Vom elektronischen Fahrbefehl zur passenden Getriebeübersetzung

Sensor-Technik Wiedemann aus Kaufbeuren liefert Aktuator für das neue EQ200-Getriebe in CLAAS-Traktoren

Schon vor rund zwanzig Jahren hat die Landtechnik die Führerschaft bei der Nutzung stufenloser Getriebe in mobilen Arbeitsmaschinen übernommen. Die Überlegenheit des leistungsverzweigten Getriebes nach dem hydrostatisch/mechanischen Prinzip ist unbestritten und die Traktorenhersteller überbieten sich seither gegenseitig mit der Verbesserung dieses Lösungsansatzes.

Jetzt hat CLAAS im mittleren Leistungsbereich von 140 bis 184 PS mit der Einführung des EQ200-Getriebes vorgelegt. Der ARION 500/600 CMATIC ist damit ausgerüstet und er zeigt seine vielfältigen Vorzüge im ganzen Einsatzspektrum - von langsamen Pflegearbeiten über schwere Bodenbearbeitung oder Zapfwellenarbeiten bis hin zu schnellen Transportfahrten.

Abbildung 1: Das neue EQ 200 für den ARION 500/600 CMATIC

Im Inneren des EQ200 sitzt die „Verstelleinheit“ – der Aktuator ist die digitale und feinmechanische Schnittstelle des Getriebes. Es steuert die Schwenkwinkel der beiden Axialkolbenmaschinen hochdynamisch und positioniert sie winkelgenau. Die Schwenkwinkel bestimmen das Übersetzungsverhältnis des EQ200 und damit den eingelegten „Gang“.

Die Aufgabenstellung klingt einfach: ein Stellmotor ist so anzusteuern, dass der angefahrene Schwenkwinkel genau dem per CAN empfangenen Winkelsignal entspricht. Erst die Nebenbedingungen machen die Umsetzung zur großen Herausforderung, wenn Dynamik, funktionale Sicherheit, Robustheit und der unbedingte Wunsch nach langer Lebensdauer ein großes Entwicklungsprojekt erzwingen. Ein Verbund innovativer Firmen hat sich dieser Aufgabe gestellt und unter der Führung der CLAAS Industrietechnik (CIT) in Paderborn die Verstelleinheit auf Automotive-Niveau bis zur Serienreife entwickelt und erprobt. Die Aufgabenverteilung im Verbund sah dabei vor, dass die Firmen Sensor-Technik Wiedemann (STW) aus Kaufbeuren und FRAMO-Morat aus dem Hochschwarzwald das Konzept entwickelten und wesentliche Bestandteile beisteuert: STW die Elektronik und Software, FRAMO-Morat die Elektromechanik. Der Zulieferer MAXON-Motors liefert Brushless-DC-Motoren, die Firma Kübler den 13 Bit Opto-Drehgeber und die Firma ASG den redundanten analogen Drehgeber. Die Systemverantwortung und Projektführerschaft lag bei Sensor-Technik Wiedemann, ebenso wie die heutige Serienlieferung.

Abbildung 2: Verstelleinheit

Die Schlüsselfrage beim Finden der technischen Lösung zielt auf die Findung des optimalen Kompromisses zwischen Geschwindigkeit und Stellpräzision des Aktuators. Gerade bei Traktor-Anwendungen kommt es zu unzähligen verschiedenen Fahrsituationen, die sich zudem ständig und schnell ändern können. Für die Regelungstechnik tun sich dabei eine ganze Reihe weiterer Fragen auf, wenn es darum geht, den richtigen Drehzahl- und Motorstromwert vorzugeben. Zusätzlich erschwert wird diese Aufgabe dadurch, dass das Verhalten für den gesamten Temperatur- und Versorgungsspannungsbereich auch unter wechselnden Lastsituationen sicherzustellen und möglichst standardisiert darzustellen ist. Nur durch eine detaillierte Analyse aller Einfluss- und Störgrößen sowie durch die Definition praxisorientierter Annahmen konnte eine hochdynamische, präzise Lösung entwickelt werden. Ergebnis sind ausgeklügelte Beschleunigungs- und Brems-Algorithmen mit minimalen Verstellzeiten aus der Regelungstechnik-Schmiede von Sensor-Technik Wiedemann. Dabei ist die Winkelposition mit 13 Bit aufgelöst und auch die Positioniergenauigkeit von 0,05° entspricht exakt diesem Wert.

Zudem stellt der Einbauraum der Verstelleinheit nicht gerade eine Wohlfühl-Atmosphäre dar. Direkt und nicht gedämpft am Getriebe montiert, herrschen schon im Standard Betriebsfall hohe Temperaturen und Vibrationen über einen weiten Frequenzbereich. Niederfrequente Schocks, die hauptsächlich durch Fahrbahnunebenheiten entstehen, sind dabei genauso zu beherrschen, wie die von Motor und Getriebe erzeugten Vibrationen mit hohen Frequenzen. Bei CLAAS wurden daher umfangreiche Messungen an Fahrzeugen durchgeführt, um eine Relation zwischen theoretischer Anforderung und Praxisbelastung zu entwickeln. Versuchsgeräte, die sich lange Zeit im Feldeinsatz mit vielen Betriebsstunden befanden, wurden detailliert untersucht. Bei STW und FRAMO-Morat lag der Fokus neben Simulationen, Resonanz-Frequenz-Analysen von Einzelbauteilen und Auslegungs-Berechnungen insbesondere auf praktischen Prüfungen und Tests mit gleichzeitiger Beaufschlagung von Temperatur und Vibration.

Als weitere Herausforderung bzgl. Zuverlässigkeit stellte sich der Schutz der sensiblen Elektronik-, Sensor- und Aktor-Teile vor Feuchtigkeit und Fremdstoffen dar. Um vor Hochdruck-Reiniger-Strahlen und stehendem Wasser gewappnet zu sein, wurde die Verstelleinheit mit Schutzart IP67 und IP6k9k spezifiziert und konstruiert. Der Schutz vor diesen widrigen Umgebungsbedingungen ist aber nur dann perfekt, wenn er möglichst eine komplette Fahrzeuglebensdauer wirksam ist. Für mindestens 10.000 Betriebsstunden gilt es, den Vibrationen und Temperaturen zu trotzen und dabei stets die Dichtigkeit, auch bei abrupten Temperaturschwankungen, zuverlässig zu gewährleisten. Selbstverständlich müssen auch alle Bauteile im Inneren der Verstelleinheit über die komplette Lebensdauer funktionieren und vor Verschleißerscheinungen geschützt sein. Neben den erforderlichen Tests und Nachweisen zahlte sich vor allem die langjährige Erfahrung von Sensor-Technik Wiedemann samt der für Entwicklung und Fertigung beteiligten Partner im Bereich komplexer, elektronischer Baugruppen für landwirtschaftliche Maschinen aus.

Als direktes Glied in der Kette der Antriebskomponenten kommt der Getriebesteuerung als Rechner- und Überwachungseinheit sowie der Verstelleinheit als Aktuator in der Traktor-Fahranwendung besondere Bedeutung hinsichtlich des Themas Sicherheit zu. Sowohl ungewollte Stellbewegungen, die sich z.B. als Fahrbewegung aus dem Stillstand äußern, als auch ausbleibende Stellbewegungen in Form von nicht ausgeführten Bremsvorgängen, stellen die schlimmsten anzunehmenden Konstellationen dar. Die Maßnahmen zur Beherrschung evtl. Fehlersituationen nahmen während der Design- und Entwicklungsphase konsequenterweise einen breiten Raum ein. Die Kommunikation zwischen Getriebesteuerung und Verstelleinheit basiert auf einem sicherheitsgerichteten Handshake-Protokoll auf CAN-Bus-Basis, bei dem sich nach einem Initialisierungsprozess beide Einheiten gegenseitig überwachen. Weiterhin sind zahlreiche Diagnose-Funktionen und Plausibilitäts-Prüfungen implementiert, die z.B. Temperatur, System-Spannungen oder den Regelungs-Strom überwachen, um Früherkennung von Anomalien oder bei kritischer Überschreitung von Grenzwerten sogar den Wechsel in den sicheren Zustand zu betreiben.

Für eine komplexe, mobile Arbeitsmaschine steht zunehmend auch die Servicefreundlichkeit im Fokus. Neben Standard-Funktionen, wie Betriebsstundenzähler und Fehlerspeicher zeichnet die Verstelleinheit von STW auch die prozentuale Betriebsdauer in vorgegebenen Temperatur-, Positions-, Moment- und Drehzahl-Fenstern auf und aktualisiert diese stetig. Im Service-Fall kann nach Auslesen dieser Daten sehr einfach und anschaulich ein „Einsatzprofil“ für die Maschine erstellt werden. Steht eine Vielzahl der Daten von mehreren Fahrzeugen zur Verfügung, lassen sich mit statistischen Methoden Rückschlüsse auf den allgemeinen Einsatz nicht nur der Verstelleinheit, sondern auch hinsichtlich Getriebe und des ganzen Fahrzeugs ziehen.