Mehr grüner Fahrspaß im Radlader 1

Wegen der immer strengeren globalen Emissionsnormen (Tier 3 & 4 /Euro III & IV) und der neuen Sicherheitsanforderungen der EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EC benötigen OEMs Lösungen, die Fahrzeugemissionen senken, die Sicherheit verbessern, den Kraftstoffverbrauch reduzieren und die Produktivität steigern.

Hersteller Mobiler Arbeitsmaschinen sehen sich derzeit mit zwei Herausforderungen konfrontiert: Einerseits mit den neuen Abgasnormen gemäß Tier 3 & 4 sowie den Stufen Euro III & IV, andererseits mit der überarbeiteten europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EC. Für diese Herausforderungen hat Sauer-Danfoss das integrierte H1 Automotive Control (H1 AC) auf den Markt gebracht.

Die unterschiedlichen Baugrößen der H1-Axialkolbenpumpe können mit dem integrierten elektronischen Automotive-Control-System ausgerüstet werden. Elektronik und Software dieses Systems sind nach IEC 61508 SIL 2 (ISO 13849 Performance Level d) vom TÜV Nord zertifiziert.

Dadurch werden OEMs in die Lage versetzt, Leistungsvermögen und Gesamteffizienz ihrer Fahrzeuge zu steigern und gleichzeitig die Entwicklungs- und Qualifizierungszeit zu reduzieren.

Die Integration von hydrostatischer Antriebstechnik und Elektronik in eine Umgebung mit extremen Temperaturen, Vibrationen, Schmutz und Feuchtigkeit stellte  die Ingenieure von Sauer-Danfoss vor besondere Herausforderungen. Sie konnten dabei jedoch auf die Erfahrungen zurückgreifen, die Sauer-Danfoss in beinahe einem halben Jahrhundert bei der Entwicklung von automotiven Antriebskonzepten gesammelt hat.

Automotive-Antriebskonzepte
1972 entwickelte Sauer-Danfoss die hydraulische Fahrautomatik für die Baureihe 20. Die Fahrautomatik ermöglichte, die Fahrzeuggeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors  zu steuern, welche der Fahrer über ein Gaspedal vorgab.

Um dies zu erreichen, wurde der Ölvolumenstrom aus der Speisepumpe mit festem Fördervolumen über eine Düse (Druckabfall zwischen Einlass und Auslass) geführt, um ein drehzahlabhängiges hydraulisches Steuersignal zu erzeugen. Das Signal wurde verwendet, um den Servodruck der Pumpe zu regeln.

Einer der größten Vorteile hydraulischer Automotiv-Konzepte bestand darin, dass eine Leistungsregelung (Abwürgeschutz des Verbrennungsmotors) realisiert werden konnte. Diese Lösung bot eine größere Designflexibilität als der Drehmomentwandler und wurde zunächst in Baumaschinen eingesetzt. Weiterer Vorteil war die Verfügbarkeit der maximalen Zugkraft auch bei niedrigen Verbrennungsmotordrehzahlen. Mitte der achtziger Jahre kam mit der Baureihe 90 eine neue Generation von Axialkolbenpumpen auf den Markt. Vorteile dieser Baureihe waren ein kompakteres und modulares Design, höhere Drücke und eine integrierte Speisepumpe. Auch für diese Baureihe war eine weiterentwickelte hydraulische Fahrautomatik verfügbar.

Anfang der 1990er-Jahre wandelten sich die Anforderungen an mobile Arbeitsmaschinen. Lösungen mit Drehmomentwandlern wurden mehr und mehr durch hydrostatische Antriebe ersetzt. Um diesem Trend gerecht zu werden, entwickelte der Hersteller ein Konzept, das auf einer gemeinsamen Plattform basierte. Das Ergebnis: das NFPE-System (Non-Feedback Proportional Electric). Dank NFPE war es Sauer-Danfoss möglich, die Vorteile hydrostatischer Systeme (zum Beispiel Rückschwenkverhalten der Pumpe) mit der Flexibilität von Elektronik zu kombinieren.

Da NFPE die Vorteile einer nicht lagegeregelten Pumpe mit druckabhängigem Rückschwenkverhalten und digitaler Elektronik in sich vereine, habe sie sich als Lösung mit beträchtlichen Funktionalitätsverbesserungen erwiesen, so der Hersteller.

Die Vorteile:

  • Das Fahrverhalten ließ sich an die Kundenanforderungen und Einsatzbereiche anpassen (dank einfacher Anpassung von Parametern per Elektronik statt Düsen, Ventilkegeln oder Ventilplatten)
  • dank der Elektronik war es möglich, mehrere Fahrmodi zu realisieren und optimieren
  • es ließen sich weitere Funktionen verwirklichen – beispielsweise konstante Fahrzeuggeschwindigkeit auch bei Veränderung der Drehzahl des Verbrennungsmotors zur Bereitstellung der benötigten Drehzahl für die Arbeitspumpe
  • geringere Temperaturempfindlichkeit – Das H1 AC ist nun die konsequente Weiterentwicklung von NFPE mit externem Controller. Es ist in die Pumpe integriert und damit den gleichen extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt wie die Pumpe selbst. Ein integriertes elektronisches Steuerungs- und Regelsystem unterliegt sehr hohen Umweltanforderungen im Motorraum mobiler Arbeitsmaschinen. Die Elektronik musste so konzipiert werden, dass sie Temperaturschwankungen, mechanischen Stößen und Vibrationen widerstehen kann.

Deshalb wurde die integrierte Elektronik für ein IP69K-Rating ausgelegt und bei Qualifizierungstests etwa Beschleunigungen von 500 g ausgesetzt. Es mussten neue Methoden entwickelt werden, um die integrierten elektronischen Komponenten zu testen und zu qualifizieren. Zur Überprüfung der Lebensdauer der Einheit wurde ein Highly-Accelerated-Lifecycle-Test (HALT) in Kombination mit einem 100-Tage-Dauertest durchgeführt.

H1 AC-Pumpe – Elektronik integriert
Auch das begrenzte Platzangebot musste berücksichtigt werden. Die Anschluss-stecker (über den Signale etwa von Pedalen oder Schaltern gesendet und empfangen werden) sind ins Gehäuse der Regelelektronik integriert, um die mechanische und elektrische Verbindung sicherzustellen. Die integrierten Stecker wurden so ausgelegt, dass diese die Dichtigkeit nach IP69K (staubdicht, Schutz gegen Hochdruck- und Dampfstrahlreinigung) gewährleisten.

Die elektrischen Anschlüsse sind für den OEM zur einfachen Installation im Fahrzeug leicht zugänglich. Darüber hinaus bietet das AC eine automatisierte Kalibrierung für beispielsweise Fahr- und Inchpedale nach Plus+1-Standard. Die Pumpe kann mit einem Schwenkwinkelsensor ausgerüstet werden, um die Position der Schwenkscheibe zu überwachen und so die Regelgüte für bestimmte Anwendungen zu verbessern. Dieses ermöglicht beispielsweise ein von der Drehzahl des Verbrennungsmotors unabhängiges Fahren.

Um die integrierte Regelelektronik SIL-konform zu konzipieren, wurden die gesamten entwicklungsseitigen Prozesse und Tools – einschließlich der Methoden zum Speichern des Quellcodes sowie zum Testen und Verifizieren – zertifiziert. Spezifische Anforderungen und Designentscheidungen mussten im globalen Fertigungsprozess berücksichtigt und ebenfalls vom TÜV zertifiziert werden.
Das H1 AC verfügt über eine intelligente Watch-Dog-Funktion zur Echtzeit-Fehler-überwachung, redundant zum Hauptrechner. Dank SIL-2-Zertifizierung werden für den OEM die Umsetzung der Anforderungen der europäischen Maschinenrichtlinie 2006/42/EC und dem damit verbundenen Sicherheitsstandard (ISO 13849 – 1:2006) erleichtert, Kosten und Zeit für Fahrzeugqualifizierung und -zertifizierung erheblich reduziert.

Technik im Detail
Die H1-AC-Anwendungssoftware
Die H1-AC-Anwendungssoftware lässt sich über Parameter an die Bedürfnisse des OEMs anpassen und erfüllt SIL 2 gemäß Standard IEC 61508. Zum Funktionsumfang gehören:
Vier wählbare Fahrprofile mit separaten Kennlinien für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt
automotiver Kriechgang bei dem die Auflösung des Fahrpedals stufenlos verstellt werden kann
drehzahlunabhängiges Fahren – die Drehzahl des Verbrennungsmotors wird fest eingestellt. Die Fahrzeuggeschwindigkeit folgt dem Fahrpedal (Schwenkwinkel-Regelung über integrierten Sensor – optional)
elektrische Ansteuerung von proportionalen und 2-punkt-verstellten Hydraulikmotoren
Grenzlastregelung (Abwürgeschutz) und Überdrehzahlschutz für den Verbrennungs-motor
Hydromotor-Überdrehzahlschutz und Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung
integrierte Temperaturüberwachung
Anfahrstrom und Hysterese-Kompensation
Ansteuerung von Zusatzfunktionen wie Signallampen, Bremslicht, Parkbremse etc.
CAN J1939-Schnittstelle zur Integration in vorhandenes Fahrzeug CAN-Netzwerk
Parametrierung über die kostenlose Plus+1-Service-Tool-Software möglich.