Der Challenger RoGator, eine sogenannte Selbstfahrspritze, besitzt an jedem Rad eine

Der Challenger RoGator, eine sogenannte Selbstfahrspritze, besitzt an jedem Rad eine hydropneumatische Federung mit adaptiver Dämpfung

Weber Hydraulik stellte auf dem Freitagskolloquium des IFAS ein auf dieser Technologie basierendes neues Konzept für Kabinen und Fahrwerke von Landmaschinen und Sonderfahrzeugen vor. Das Entwickeln einer hydropneumatischen Federung ist im wahrsten Sinne Auslegungssache. Zu den wichtigsten Handwerkzeugen des Konstrukteurs zählen daher Simulationstools. „Hier kann ein Entwickler sehr schnell den Fehler machen, dass er die Tools zu weit ausdehnt“, warnt Dr. Richard Käsler, Geschäftsbereichsleiter Systemtechnik bei der Weber Hydraulik GmbH, Güglingen. „Wichtig ist es, sich auf die wesentlichen Punkte des Simulierens zu beschränken.“ Der Entwickler könne sich bei der Fahrwerksimulation aber auf die wenigen Komponenten dieses mechatronischen Systems beschränken, um so „fundamentale Erkenntnisse“ über die Zusammenhänge in einem Fahrzeug zu gewinnen.

Mit diesem Know-how würde es einem Konstrukteur leichter fallen, das gesamte Fahrwerk auszulegen. Bei eigenen Simulationsläufen hat sich bei Weber Hydraulik das HIL-System Matlab bewährt (HIL: Hardware-in-the-loop), weil es auch mit einem einfachen, überschaubaren Simulationsmodell mit wenigen Freiheitsgraden grundlegende Wechselwirkungen erkennt. Hersteller, die detailliertere Ergebnisse bei Simulationen benötigen, sollten dagegen mit Hochschulen zusammenarbeiten.

Komfort und Fahrdynamik
Für das Fahrwerk gibt es die beiden Bewertungskriterien Komfort und Fahrdynamik. Das Komfortverhalten hängt entscheidend davon ab, ob das Fahrzeug gefedert ist. Erst dann komme eventuell eine Kabinenfederung in Betracht. „Viele gehen davon aus, dass der Sitz den Komfort bestimmt“, sagt der Experte. „Aber es ist vielmehr der Reifen, der auch komfortentscheidend ist.“

Auch in Sachen Fahrdynamik spiele die gefederte Achse zusammen mit den Reifen eine Hauptrolle. Daher erhalten Landmaschinen zunehmend eine Federung. Gemeinsamer Nenner bei allen Fahrzeugen:  Eine Federung besitzt immer zwei Eigenfrequenzen. Die Chassis-Eigenfrequenz des beträgt in der Regel  1,0 bis 1,5 Hertz. Ein Wert unter der Ein-Hertz-Grenze bietet sich nicht an, weil sie zur Seekrankheit führen würde.

Die zweite sogenannte Stuckereigenfrequenz stammt vom Rad und liegt bei einem Wert von zehn bis 20 Hertz. Diese Frequenz wirkt sich bei Landmaschinen besonders dann aus, wenn die Stolleneigenfrequenz des Reifens das Rad anregt. Dann fängt der Traktor an zu hüpfen. Als Gegenmaßnahme gilt – wie bei allen Fahrwerken – eine Faustregel. „Ich muss das System so weich wie möglich machen“, sagt Dr. Käsler. „Dann verbessert sich das Übertragungsverhalten.“

Daher versuchen Entwickler auch bei Landmaschinen, die Eigenfrequenz so tief wie möglich einzustellen. Das lässt sich aufgrund der Gewichtsverteilung jedoch laut dem Experten nur mit einer hydropneumatischen Federung verwirklichen.

Doch wie verhält es sich mit der Dämpfung? Es gibt bestimmte Bereiche wie Eigenfrequenzstellen, bei denen viel Dämpfung nötig ist, um beispielsweise das Rattern und Schwingen des Fahrzeuges zu verringern. In anderen Bereichen wird weniger Dämpfung benötigt. Das heißt: Es bedarf einer adaptiven Dämpfung, die sich an die Fahrbedingungen anpasst. Um eine Übersicht über die Frequenzen und ihrer Wechselwirkungen in einem Fahrzeug zu erhalten, haben sich Frequenzkarten bewährt. Sie helfen auch beim Abstimmen des Frequenzverhaltens aller Fahrzeugsysteme.

Federungssysteme seit Mitte der 90er Jahre
Die ersten Federungssysteme kamen Mitte der 90er Jahre in Traktoren zum Einsatz: Die Firmen John Deere und Fendt haben damals hydropneumatische Achsen eingeführt. Heute besitzen alle Traktoren der Mittel- und Oberklasse eine hydropneumatische Achse. Dabei hängt es nicht davon ab, ob es sich um Fahrzeuge mit Starrachsen oder Einzelradaufhängung handelt. „Hydraulisch lassen sich beide Achsen simulieren“, erklärt Dr. Käsler.

Der Trend gehe zur Einzelradaufhängung, weil sich an ihr wesentlich mehr Parameter einstellen lassen und weil sie weniger Platz benötige. Weber Hydraulik hat eine derartige Lösung bei einem  Challenger RoGator (Masse je nach Zuladung: 8,0 bis 16,5 Tonnen) der AGCO Corporation realisiert. Die sogenannte Selbstfahrspritze besitzt an jedem Rad eine hydropneumatische Federung mit adaptiver Dämpfung. Hinzu kommt eine Niveauregulierung zur Veränderung der Höhe um einen halben Meter, dank der das Fahrzeug über ein Maisfeld fahren kann, ohne den Mais zu beschädigen.

Außerdem verfügt es über einen kompletten, zuschaltbaren Hangausgleich: Sensoren ermitteln beim Hineinfahren in den Hang die Neigung des Hangs und richten das Fahrzeug so aus, dass es waagerecht steht. Beim Bremsen und Beschleunigen unterdrückt die adaptive Dämpfung das sogenannte Pitchen (Einsacken) oder Hochgehen.

Der Challenger RoGator besitzt außerdem eine elektrohydraulische Allradlenkung, die dank GPS-Unterstützung sehr präzise arbeitet. Ein komplexer Chassis-Ventilblock übernimmt über einen Controller das Ansteuern von Federung und Lenkung. Die Dämpfungszylinder stützen sich auf den Gasvolumina in den Speichern ab, auf denen sie auch federn. Dazwischen liegen die Dämpfungsventile, die den Querschnitt zwischen den Speichern und den Zylindern verengen. „Dadurch sind wir in der Lage, die Dämpfung während der Fahrt zu verändern“, erläutert Dr. Käsler.

Umschaltung zwischen Einzelradfederung und rollstabilisierter Federung
Weber Hydraulik hat außerdem eine Umschaltung zwischen Einzelradfederung und rollstabilisierter Federung entwickelt. Diese interessante Lösung gleicht einen Nachteil der Einzelradfederung aus. Jedes Rad stützt sich auf seinem Speicher ab und federt unabhängig. Das ergibt zwar ein gutes Komfortverhalten, wirkt sich aber manchmal auch negativ aus. Dr. Käsler: „Das Fahrzeug verhält sich insbesondere bei Kurvenfahrten weicher und neigt dann zum Neigen oder Rollen.“

Dann schlägt die Stunde der Kreuzstabilisierung: Durch Verbinden des Ringraums der einen Seite mit dem Federraum der anderen Seite können beide Seiten parallel federn. Die Elektronik analysiert die Fahrzustände, um dann schnell zwischen den beiden Betriebsmodi umzuschalten. Eine wichtige Rolle spielt die Ausführung des Federungszylinders. Es fanden daher zahlreiche Untersuchungen besonders am Dichtungspaket statt.

„Wenn ich die Dämpfung in einem Zylinder verändern will, dann bedarf es eines Zylinders, der möglichst keine Reibung hat, damit ich sie während der Fahrt verstellen kann“, sagt Dr. Käsler. „Wenn die Dichtung dagegen bereits zu viel Reibung aufweist, kann ich nicht mehr viel verstellen.“ Weber Hydraulik hat daher sehr reibungsarme, patentierte Dichtungen entwickelt.

 

Der Challenger RoGator besitzt an jedem Rad eine hydropneumatische Federung

Niveauregulierung passt das Fahrzeug den Bodengegebenheiten an

Es entstand für die hydropneumatische Federung eine Niveauregulierung, die das Fahrwerk den Bodengegebenheiten anpasst, wenn das Niveau für einen längeren Zeitabschnitt eine vorgegebene Bandbreite verlässt. Dr. Käsler: „Wenn ein dynamischer Stoß aus der Fahrbahn kommt, passiert nichts. Das Fahrzeug muss sich mindestens fünf Sekunden außerhalb des Fahrniveaus befinden, damit die Niveauregulierung das System anpasst.“  

Die Experten des Unternehmens sahen sich vor der Entwicklung an, wie ihre Kollegen aus der Automobilindustrie das Thema angehen. Sie fanden unter den typischen Dämpfungsstrategien wie Sky Hook oder Relativ Control jedoch wenig praktikable Lösungen für Landmaschinen, bei denen es vor allem auf Robustheit ankommt. Sie entwickelten einen Algorithmus, der mit den Parametern Zylinderweg und -geschwindigkeit arbeitet. Beide Signale erhält das System von einem Niveausensor, wobei die Geschwindigkeit durch Differentiation ermittelt wird. Bei langsamen Zylinderbewegungen wird über den Zylinderweg gesteuert: Die Regulierung erhöht die Dämpfung kurz vor dem Auftreffen auf die Endanschlagsposition und sorgt so für einen sanften Stoß.

Wenn die Stöße dagegen mit hoher Geschwindigkeit auftreten, kommt es zu einer geschwindigkeitsgeregelten Dämpfung. Wenn sich Zustände ändern, regelt das System nach. Es handelt sich um ein passives System, bei dem die Durchflussrate verändert wird. Dr. Käsler: „So ist es uns gelungen, ein robustes und zuverlässiges adaptives Dämpfungssystem zu realisieren.“

Weber Hydraulik hat die Qualität des Systems bei Versuchsfahrten mit verschiedenen Traktoren mit einer konventionellen und einer Luftfederung verglichen. Das Resultat kann sich seiner Ansicht nach sehen lassen, denn ein hydropneumatisches System soll in Sachen Komfort mit einer Luftfederung mithalten können. Die adaptive Dämpfung, die sich nur mit Hydropneumatik verwirklichen lässt, soll einer Luftfederung sogar bei Komfort und Fahrdynamik überlegen sein.

Elektro-hydraulische Lenkung
In das Fahrzeug hat das Unternehmen außerdem eine elektro-hydraulische Lenkung eingebaut, die jedes einzelne Rad lenkt. Das System besitzt einen sogenannten Zustandsgrößenbeobachter, um weitere Informationen zu den bekannten Größen (Lenkwinkelvorgabe des Fahrers, Lenkwinkel des Rades) zu gewinnen. Mit den Messwerten des Beobachters kann das System die inneren Kennwerte der Bewegungsstrecke ermitteln und regeln.

Weber Hydraulik hat dazu ein eigenes proportionales Lenkventil (5/3-Wege-LS-Cartridgeventil) entwickelt, das für kurze Schließ- und Öffnungszeiten ausgelegt ist. Mit der Lenkung lassen sich verschiedenste Lenkfunktionen wie Allradlenkung, einseitiger Hundegang, Schongang oder manueller Lenkwinkel verwirklichen. Die flexible Lenkung spielt ihre Stärken vor allem im Zusammenspiel mit der adaptiven Dämpfung aus, die sich individuell für jedes Rad einstellen lässt.

Autor: Nikolaus Fecht

www.weber.de