt ist eine Zusammenarbeit von Weyhausen (Radlader), Deutz (Motor) und Heinzmann (Motorregelsystem).

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Der JCB 407 ist ebenfalls mit der neuen Kohler-Motorengeneration ausgestattet. Foto: JCB
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Klein aber oho, der Sherpa 100 eco von Hanenberg Materieel BV, soll mit einer Akkuladung bis zu acht Stunden einsatzbereit sein. Foto: Mark Schmiechen

Hybride Antriebssysteme bestehen im Regelfall aus einem Verbrennungsmotor, konventionellen Antriebselementen wie Getriebe, Achsen und Hydraulikanlage, mindestens einer Elektro-Maschine (Motor-Generator), einer Leistungselektronik und einer Hochleistungsbatterie. Im Betrieb als Motor entnimmt die E-Maschine Leistung aus der Batterie und führt sie dem Antriebsstrang zu. Im umgekehrten Fall, im Betrieb als Generator, entnimmt die E-Maschine Leistung aus dem Antriebsstrang und lädt die Batterie wieder auf. So können Leistungsspitzen aus der Batterie abgedeckt, der Verbrennungsmotor kleiner ausgeführt und im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden.

Das Ergebnis ist ein wesentlich verbesserter Wirkungsgrad des Antriebssystems. Bei dem vorgestellten Antriebsaggregat handelt es sich um ein sogenanntes "mildes" Hybridsystem, bei dem ein Motor-Generator in den Antriebsstrang zwischen Dieselmotor und Hydraulikpumpe eingebaut wird. Derartige Systeme sollen Kraftstoffeinsparungen zwischen zehn und 20 Prozent erzielen. Aufgrund des modularen Konzepts können diese Komponenten auch in anderen Geräten eingesetzt werden. Der Einbau des Hybrid-Antriebs in den Radlader gestaltet sich problemlos, da der Dieselmotor mit integrierter E-Maschine nur unwesentlich länger ist als der ursprüngliche Dieselmotor.

Unter Spannung

Bei Baggern, speziell bei Minibaggern, ist die rein elektrische Antriebsart als eine "Spielart" schon angekommen. Natürlich nicht in dem Maße, dass sie einen hohen Verbreitungsgrad erreicht, aber gerade in abgas- und lärmsensiblen Bereichen finden sie schon ihren Einsatz. Interessanterweise wird hier von den Herstellern wie Wacker (803), Takeuchi (TB016) und Terex (TC48E), genauso wie bei den Abbruchrobotern im Moment eher die kabelgebundene Variante propagiert. Genau genommen handelt es sich um Hybride (neben dem Dieselmotor ist ein ähnlich leistungsstarker Elektromotor verbaut), wobei die Stromerzeugung für den Elektromotor eben über die "Steckdose", in diesen Fällen mit 380 Volt, erfolgt. Da die Einsätze von den Maschinen keine großen Fahrleistungen beziehungsweise Fahrwege verlangen, ist diese Methode durchaus sinnvoll. Der 803er von Wacker Neuson wird mittlerweile sogar mit eigenem Stromaggregat angeboten, so dass die Stromversorgung mobil wird und der Einsatzradius erweitert werden kann.

Die Entwicklung zumindest teilweise oder rein elektrischer Radlader scheint hingegen noch sehr stark in den Kinderschuhen zu stecken. Lediglich kleinere Hersteller versuchen sich an dieser Thematik. Mit dem eHoftrac stellte Weidemann auf der Agritechnica 2013 den Prototypen des ersten voll elektrischen Hoftracs vor. Die Maschine wurde auf der Basis eines 1160 entwickelt. Dank einer geschickten Platzierung des 400-Kilogramm-Akkus werden die gleiche Standsicherheit und Kipplast wie bei der 1160er-Serienmaschine erreicht. Je nach Einsatzprofil reicht eine Ladung des auswechselbaren Blei-Akkus mit 48 Volt Batteriespannung und 240 Amperestunden Energieinhalt für zwei bis vier Arbeitsstunden. Die Ladezeit wird mit sechs bis acht Stunden angegeben. Der Testbetrieb im Alltag läuft dieser Tage an und dann wird sich zeigen, ob er seine Tauglichkeit erzielt.

In die gleiche Richtung zielt der kleine Lader des holländischen Herstellers Hanenberg Materieel BV. Der Sherpa 100 ist gleichermaßen als rein elektrische Version 100 eco erhältlich und soll mit einer Batterieladung bis zu acht Stunden Einsatzdauer möglich machen. Ihre Antriebsleistung bezieht die Maschine kommt aus einer 24 Volt Traktionsbatterie mit 360 Amperestunden. Das kleine Kraftpaket bringt mit dem Akku ein Einsatzgewicht von 734 Kilogramm auf die Waage und stemmt trotz seiner kompakten Abmessungen noch gut 450 Kilogramm in die Horizontale und selbst der Einsatz eines Hydraulikhammers ist mit ihm vertretbar.

Wohin soll die Reise gehen?

Ein Schritt in die Richtung einer Verbesserung bestehender Systeme hat Liebherr mit seinem 2plus2-Radladerantrieb getan. Der hydrodynamisch-mechanische Antrieb wurde durch die Verwendung von zwei parallel arbeitenden Verstellmotoren sowie zwei schaltbaren Eingangswellen feiner abgestimmt. Die wichtigsten Merkmale dieses Konzeptes, die einen Vorteil ergeben sind:

Avant Tecno Antriebskonzepte Bagger und Lader
Er war einer der ersten. Der Atlas-Hybridlader auf Basis eines AR 65. Foto: Mark Schmiechen
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Blick in den Motorraum des Hybridladers von Atlas Weyhausen. Foto: Mark Schmiechen

- Der Dieselmotor kann bei jeder Fahrgeschwindigkeit auf verbrauchsoptimaler Drehzahl gehalten werden.

- Geringe Verluste des Antriebssystems in häufig genutzten Einsatzzuständen, wie beispielsweise beim Füllen der Schaufel mit geringster Geschwindigkeit und hoher Zugkraft.

- Betrieb des Dieselmotors im mittleren Drehzahlband bei hohem Moment und minimalem spezifischen Kraftstoffverbrauch.

- Arbeits- und Lenkhydraulik in Load-Sensing-Ausführung mit zwei separaten Axialkolbenverstellpumpen.

- Nach Kühlleistungsbedarf von Hydrauliköl und Kühlmittel gesteuerter Lüfterantrieb.

So können laut Hersteller Einsparungen von bis zu 30 Prozent aktiviert werden. Neben den gerade genannten Varianten muss aber die Forschung weiter in die Zukunft schauen. Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung versucht das Projekt "Team Effiziente Antriebe entwickeln" (team-mobilemaschinen.de) sich eben dieser Thematik anzunehmen. Ausführende ist unter anderem die Uni Dresden mit der Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fluidtechnik, Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik mit der Unterstützung von 20 namenhaften Herstellern, wie zum Beispiel Wirtgen, Claas, Liebherr, Lehnhoff, Bosch Rexroth und anderen. Das Ziel ist die Entwicklung, Erprobung und Bewertung von innovativen Antriebstechnologien zur Steigerung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen.

Den Weg dahin beschreibt die Projektgruppe folgendermaßen: "Eine konsequente maschinenspezifische Zusammenführung von vorhandenen Technologien, die praktische Erprobung sowie eine vergleichende Bewertung stehen bislang aus. Vielversprechend sind Entwicklungen aus dem Automotive-Bereich, beispielsweise schnell drehende elektrische Antriebe oder aber auf einen eingeschränkten Betriebsbereich optimierte Verbrennungsmotoren. Aussagen zur Anwendbarkeit in mobilen Arbeitsmaschinen können bislang nicht getroffen werden. Die Zusammenführung unterschiedlicher Technologien zu einem Antriebssystem erfordert bereits in der Entwurfsphase eine ganzheitliche Maschinenbetrachtung, inklusive der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Antrieben sowie der prozessseitig bedingten Lasten. Mit gegenwärtigen Simulationsmodellen kann zwar das Maschinenverhalten, jedoch nicht der maschinelle Prozess und dessen Rückwirkungen auf die Maschine abgebildet werden. Somit ist auch eine realitätsnahe Prognose des Energieverbrauchs der Maschine nicht möglich. Zugleich existieren derzeit keine wissenschaftlich fundierten Rahmenbedingungen für eine objektive Ermittlung und Bewertung der Energieeffizienz mobiler Arbeitsmaschinen.

Das Ziel des Teilvorhabens ,Grüner Radlader', welches nur ein Baustein des Projektes bildet, ist die Entwicklung, Bewertung und Erprobung neuer energiesparender Antriebstechnologien für mobile Arbeitsmaschinen, wobei sich der Radlader als besonders gutes Anschauungsobjekt anbietet. Funktionalität und Bedienerfreundlichkeit der Maschinen sollen dabei mindestens ein mit Serienlösungen vergleichbares Niveau erreichen.

Der überwiegende Teil heutiger mobiler Arbeitsmaschinen wird logischerweise durch Verbrennungsmotoren, wie Diesel- oder Gasmotoren angetrieben. Begründet ist das unter anderem mit der hohen Energiedichte und der zurzeit noch relativ einfachen Verfügbarkeit der fossilen Kraftstoffe. Aus ökonomischer Sicht hat der Kraftstoffverbrauch natürlich einen wesentlichen Einfluss auf die Betriebskosten der Arbeitsmaschine, was im Allgemeinen zu konstruktiv aufwändigeren Motoren führt und somit die notwendigen Investitionskosten erhöht. Die Berücksichtigung der gesetzlich verordneten Einhaltung der Abgasgrenzen zeigt derzeit nur einen Weg - den zu immer komplexeren und teureren Systemen für die Abgasnachbehandlung. Durch die Kombination mit einem Hybrid-System ergeben sich für den Verbrennungsmotor eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für eine gezielte Optimierung."

Ein möglicher Lösungsansatz, der bei Team verfolgt wird, ist die Auslegung des Verbrennungsmotors als Punktmotor auf einen eingeschränkten Betriebsbereich. Dabei soll erst das gesamte Verbesserungspotential eines solchen Antriebskonzepts einschließlich der Abgasnachbehandlung bestimmt und anschließend unter Berücksichtigung des Fahrzeugkonzeptes sowohl hinsichtlich der Schadstoff- und der CO2-Minderung als auch der Kosten bewertet werden. Heraus kommen könnte dann, auf dem jeweiligen Stand der Technik, das ökologisch und ökonomisch sinnvollste Antriebskonzept für zukünftige mobile Arbeitsmaschinen. Die Grundidee beim "Punktmotor" ist die Dynamik soweit möglich dem Hybridsystem zu überlassen und den Verbrennungsmotor mehr stationär in einem begrenzten, wirkungsgradoptimalen Kennfeldbereich zu betreiben. Dadurch sollte es möglich sein, zum einen den Kraftstoffverbrauch des Antriebs weiter zu reduzieren und gleichzeitig den Aufwand beim Verbrennungsmotor und der Abgasnachbehandlung zu minimieren, um dadurch den gesamten Antrieb nicht nur ökologisch sondern auch ökonomisch für den Markt interessant zu machen.

Der erste Schritt, der Bau eines Verbrennungsmotors für einen eingeschränkten Betriebsbereich, kann nur durch die Entwicklung neuer Komponenten und deren Integration in den hybriden Antriebsstrang umgesetzt werden. Zusätzlich bestehen vielfältige Möglichkeiten, durch Vereinfachungen den Bauaufwand und damit die Kosten sowohl für den Motor als auch einer möglicherweise noch notwendigen Abgasnachbehandlung zu senken.

Avant Tecno Antriebskonzepte Bagger und Lader
Schaubild eines hydromechanischen Fahrantriebes, wie er in Radladern über 120 Kilowatt eingesetzt wird. Grafik: lehrerfreund.de
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Schaubild eines klassischen mechanischen Antriebs. Grafik: lehrerfreund.de

"Der Weg ist das Ziel"

Der berühmt-berüchtigte Satz "Der Weg ist das Ziel" passt in diesem Fall wie die Faust auf's Auge, denn es zeigt sich, dass das Bewusstsein für die Problematik in allen Teilbereichen vorhanden ist. Leider nur unter wachsenden politischen Druck, aber immerhin. Die Rahmenbedingungen sind gesteckt, die Erarbeitung von Lösungsansätzen ist leider noch sehr stark volatil, das heißt, es wird eher nach Bedarf entwickelt als sehr zukunftsorientiert beziehungsweise vorausschauend. Das erwähnte Gemeinschaftsprojekt ist auf jeden Fall eine spannende Basis. Es ist vernünftig und wichtig, dass Wissenschaft und Markt sich in einem regen Austausch befinden, ihre Kräfte bündeln und so gemeinsam die Thematik voranbringen. Es bleibt abzuwarten, in wieweit solche Entwicklungen den Markt beeinflussen können.

 Mark Schmiechen
Autor

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