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PSB-PT-2_Techn_Grdl.doc

Bauhaus-Universität Weimar Fakultät Bauingenieurwesen Professur Baubetrieb und Bauverfahren Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Bargstädt M.Sc. Lehrunterlage für die Vertiefungsrichtung Baubetrieb Bauproduktionstechnik Weimar, April 2007 Nur für den Lehrgebrauch!

Dieses Lehrmaterial stellt eine Ergänzung zur Vorlesung dar und kann die Teilnahme an dieser sowie das vertiefende Studium der einschlägigen Fachliteratur nicht ersetzen. Es ist nur für Lehrzwecke an der Bauhaus-Universität Weimar bestimmt.

apl. Prof. Dr.-Ing. habil. R. Steinmetzger

Produktions- und Systemtechnik im Baubetrieb Bausteine der Produktionstechnik:

Grundlagen der Baumaschinentechnik Inhalt 1 Allgemeine Grundlagen 2 1.1 Einführung 2 1.2 Über Größen- und Zahlenwert-

gleichungen 3 1.3 Grundgrößen der Mechanik, Energie-

umwandlung und Wirkungsgrad 3 1.4 Tribologie 4 1.5 Schmierung 5

2 Maschinenelemente 5 2.1 Grundbegriffe 5 2.2 Verbindungselemente 6 2.3 Federn, Federnsysteme und Federungs-

systeme 6 2.4 Achsen, Wellen, Lager 7 2.5 Wellenkupplungen und Bremsen 7 2.6 Mechanische Getriebe 8 2.6.1 Allgemeines 8 2.6.2 Zahnradtriebe 9 2.6.3 Zugmittelgetriebe 9 2.6.4 Stufenlos verstellbare mechanische

Getriebe 10 2.6.5 Weitere Getriebearten 11 3 Maschinen 11 3.1 Einführung 11 3.2 Verbrennungsmotoren 12

3.3 Elektromotoren 15 3.4 Antriebstechnik 16 3.4.1 Zusammenwirken von Kraft- und Arbeits-

maschine 16 3.4.2 Hydrostatische Antriebstechnik 18 3.4.3 Hydrodynamische Antriebstechnik 19 3.4.4 Pneumatische Antriebstechnik 20 4 Fahrwerke 21 4.1 Aufgaben und Klassifikation der Fahr-

werke 21 4.2 Radfahrwerke 21 4.2.1 Das Rad 21 4.2.2 Reifen 23 4.2.3 Rahmen und Aufhängung der Achsen am

Fahrzeug 25 4.2.4 Lenkung 26 4.3 Raupenfahrwerke 28 4.4 Das Traktionsverhalten von Bauma-

schinen 30 4.4.1 Einsatzparameter eines Fahrwerkes 30 4.4.2 Fahrdynamik 31 4.4.3 Manövrieren von Fahrzeugen und Bau-

maschinen 34 5 Quellenangaben und Literatur-

hinweise 34

BU Weimar – Professur Baubetrieb und Bauverfahren Grundlagen der Baumaschinentechnik

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Sicherheits- und Umwelttechnik Telekommunikation

BDE

Arbeitsverfahren

1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Einführung Gewiss muss der Bauingenieur kein Maschinentechniker sein. Doch modernes Bauen ist Bauen mit Maschinen. Bereits bei ihrer Auswahl, noch mehr bei deren Einsatz, werden immer wieder Fehler begangen, die sich nachhaltig auf Qualität und Wirtschaftlichkeit des Bauens auswirken. Der praktisch tätige Bauingenieur muss deshalb über ein gewisses Grundverständnis für die wichtigsten Arbeitsmittel der Produktion, mit denen er sein Geld verdienen und im Wettbewerb bestehen muss, verfügen. Er muss sich mit den Maschinenfachleuten, ganz gleich, ob in der Maschi-nentechnischen Abteilung seines Unternehmens oder beim Hersteller bzw. Händler der Baumaschinen, verständigen können. Manche Bauaufgabe ist nur im Team, unter Einbeziehung von Maschinenfachleuten, zu bewältigen. Ein wenig sollte der Bauingenieur deshalb auch die Gedankengänge des „Maschinenmenschen“ nachvollziehen können, so wie er es auch umgekehrt von ihm verlangt. Diesem Anliegen dient die Vermittlung einiger Grundlagen der Maschinentechnik.

Diese Lehrunterlage ist den Grundlagen der Maschinentechnik gewidmet. Behandelt werden die wichtigsten allge-meinen Elemente und Baugruppen der Baumaschinen (vgl. Abb. 1.1). Im Prinzip besteht jede Baumaschine aus fol-genden Hauptbaugruppen:

1. Arbeitsausrüstung / Arbeitseinrichtung 2. Energie- bzw. Antriebsquelle 3. Leistungsübertragungs- und -umformungsanlage 4. Gestell, Rahmen oder Gehäuse 5. Fundament, Fahrwerk 6. Mess-, Steuerungs- und Regelungssystem (einschl. Betriebsdatenerfassung) 7. Schutzeinrichtungen für Mensch, Maschine und Umwelt (teilweise integriert in andere Komponenten) 8. Signaleinrichtungen

Position 1 beinhaltet das eigentliche Spezifikum der Baumaschine. Die Positionen 2, 3, 6, 8 werden im Rahmen der Maschinentechnik für alle Maschinen gemeinsam betrachtet. In den meisten praktischen Anwendungsfällen bestrei-chen diese Positionen spezialisierte und erfahrene Zulieferer (eines gesonderten Zweiges der Zulieferindustrie). Für die Positionen 4, 5, 7 ist in Standardfällen eine gemeinsame Betrachtung möglich, da zwischen ihnen ein enger Zusammenhang besteht. Doch oft beinhalten sie speziell auf den Verwendungszweck der Maschine ausgerichtete Lösungen.

Abb. 1.1 Hauptbaugruppen von Baumaschinen

Abb. 1.2 Maschinentechnische Arbeitsgebiete

Vorhaltung

Maschinentechnik

Kundendienst Vertrieb

Maschinenbau Maschinenanwendung

Auswahl Bemessung

Bewertung

InstandhaltungFertigung Konstruktion Bemessung

Bewertung

Steuerung/Regelung

Arbeits- gegenstand

Arbeits- einrichtung

Energiequelle/ Kraftmaschine

Leistungsübertragungund -umformung

Rahmen/Gestell/Gehäuse (mit Bedienstand, -elementen)

Fahrwerk / Fundament


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1.2 Über Größen- und Zahlenwertgleichungen Es gilt grundsätzlich:

zum Beispiel: (vgl. DIN 1313 „Größen“; Ausg. 12/1998)

Die Einheiten physikalischer Größen sind Bezugsgrößen, mit denen andere Größen gleicher Art verglichen oder gemessen werden können. In Verbindung mit Zahlenwerten benutzt man üblicherweise die entsprechenden Einhei-tenzeichen. Es steht zwar schon lange in den Physik- und Mathematik-Fachbüchern (vgl. z. B. [8], [11, S. 14ff]) und in DIN 1313 [3] festgeschrieben – aber dennoch sind Fehler beim Umgang mit Größen, Dimensionen und Einheiten immer noch weit verbreitet.

Gegenüber Größengleichungen, die in mathematische Form gebrachte Gesetzmäßigkeiten darstellen, sind Zahlen-wertgleichungen Berechnungsgrundlagen. Mit den Zahlenfaktoren, die durch die Wahl der Einheiten bedingt sind, werden Zahlenwertgleichungen in einigen Fällen physikalisch nicht mehr deutbar, so dass immer nach Möglichkeit zunächst der Größengleichung der Vorzug zu geben ist.

Beispiel:

Größengleichung: Zahlenwertgleichung:

Bei technischen Aufgaben immer erst eine Lösungsformel in Form einer allgemeinen Größengleichung erarbeiten und erst zum Schluss die Zahlenwerte einsetzen bzw. zusammenfassen und vereinfachen!

Für physikalisch-technische Anwendungen ist das Internationale Maßeinheitensystem (SI – System International) anzuwenden. Der Vorteil der „neuen Einheiten“ besteht im Wegfall der vielen Umrechnungsfaktoren. Diese waren bei der Verwendung so genannter nichtkohärenter Einheiten erforderlich. Im SI entsprechen, abgesehen von dezimalen Umwandlungskoeffizienten, die Zahlenwertgleichungen den entsprechenden Größengleichungen. 1.3 Grundgrößen der Mechanik, Energieumwandlung und Wirkungsgrad Der Maschineningenieur betrachtet die Mechanik aus einer etwas anderen Sicht als der Bauingenieur. Deshalb stehen Betrachtungen zu den Grundgrößen der Mechanik und ihre Ableitungen am Anfang.

Es ist möglich, sämtliche in der Physik auftretenden Größen auf einige wenige zurückzuführen, die voneinander unabhängig sind. Dies sind die Grundgrößen, aus denen alle anderen abgeleitet werden. Die Grundgrößen der Mechanik sind

• Länge l, s • Zeit t • Masse m

Energieübertragung und Energieumwandlung sind Wesensmerkmale von Maschinen. Diese Vorgänge erfolgen nicht verlustlos. Die auftretenden Energieverluste werden durch den Wirkungsgrad verdeutlicht.

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer Energie (nutzbarer Leistung) PNu zu zugeführter Energie (zugeführter Leistung) PZu.

Für die Leistung gilt z. B.: (1.7) Der Gesamtwirkungsgrad einer Sequenz mehrerer Aggregate im Energiefluss beträgt:

n11 ... ηηηη ⋅⋅⋅= (1.8)

wobei immer gilt η < 1. Beispiel

Ein Radplaniergerät mit einer Masse von m = 6,0 t soll bei einer Arbeitsgeschwindigkeit von v = 2 km/h Erdstoff graben und transpor-tieren. Der Maschine wird ein Arbeitswiderstand von Fa = 30 kN sowie ein Fahrwiderstand von Ff= 3 kN entgegen gesetzt.

Wie groß ist die erforderliche Motorleistung Perf bei einem Gesamt-wirkungsgrad von 70 %?

v s t km/h m s

Wirkungsgrad η

Größe = Zahlenwert * Einheit

{ } [ ]PPP ⋅=

tsv =

tsv 6,3=

Zu

NuPP

=η

v

F_

fF_

a

t -1


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1.4 Tribologie Tribologie (Reibungslehre) ist die Wissenschaft und Technik von aufeinander wirkenden Oberflächen in Relativ-bewegung. Sie befasst sich mit Reibungs-, Verschleiß- und Schmierungsvorgängen und soll aus Sicht der Industrie-anwendung Hinweise und Kenntnisse zur Lebensdauererhöhung bei sparsamem Umgang mit Ressourcen geben. Die Tribotechnik ist die Technik der Anwendung tribologischer Erkenntnisse. Abb. 1.3 Tribologisches System

(1) Grundkörper (2) Gegenkörper (3) Zwischenstoff (4) Umgebungsmedium

Die Beanspruchung eines festen Körpers durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmi-gen Gegenkörpers wird tribologische Beanspruchung genannt.

Die Reibung ist ein mechanischer Vorgang zwischen sich berührenden Körpern, der als mechanischer Widerstand ihrer Relativbewegung entgegenwirkt. Man unterscheidet

• Gasreibung • Flüssigkeitsreibung • Mischreibung • Grenzreibung • Festkörperreibung

• Haftreibung • Gleitreibung • Rollreibung • Wälzreibung

(Wälzen = Gleiten + Rollen, vgl. z. B. [1, S. 371])

Flüssigkeitsreibung spielt beim verschleißarmen Betrieb von Maschinen, z. B. in Gleitlagern, eine große Rolle. Sie ist dynamisch und stellt sich erst bei einem bestimmten Betriebsregime ein. Bei reiner Flüssigkeitsreibung hängen die Reibungsverhältnisse ausschließlich von der Schmierflüssigkeit ab.

Die Reibung zwischen festen Körpern ist ein für den Maschinenbetrieb wichtiges Phänomen. Einerseits ist sie in vielen Fällen Grundvoraussetzung für das Funktionieren von Maschinen. Andererseits führt sie zu Verschleiß und ist Ursache für Leistungsverluste sowie einen geringen Wirkungsgrad. In diesen Fällen muss sie durch besondere Maß-nahmen gering gehalten werden.

Verschleiß ist fortschreitender Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch tribologische Beanspruchung (s. ehem. DIN 50 320, vgl. auch VDI-Richtlinie 3822-5 [15]).

Verschleiß ist als Systemeigenschaft (des Tribosystems) aufzufassen, da er dem Einfluss aller System-komponenten (Gegenkörper, Zwischenstoff und Umgebungsmedium) unterliegt.

– Gleitverschleiß (Gleiten) – Wälzverschleiß (Wälzen) – Schwingungsverschleiß (Oszillieren) – Kavitationserosion (Strömen/Schwingen)

– Adhäsion – Abrasion – Oberflächenermüdung – tribochemische Reaktion

Verschleißreduzierung und Verbesserung des Wirkungsgrades sind durch konstruktive Maßnahmen (glatte Ober-flächenstruktur, geringe Flächenpressung, feste Oberfläche, gute Schmierungsbedingungen) und werkstoffseitige Maßnahmen (Wärmebehandlung, galvanische und chemische Beschichtung, Auftragsschweißen, thermisches Sprit-zen, Auftragen von Gleitlacken u. a.) sowie richtige Schmierstoffauswahl und konstruktive Gestaltung der Schmier-einrichtungen möglich.

Reibung

Verschleiß

nach der Bewegungsform nach der Kontaktart

2 4

1

3

Verschleißarten Verschleißmechanismen


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1.5 Schmierung

Aufgaben der Schmierung

• Reibungsminderung (Trennung der aufeinander gleitenden Flächen durch einen Schmierfilm) • Kühlung (Wärmeaufnahme und -abfuhr zu einer Stelle des Wärmeaustausches) • Dichtung (Ausfüllen von Spalten (an Passungen und Dichtungselementen) und Stößen (Fügestellen)) • Korrosionsschutz (Schutz metallisch blanker Oberflächen vor Zutritt korrosionsfördernder Medien) • Reinigung (Abtransport von Abrieb und Alterungsrückständen in Filter, Sümpfe oder an Magnetabscheider)

Schmierstoffe

Schmierstoffe dienen als Trennmittel zwischen zwei miteinander eine Relativbewegung ausführenden Reibpartnern, um den direkten Kontakt zwischen diesen zu verhindern und dadurch Reibung und Verschleiß zu verringern. Die richtige Auswahl des Schmierstoffes durch Maschinenhersteller oder -nutzer ist wesentlich für die Funktionsfähigkeit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Maschinen.

Im Allgemeinen unterteilt man die Schmierstoffe in

• flüssige (Schmieröle), • plastische (Schmierfette), • feste (Graphit, MoS2, Metallschichten ⇒ Lamellenstruktur).

Grundsätzliche Anforderungen an Schmierstoffe:

• Schmierfähigkeit • Alterungsstabilität • Korrosionsverhütung • Dichtungsverträglichkeit

In der Baumaschinenpraxis spielen als Schmierstoffe vor allem Motorenöle, Getriebeöle und Schmierfette eine Rolle.

Schmierpläne und Schmierdienst

Die Schmierung moderner Baumaschinen ist einerseits eine komplizierte Aufgabe und stellt hohe Anforderungen an das Personal. Andererseits treten diese Probleme in der Praxis kaum in Erscheinung, weil die Baumaschinenherstel-ler ihre Maschinen wartungsarm gestalten, z. B. durch Dauerschmierung. Oft übernimmt der Service der Bau-maschinenherstellers die entsprechenden Arbeiten. In großen Bauunternehmen gibt es u. U. einen speziellen Schmierdienst, der alle im Zusammenhang mit der Maschinenschmierung stehenden Aufgaben fachgerecht wahr-nimmt. Die Vorgaben des Herstellers hinsichtlich der einzusetzenden Schmiermittel und Schmierintervalle sind strikt einzuhalten.

Der Schmierplan enthält

– alle Schmierstellen der Maschine, – die für die einzelnen Schmierstellen zu verwendenden Schmiermittel sowie – die Zeitabstände (in Betriebsstunden, aber auch indirekt als Laufleistung, z. B. Kilometer, Doppelhübe, her-

gestellte Stück), während der die Schmierstellen zu bedienen sind. 2 Maschinenelemente 2.1 Grundbegriffe Maschinenelemente sind die Bausteine des Maschinenbaus. Sie sind zumindest in ihren Hauptabmessungen standardisiert und werden von einer speziellen Zulieferindustrie gefertigt.

Maschinenelemente kommen vor als

• Einzelteile (einfache Bauelemente) und als Schrauben, Muttern, Stifte, Federn, Splinte, • Baugruppen (zusammengesetzte Bauelemente): Motoren, Kupplungen, Getriebe, Bremsen.

Sie sind, dem Wort Element nach, zum Zeitpunkt ihrer Betrachtung oder ihres Einbaus nicht weiter zerlegbar und werden somit als ein Ganzes behandelt. Als Maschinenelemente gelten:

• Verbindungselemente, Federn, • Achsen, Wellen, Lager, • Kupplungen und Bremse, • Getriebe (mechanische, elektrische, hydraulische und pneumatische).


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2.2 Verbindungselemente Verbindungselemente sind Maschinenelemente, deren Hauptfunktion das Verbinden anderer Maschinenelemente ist. Die Verbindungselemente werden nach ihrer Lösbarkeit sowie nach der Art der Kraftübertragung klassifiziert.

• Stoffschluss beruht auf stofflichen Verbindungen durch molekulare Kräfte.

Anwendungen: Schweißen, Löten, Kleben

• Reibschluss beruht auf Reibungskräften. Eine entsprechende Normalkraft wird in den Fugen (Reibflächen) durch Verspannen (z. B. in gleitfesten Schraubverbindungen), Verkeilen oder elastische Zwischenelemente erzeugt. Teilweise werden an die Gleitflächen spezielle Forderungen gestellt. Im Versagensfalle kommt es zum Gleiten.

Anwendungen: Pressverbindung (axial oder radial beansprucht), Kegelverbindung, Spannelementverbindung, Klemmverbindung, Keilverbindung (Längskeil, Kreiskeil)

• Formschluss beruht auf dem Ineinandergreifen der zu verbindenden Elemente. Im Versagensfalle kommt es zum Bruch eines Elements.

Anwendungen: Pass- und Scheibenfederverbindung, Profilwellenverbindung, Bolzen- und Stiftverbindungen 2.3 Federn, Federnsysteme und Federungssysteme Federn können aufgrund ihrer speziellen Form und der Werkstoffelastizität Energie speichern. Sie haben vielfältige Einsatzgebiete gefunden, so zur Minderung von Stößen (auch in einem gewissen Grade zur Dämpfung), als Schwin-gungselement, zur Herstellung reibschlüssiger Verbindungen und zur Kraftmessung.

Die Federkennlinie stellt den Zusammenhang zwischen belastender Kraft F und Federweg s dar. Sie dient der Kennzeichnung des elas-tischen Verhaltens einer Feder. Abb. 2.1 Federkennlinie

(a) progressive, b) lineare, c) degressive Federkennlinie)

Beispiele:

für a): Kegelstumpffeder; Gummifeder für b): Schraubenfeder für c): Tellerfeder

Die nachstehende Klassifizierung erfolgte nach der Art der Beanspruchung der Federelemente, also aus der Sicht des Konstrukteurs. Die Belastung der Feder, die Krafteintragung, kann dabei verschieden sein.

Federnsysteme ergeben sich durch die Kombination mehrerer elementarer Federn. Mit Federnsystemen lassen sich spezielle Kennlinien erzielen.

Federungssysteme bestehen aus einer oder mehreren Federn oder Federnsystemen und Elementen der Aufhän-gung, Führung, Anlenkung, Kraft-/Wegübersetzung und Dämpfung sowie Steuerungseinrichtungen zur Beeinflussung des Federungsverhaltens des Gesamtsystems.

Stofffederung

Federn

Formfederung

Luftfedern Flüssigkeitsfedern Gummifedern

• Drehstabfedern • zylindrische

Schraubenfedern • Kegelstumpffedern

• Biegefedern • Blattfedern • zylindr. Schraubenbiegefedern • Tellerfedern • Spiralfedern

• Ringfedern

Torsion Biegung Zug-Druck

Beanspruchung auf

a) b)

c)

F

s


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2.4 Achsen, Wellen, Lager Achsen sind Tragelemente. Sie dienen der Aufnahme und Abstützung von drehenden Maschinenteilen, wie Lauf-rädern, Rollen, Seiltrommeln, Seilscheiben, Zahnrädern u. a. Sie übertragen keine Drehmomente.

Es gibt umlaufende und feststehende Achsen.

Diese können gerade oder gekröpft sein,

müssen keinen kreisrunden Querschnitt haben (auch I-Querschnitt, quad-ratischen u. a.) und können voll oder hohl ausgeführt sein.

Die Zapfen dienen der Abstützung und man untergliedert sie in

• Tragzapfen (a) (zur Übertragung von Radialkräften)

• Stütz- (b) oder Spurzapfen (c) (zur Übertragung von Axialkräften) Wellen sind Stütz- und Übertragungselemente. Sie dienen der Übertragung von Drehmomenten, stützen aber gleichzeitig die entsprechenden Bauteile ab. Man unterscheidet die Wellen

• nach ihrer Längsgestalt in gerade Wellen, gekröpfte Wellen (Kurbelwellen) und Stirnkurbeln (Sonderfall der Kurbelwelle: Kurbel- oder Hubzapfen ist fliegend angeordnet),

• nach ihrer Beweglichkeit in starre Wellen, biegsame Wellen und winkelbewegliche Wellen (Gelenkwellen), • nach ihrer Quergestalt in Vollwellen, Hohlwellen und Profilwellen (Keilwellen).

Lager sind Tragelemente, die folgende Aufgaben/Anforderungen erfüllen sollen:

– Abstützung und Lagesicherung von Bauteilen mit drehender oder pendelnder Bewegung, – Aufnahme und Weiterleitung der Axial- und Radialkräfte von den zu lagernden Bauteilen, – Gewährleistung verschleiß- und reibungsarmer Drehbewegungen und Ableitung der Reibungswärme, – Wartungsarmut oder -freiheit.

Achsen und Wellen müssen an ihren Lagerstellen gut abgedichtet werden, um

– das Austreten des Schmierstoffes – das Eindringen von Schmutz und Wasser

zu verhindern. Man unterscheidet z. B. folgende Dichtungselemente:

Umfangreiche Informationen zu Dichtungen unter: http://www.busakshamban.de/ (Abruf vom 20.3.2006)

2.5 Wellenkupplungen und Bremsen Mit Wellenkupplungen (nachfolgend nur noch „Kupplungen“) werden aneinanderstoßende Wellen verbunden und vor allem Drehmomente zwischen diesen übertragen. Kupplungen können (einschließlich der o. g. Hauptfunktion) fol-gende Aufgaben erfüllen:

– Drehmomente und Bewegungen übertragen, – Kraftfluss trennen und wiederherstellen, – Anlaufen von Kraftmaschinen ermöglichen, – axiale und radiale Lageungenauigkeiten, Relativbewegungen und Winkel ausgleichen, – Stöße mindern und Schwingungen dämpfen, – Drehmomente begrenzen, – bei Überschreitung bestimmter Kräfte den Kraftfluss unterbrechen (Schutzfunktion), – eine bestimmte Drehrichtung gewährleisten.

Druckdichtungen

• berührungsfreie Dichtungen • Fettrillendichtung • Labyrinthdichtung ...

• schleifende Dichtungen • Filzringdichtung • Radialwellendichtring • Gleit(Schleif)ringdichtung ...

• Stopfbuchsen • Runddichtungen (O-Ringe)

a) b) c)

Schutzdichtungen


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Bremsen dienen der Verzögerung oder Verhinderung von Bewegungen an Maschinen durch Umwandlung mechani-scher Energie mittels Reibung in Wärme. In ihrer grundsätzlichen Funktionsweise stimmen die Bremsen mit den asynchron schaltbaren Kupplungen überein. Nur der Kraftfluss verläuft entgegengesetzt.

Klassifikation der Bremsen

• nach dem Wirkprinzip:

• Reibbremsen ⇒ mechanische Reibung • Strömungsbremsen ⇒ Strömung in Flüssigkeiten und Gasen • Induktionsbremsen ⇒ elektromotorische Kraft

• nach ihrer Einsatzart:

• Regelbremsen (ermöglichen Einhaltung einer bestimmten Wellendrehzahl) • Stoppbremsen (Verminderung der Bewegung in kurzer Zeit bis zum Stillstand) • Haltebremsen (verhindern unbeabsichtigtes Anlaufen einer Welle aus dem Stillstand) • Leistungsbremsen (Bremsen unter Last über eine längere Zeit hinweg) • Nutzbremsen (mit Energierückgewinnung – Rekuperation)

• nach ihrer Betätigung

• mechanisch (direkt oder über Übersetzungsmechanismus) • servounterstützt (hydraulisch, pneumatisch, elektromechanisch, elektrohydraulisch) • selbsttätig (z. B. durch Fliehkraft, Schwerkraft, Federkraft) • automatisiert (Brake by wire, Bremsassistent)

2.6 Mechanische Getriebe

2.6.1 Allgemeines

Getriebe sind komplexe Maschinenelemente zur Umwandlung der von der Kraftmaschine ausgehenden Bewegun-gen und Kräfte in die für die Arbeitsmaschine erforderliche Form und Größe.

Klassifikation

• nach der Art der Kraftübertragung

• Kraftschluss ⇔ Formschluss

• nach der Art der Triebe

• Rädergetriebe (Reibrad Zahnrad) • Zugmittelgetriebe (Ketten Riemen) • Koppelgetriebe (Kurbel, Schwinge, Schubgelenk...) • Kurvengetriebe • Gesperre und Gehemme • Hydraulische und elektrische Getriebe

• nach der Übersetzung

• fest • stufenweise veränderbar • stufenlos veränderbar (Variatoren)

Getriebe werden aus einzelnen Trieben zusammengesetzt. Bei einfachen Übersetzungen spricht man von Trieben. Meint man die ausgeführte Baugruppe (also einschließlich Gehäuse, Lagern, Dichtungen usw.) oder die Kombination mehrerer Triebe in einem Mechanismus, so spricht man von Getrieben.

Die Bewegungs- und Leistungsübertragung erfolgt in Getrieben nach folgenden Grundformeln (die im speziellen Einzelfall anders aussehen können):

1

2

1

2

2

1zz

DD

nni ±=±=±=

Pprim - Eingangsleistung (Primärleistung), η - Wirkungsgrad,

Übersetzungsverhältnis i

Leistungsübertragung:

= Verhältnis der Drehzahlen in Richtung des Kraftflusses

± charakterisiert die Dreh- bzw. Bewegungsrichtung

n1 - Primärdrehzahl, n2 - Sekundärdrehzahl

∏⋅= iprimsek ηPP


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2.6.2 Zahnradtriebe

Je nach Lage der Wellen des Zahnradtriebes entstehen unterschiedliche Bauformen, die zudem noch durch verschiedene Zahngestaltung ausgeprägt werden können: a) b) c) d) e) f) g)

Abb. 2.2 Beispiele für Zahntriebe a) Stirnradtrieb (geradverzahnt), b) Stirnradtrieb (schräg verzahnt), c) Stirnradtrieb (innen verzahnt), d) Kegelradtrieb, e) Schraubenradtrieb, f) Schneckenradtrieb, g) Hypoidtrieb

Getriebe mit festen Übersetzungen und festen Achsen beinhalten mindestens einen Zahnradtrieb, Gehäuse, Lager, Dichtungen und Schmiereinrichtungen. Sie werden ein- und mehrstufig ausgeführt und finden als Standardbaugrup-pen in vielen Baumaschinen Anwendung. Sie werden dort eingesetzt,

– wo die Drehzahl konstant übersetzt werden muss, – wo eine Leistungsverzweigung stattfinden soll oder – wo eine Drehbewegung auf eine andere Welle übertragen werden soll.

Umlaufrädergetriebe stellen eine besondere Getriebeform dar, bei der ein Teil der Wellen nicht fest im Gehäuse gelagert ist, sondern (als Achsen) umlaufen.

Die darauf liegenden Zahnräder umkreisen ein zentrales Zahnrad wie Planeten die Sonne. Deshalb nennt man diese Getriebe auch Planetengetriebe. Umlaufrädergetriebe erlangten bis heute, vor allem in unter Last schalt-baren Getrieben und zur Erzielung sehr großer bzw. sehr kleiner Übersetzungsverhältnisse, eine besondere Bedeutung. Sie finden in Baumaschinen und Fahrzeugen auch als Ausgleichsgetriebe, ein weites Anwen-dungsfeld.

Schaltgetriebe (handgeschaltete Wechselgetriebe) gestatten das Verändern des Übersetzungsverhältnisses in fest-stehenden Stufen.

Beim Schalten muss der Kraftfluss unterbrochen werden, um formschlüssige Kupplungselemente oder den Zahneingriff zu betätigen. Das ist besonders bei LKW und Baumaschinen von Nachteil. Power-Shift-Getriebe (Lastschaltgetriebe), die mit robusten servogesteuerten kraftschlüssigen Schaltkupplungen arbeiten, gestatten den Schaltvorgang ohne Kraftflussunterbrechung.

Automatische Getriebe sind Schaltgetriebe, bei denen der Schaltvorgang abhängig von bestimmten Betriebs-parametern halb- oder vollautomatisch erfolgt.

– Halbautomatische (automatisierte) Getriebe unterbrechen den Kraftfluss selbstständig (Auskuppeln); der Gang-wechsel wird von Hand eingeleitet.

– Vollautomatische Getriebe ermöglichen die selbsttätige Auswahl der Übersetzung und führen den Schaltvor-gang automatisch ohne Zugkraftunterbrechung durch.

In der Regel sind gestufte Automatikgetriebe in LKW oder Baumaschinen als hydrodynamische Lastschaltgetriebe ausgebildet. Ihr Nachteil ist (im Regelfall – es gibt auch schon Ausnahmen!) der höhere Kraftstoffverbrauch, vor allem bedingt durch den eingebauten Wandler. 2.6.3 Zugmittelgetriebe

Zugmittelgetriebe werden durch umlaufende flexible Übertragungselemente (Riemen und Ketten) realisiert. Ihre Vor-teile sind die Leistungsübertragung zwischen Wellen beliebiger Achsabstände mit geringem Aufwand sowie die einfache Möglichkeit der Leistungsverzweigung.

parallele Wellen sich schneidende Wellen sich kreuzende Wellen

Stirnradtriebe Kegelradtriebe Schraubenradtriebe Schneckenradtriebe Hypoidtriebe


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In Riementrieben erfolgt die Kraftübertragung durch Reibung. Zur Herstellung des Kraftschlusses muss im Riemen eine Vorspannung erzeugt werden, die zu entsprechenden Normalkräften an den Reibpaarungen führt.

• Vorteile der Riementriebe:

– Dämpfung von Stößen durch Elastizität der Riemen – gewisser Schutz vor Überlastung (Kraftschluss ⇒ Schlupf) – geräuscharmer Lauf

• Nachteile der Riementriebe:

– Schlupf – Riemenvorspannung belastet Achsen und Wellen

Flachriemen bestehen aus gegerbtem Rindleder, Textilmaterialien oder Verbundwerkstoffen und besitzen einen flachen rechteckigen Querschnitt. Sie verfügen über eine große Reibungsfläche und sind sehr flexibel, so dass kleine Riemenscheibendurchmesser möglich sind. Von Nachteil sind der große Platzbedarf und die relativ große erforderli-che Vorspannung.

Keilriemen sind in modernen Maschinen weit verbreitet. Durch die Keilwirkung zwischen Riemen und Scheibe ist die übertragbare Leistung größer, und man kommt mit kleineren Vorspannkräften aus. Das führt zu einer geringeren Biegebeanspruchung der Wellen und teilweise zum Wegfall spezieller Vorspannvorrichtungen. Ihr geringer Schlupf führt zu einem guten Wirkungsgrad. Er beträgt fast 100 %. Mit Keilriementrieben können Übersetzungsverhältnisse bis i = 15 erreicht werden.

Kettengetriebe entstehen durch das Zusammenwirken einer Kette mit zwei oder mehreren Kettenrädern. Sie über-tragen die Kräfte durch Formschluss und somit ohne Schlupf, besitzen aber im Gegensatz zu Zahntrieben eine gewisse Elastizität. Man kann auch ohne Zwischenräder große Achsabstände überbrücken. Die Achsen müssen aber hinreichend parallel angeordnet sein. Kettentriebe sind im Betrieb sehr robust, sie laufen selbst unter solchen Bedingungen, unter denen Riemen- und Zahntriebe versagen (Landwirtschaft, Baumaschinen), noch einwandfrei.

• Vorteile der Kettentriebe

gegenüber den Riementrieben:

– keine Vorspannung erforderlich ⇒ geringere Lagerbeanspruchung – schlupffreie Arbeit – Drehrichtungsumkehr durch zweiseitiges Kämmen – können bei höheren Betriebstemperaturen arbeiten – nehmen höhere Stoßenergien auf

gegenüber Zahntrieben

– Überbrückung größerer Achsabstände – geringere Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung

• Nachteile der Kettentriebe

– Ungleichförmigkeit der Kraftübertragung – Schwingungsdämpfung erforderlich – geringere Umfangsgeschwindigkeit – teurer

2.6.4 Stufenlos verstellbare mechanische Getriebe

Stufenlos verstellbare mechanische Getriebe (Variatoren, mechanische stufenlose Drehzahlwandler) arbeiten in der Regel nach dem Prinzip des Kraftschlusses, also mit Rie-men, Lamellenketten, Rollenketten (kraftschlüssig, anders konstruiert als „herkömmliche Rollenketten“) oder Reibrädern als Übertragungselementen.

Gegenwärtig arbeitet man daran, stufenlose Getriebe mit formschlüssigen Übertragungselementen auszustatten, die dennoch ein ruckfreies Übertragen größerer Leistungen ermöglichen. Bis jetzt finden sie in Automatikgetrieben von PKW und Kleintraktoren (mit Stahlschubgliederband) Anwendung.

Abb. 2.3 Beispiel Globoidgetriebe [4, S. 569]


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2.6.5 Weitere Getriebearten

Ebene Koppelgetriebe, auch Kurbel-, Gelenk-, Hebel- oder Lenkergetriebe genannt, besitzen mindestens vier starre Glieder, die durch Dreh- oder auch Schubgelenke (ebene Gleitgelenke) miteinander verbunden sind. Alle Koppelgetriebe enthalten mindestens eine starre Koppel. Die Punkte der Koppel beschreiben Koppelkurven. Kurbel-getriebe besitzen die Eigenschaft, die Bewegungsgeschwindigkeit ständig zu ändern und bieten ungeahnte Möglich-keiten, Bewegungen zu erzeugen (vgl. z. B. VDI-Richtlinie 2740-2 [14]).

Kurvengetriebe finden im Maschinenbau, z. B. als

– Nockensteuerung – Kurvensteuerung

eine breite Verwendung, weil man mit ihrer Hilfe komplizierte, periodisch wiederkehrende, auch von längeren Rast-zeiten unterbrochene, Bewegungen erzeugen kann.

Werke sind (in der Getriebetechnik) Mechanismen, in denen durch willkürliches oder angesteuertes Auslösen eines Schaltgliedes potentielle Energie freigeben und für die Bewegung des Abtriebsgliedes genutzt wird. Zwischen der Antriebs- und Abtriebsfunktion besteht kein gesetzmäßiger Zusammenhang (Übertragungsfunktion). Werke enthalten in der Regel ein Gesperre oder Gehemme:

– Gesperre verhindern eine Bewegung, – Gehemme behindern eine Bewegung.

3 Maschinen 3.1 Einführung

Maschinen sind mit Fremdenergie betriebene Arbeitsmittel, die über zwangsläufig bewegte Teile Arbeit ver-richten oder Energie überführen.

Die Maschinen sind eindeutig von den Geräten zu unterscheiden, die ohne Energiezufuhr auskommen und mit Muskelkraft betrieben werden.

Kraftmaschinen dienen der Erschließung elektrischer, hydraulischer oder chemischer Energien (die in entsprechenden natürlichen „Energieträgern“ enthalten sind) durch ihre Umwandlung in mechani-sche Energie mittels spezieller Verfahren.

Arbeitsmaschinen sind Maschinen, die mit Hilfe zugeführter Energie mechanische Arbeit verrichten. Sie dienen der mechanisierten Ausführung von Fertigungsprozessen und substituieren dadurch die menschliche (manuelle) Arbeit.

Die von Arbeitsmaschinen verrichteten Prozesse sind oft nur noch historisch als menschliche Tätigkeit erkennbar. Dank der Maschinen sind diese Prozesse wirtschaftlich, mit der erforderlichen Qualität und in entsprechendem Umfang durchführbar.

Kraft- und Arbeitsmaschinen werden durch Antriebselemente miteinander gekoppelt und aneinander angepasst.

Die Antriebstechnik als technische Disziplin untersucht das bei der Energieumformung, -übertragung und -speicherung stattfindende Zusammenwirken der verschiedenen Elemente einer Maschinenanlage und stellt die theoretischen und technischen Grundlagen zur Lösung der damit im Zusammenhang stehenden Aufgaben bereit. Ihr ist speziell das Kapitel 3.4 gewidmet.

Maschinen

Kraftmaschinen

Arbeitsmaschinen


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3.2 Verbrennungsmotoren Verbrennungsmotoren sind Kolben-Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung, die zyklische Verbren-nungsvorgänge in einem abgeschlossenen Raum realisieren. Man kann man sie wie folgt klassifizieren:

• nach der Art der Maschine (Dieselmotor, Ottomotor, Hybridmotor)

Hybridmotoren besitzen die Merkmale des Diesel- und Ottomotors. Sie können verschiedene Kraftstoffe nutzen (Vielstoffmotor); der Wirkungsgrad wird verbessert und der Schadstoffausstoß verringert.

• nach dem Arbeitsverfahren (Zweitaktverfahren, Viertaktverfahren)

• nach der Bauform (ohne Sonderbauformen)

• nach der Lage der Zylinder (stehend, liegend, geneigt)

• nach der Art der Kühlung (Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, kombinierte Kühlung (z. B. Öl-Luft) als „integ-rierte Kühlung“)

• nach der Drehrichtung der Kurbelwelle (bei Sicht auf die der Kraftabgabe gegenüberliegende Seite)

In Baumaschinen werden fast ausschließlich Dieselmotoren verwendet. Dieselmotoren besitzen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades gegenüber Ottomotoren merkliche Vorteile bezüglich Kraftstoffverbrauch und Umwelt-belastung durch CO2-Ausstoß, jedoch noch deutliche Nachteile bei der Stickoxid- und Rußpartikel-Emission. Die Feinstpartikeln im Bereich 10 bis 500 nm sollen eine hohe Krebs erzeugende Wirkung besitzen.

Aufbau eines Dieselmotors

Betriebsverhalten der Dieselmotoren

Das Betriebsverhalten der Dieselmotoren wird durch eine Reihe technischer und wirtschaftlicher Parameter charak-terisiert. Die wichtigsten Parameter sind:

Nutzleistung ist die Leistung, die bei entsprechender Drehzahl an der Kurbelwelle oder einer Hilfseinrich-tung (Getriebe – dann aber unter Hinzufügung von dessen Verlustleistung) abgenommen werden kann.

Nennleistung1 ist die größte Nutzleistung eines Motors unter Volllastbedingungen.

Bei Leistungsangaben ist immer die zugrunde liegende Norm zu beachten, da sie Leistungskorrekturen bein-haltet (physikalische Umgebungsbedingungen, angebaute Aggregate).

Das Drehmoment eines Motors wird an der Kraftabtriebsseite (Schwungscheibe) abgenommen. Es ist gemeinsam mit der Drehzahl ein Merkmal der Kraftentfaltung des Motors.

Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist eine komplexe technisch-wirtschaftliche Kenngröße, in der der Kraft-stoffverbrauch auf eine Einheit der abgegebenen Leistung bezogen ist.

1 Als Nennleistung wird die vom Hersteller angegebene maximal zulässige Dauerabgabeleistung eines Gerätes

oder einer Anlage bezeichnet – vgl. Angaben auf dem Leistungsschild (vgl. DIN 42961). Üblicherweise ist beim Betrieb mit Nennleistung der Wirkungsgrad maximal.

Hauptbaugruppen

• Kurbelgehäuse • Zylinderblock • Zylinderkopf • Triebwerk (mechanisches System) • Ventilsteuerung

Systeme

• Kraftstoff- und Einspritzanlage • Ansaug- und Aufladesystem • Regelung • Kühlsystem • Schmiersystem • Anlasseinrichtung

Motorleistung P

Drehmoment M

Spezifischer Kraftstoffverbrauch be

Einkolben-Arbeitseinheit

• U-Motor • Gegenkolbenmotor

• Reihenmotor • V-Motor • Sternmotor

Mehrkolben-Arbeitseinheit


– 13 –

Die Kenntnis der abgegebenen Leistung (P = M ⋅ ω) allein genügt im Allgemeinen nicht, um zu einer Aussage über die Eignung eines Motors für bestimmte Antriebszwecke zu gelangen. Drehmoment und Drehzahl geben in ihrem Zusammenhang gewissermaßen Auskunft über die „Qualität“ der Leistung. Das Betriebsverhalten von Motoren lässt sich am besten anhand von Motorkennlinien analysieren, die die Darstellung der wichtigsten Betriebsparameter (Drehmoment, Leistung, Kraftstoffverbrauch, Abgastemperatur) des Motors in ihrem funktionalen Zusammenhang (meist abhängig von der Drehzahl) beinhalten. Man verwendet zur Darstellung auch Kennfelder, die zugleich meh-rere Parameter berücksichtigen.

Aus der Drehzahlcharakteristik ist zu erkennen, dass der Dieselmotor (wie auch der Ottomotor) durch einen Anlasser auf eine bestimmte Anlassdrehzahl gebracht werden muss bevor er selbständig weiter läuft. Die Drehmomentabgabe ist erst ab der unteren Leerlaufdrehzahl nu möglich. Ein Dieselmotor kann auch durchgehen. Deshalb muss er (auf eine maximale Leerlaufdrehzahl = obere Leerlaufdrehzahl no) abgeregelt werden, auch um Schäden durch zu hohe Geschwindigkeiten der schweren Baugruppen zu vermeiden.

Abb. 3.1 Motorkennlinien eines Dieselmotors (MK – Kippmoment)

Abgasbestimmungen

Abgase sind gesundheits- und umweltschädlich. Dieselabgase enthalten Dieselruß, der hauptsächlich aus Kohlen-stoffpartikeln (Particulate Matter = PM) mit angelagerten Kohlenwasserstoffen besteht. Diese Kleinstteilchen dringen aufgrund ihrer geringen Größe – deutlich kleiner als 1 Mikrometer Durchmesser – beim Einatmen tief in die Lunge ein.

Dieselmotorabgase sind nach § 35 Abs. 4 GefStoffV als krebserregend eingestuft. Es gibt als Arbeitsschutzvorschrift die

Technische Regeln für Gefahrstoffe (TRGS 554): „Dieselmotoremissionen (DME)“

Diese TRGS enthält Schutzmaßnahmen für Arbeitsbereiche in denen DME auftreten können. Sie schreibt in Arbeitsräumen eine TRG von 0,1 mg/m3 und im Nichtkohlebergbau unter Tage eine TRG von 0,3 mg/m3 vor.

Die ersten Abgasbestimmungen entstanden mit der EG-Richtlinie 70/220/EWG. Damals wurden nur die gasförmigen Bestandteile aus Dieselmotoren für den Antrieb von Fahrzeugen ab 3,5 t zulässige Gesamtmasse reglementiert. Ab 1996 gilt die Abgasnorm Euro 2. Tab. 3.1 Beispiel für Abgas-Grenzwerte: Diesel-Nutzfahrzeuge ab 3,5 t zul. Gesamtmasse

Schadstoffgehalt (g/kWh)

Euro 0 (1988)

Euro 1 (1992/93)

Euro 2 (1995/96)

Euro 3 (1.1.2002)

Euro 4 (2005)

Euro 5 (2008)

NOx HC CO Partikel

14,4 3,5 14 –

8,0 1,1 4,5

0,36

7,0 1,1 4,0

0,15

5,0 0,66 2,1 0,1

3,5 0,46 1,5

0,02

2 0,46 1,5

0,02 Partikeln und NOx sind die kritischsten Bestandteile des Schadstoffcocktails. Das Problem ihrer Beherrschung ist ein physikalischer Zielkonflikt der Motorentwicklung. Senkt man die Verbrennungstemperatur ab, so sinkt der NOx-Ausstoß zwar, aber der Gehalt an Partikeln (= unverbrannte Kohlenstoffe mit angelagertem HC, also Ruß) nimmt zu. Umgekehrt erzielt man bei hohen Temperaturen einen geringen Partikelgehalt aber einen hohen NOx-Ausstoß.

Zudem erreicht man einen hohen Wirkungsgrad und demzufolge günstigen Verbrauch nur bei hohen Temperaturen (also viel NOx). Um den NOx-Ausstoß zu senken spritzt man den Kraftstoff in kürzester Zeit mit Höchstdruck (weit über 100 MPa) ein – das wiederum verursacht Lärm!

Die außermotorische Abgasnachbehandlung verfolgt u. a. das Ziel, den Motor verbrauchsoptimal einstellen zu können, um somit die Senkung des CO2-Ausstoßes bei nicht erhöhter NOx- und Partikel-Emission zu erreichen.

Die Reinigung erfolgt 3-stufig:

– Oxidations-Katalysator zur Nachverbrennung von HC, CO, Teil des NO und einem Großteil der Partikel, – Partikelfiltersystem (ohne und mit Regeneration (CRT = Continuously Regenerating Trap)), – DeNOx-Kat reduziert mit Hilfe von Ammoniak die NOx-Verbindung zu N2, O2 und Wasser. (SCR = Selektive

Catalytic Reduction).

M n( )

no n

b ne( )

M b, e

nu

MK1/1

1/1

3/4

3/4

1/2

1/2

1/4

1/4

Regler-kennlinie(Abregeln)

K


– 14 –

Mit der außermotorischen Nachbehandlung kann der physikalische Zielkonflikt zwischen NOx-Emission und Verbrauch durchbrochen werden. Durch die Funktionsteilung kann die innermotorische Verbrennungseinstellung wieder verbrauchsoptimiert erfolgen, während der externe Katalysator die Aufgabe der NOx-Reduktion übernimmt.

Aber auch auf anderen Wegen sollen und müssen die Partikel-Emissionen gesenkt werden, so

– z. B. durch Herabsetzen der Selbstendzündungstemperatur des Rußes von 600 °C auf 35 °C durch Zugabe kleinster Dosen eines Additivs aus einer Eisenverbindung (Ferrocen) zum Kraftstoff (60 Millionstel Liter pro Liter Diesel)

– oder durch Zugabe von Wasser zum Dieselkraftstoff (z. B. ELF AQUITAINE erprobt ein Gemisch AQUAZOLE. Effekt: 30 % weniger Stickoxide, 80 % weniger Ruß) – Anwendung aber nur bei Flotten

– gekühlte Abgasrückführung: das Abgas wirkt wie ein Inertgas, es senkt die Verbrennungstemperatur und damit die NOx-Emission.

Entwicklungstendenzen von Dieselmotoren

Immer wieder wurden alternative Konzepte untersucht, entwickelt und in Serie gebracht. Doch der Hubkolbenmotor wird auch in naher Zukunft als aufgeladener Dieselmotor das verbrauchsgünstigste Konzept darstellen. Ausgehend von mittelschnelllaufenden Motoren werden Hochaufladung mit weiter verbesserten Aufladesystemen Leistung und Drehmoment weiter steigern und den Kraftstoffverbrauch weiter absenken. Niedrigste Emissionen werden entspre-chend den bevorstehenden strengen Abgasgrenzwerten für alle kommerziellen Einsatzbereiche mit zunehmendem Einsatz von elektronischer Regelung und in manchen Fällen von komplexen Abgasnachbehandlungssystemen erreicht werden.

Das Problemfeld Wirtschaftlichkeit und Ökologie beherrscht die aktuelle Motorenentwicklung. Partikeln und NOx sind die kritischsten Bestandteile des Schadstoffcoctails. Dank der Weiterentwicklung der elektronischen Steue-rungstechnik aber auch der Mechanik und Hydraulik sind völlig neue Lösungen in greifbare Nähe gerückt (z. B.: frei ansteuerbare Magnetventile für die Kraftstoffeinspritzung unter hohen Drücken und ein Motormanagement, das auf der Auswertung zahlreicher Betriebsdaten in Prozessrechnern – Kennfeldsteuerung – beruht). Sie werden, vor allem auch aufgrund der in vielen Ländern extrem verschärften Abgasbestimmungen, bald Standard sein. Motoren mit herkömmlichen Kraftstoffanlagen wird es dann kaum noch geben.

Markante Entwicklungsstufen sind:

– Elektronisch geregelte Verteilerpumpen (BOSCH) – PDE - Pumpe-Düse Einheit (> 200 MPa Einspritzdruck) – Common Rail (Verteilerleiste) ⇒ Speichereinspritzung (ca. 120 bis 150 MPa)

Man spricht heute nicht mehr von Regelung, sondern vielmehr vom modernen Motormanagement, in dem in einem Echtzeit-Prozessrechner eine Vielzahl von Parametern ausgewertet und als verschiedene Stellgrößen wieder ausge-geben werden.

EEC (Electronic Engine Controller) bietet die Möglichkeit, das Motormanagement über CAN (Controller Area Network) mit der Steuerung der anderen Maschinenkomponenten zu verbinden. Dieselmotoren für Baumaschinen

In Baumaschinen dominieren Dieselmotoren, die nach dem Viertaktverfahren arbeiten. Wirtschaftlichkeit, Robustheit, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sind deren Vorteile, die sie für Baumaschinen besonders geeignet machen.

Auf Dieselmotoren in Baumaschinen kommen besonders ausgeprägt folgende Belastungen zu:

Extremsituationen

– Spritzwasser/Feuchtigkeit, hoher Staubbefall – extreme Umgebungstemperaturen – Dauerbetrieb bei extremen Neigungen bis 20 ° seitlich

bis 25 ° in Längsrichtung

daraus folgende spezifische Anforderungen

– geeignete Luftfilter – optimale Motor- und Schmierölkühlung – Kapselung – leicht zu reinigende Motoroberfläche


– 15 –

3.3 Elektromotoren Der elektrische Antrieb hat in der Baumaschinen- und Fördertechnik eine große Bedeutung erlangt. Er besteht im Wesentlichen aus:

– Elektromotor als Energiequelle – Getriebe zur Anpassung an die Arbeitsmaschine – Zuleitungen – Steuerungs- und Schutzeinrichtungen

Elektromotoren nutzen die elektromotorische Kraft zur Erzeugung mechanischer Energie aus der elektrischen Ener-gie. Sie sind, genau genommen, Energieumwandler der zweiten Stufe. Die erste Stufe beinhaltet die Gewinnung der Sekundärenergie (Elektroenergie) aus der Primärenergie (natürliche Energieträger) im Kraftwerk (oder auch im örtli-chen Stromerzeuger).

Vorteile des elektromotorischen Antriebs gegenüber Verbrennungsmotoren:

– Anlaufen unter Last ist möglich – geräusch- und vibrationsarmer Lauf, keine Emission von Luftschadstoffen – geringeres Gewicht, bezogen auf die Leistung – Sauberkeit (keine „Betriebsstoffe“) – einfache Energiezuleitung, gute bauliche und betriebliche Anpassungsmöglichkeiten – problemlose Einbindung in regelungs- und automatisierungstechnische Anlagen – hoher energetischer Wirkungsgrad

Nachteile:

– Abhängigkeit vom Elektroenergienetz, ggf. umständliche Energiezuleitung – begrenzte Einsatzdauer bei Verwendung von Energiespeichern – Gefahren durch die elektrische Spannung

Einteilung der Elektromotoren nach ihrem Betriebs-verhalten:

1 Synchronverhalten 2 Nebenschlussverhalten 3 Reihenschlussverhalten

Abb. 3.2 Arten von Elektromotoren nach dem Betriebs-

verhalten Es kommen sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrommotoren zum Einsatz. Hier soll stellvertretend nur der einfachste und verbreitetste Motor, der Drehstromasynchronmotor, behandelt werden.

Die einfachste Bauart kommt zustande, wenn ein Metallkäfig in ein magneti-sches Drehfeld gebracht wird. Durch den in diesem Käfig induzierten Strom wird ein Magnetfeld aufgebaut, und es wirken elektromotorische Kräfte. Das ist das Grundprinzip des Drehstrom-Asynchronmotors mit Kurzschlussläufer, den man deshalb auch Induktionsmotor nennt.

Drehzahl:

n - Drehzahl in U/min p - Anzahl der magnetischen Polpaare f - Frequenz in Hz s - Schlupf gegenüber dem synchronen Drehfeld, praktisch 2 ... 6 %, also 0,02 ... 0,06

Einheitliche Benennung der Bauteile elektrischer Maschinen:

Ständer = Gehäuse aller elektrischen Maschi-nen

Läufer = in der Ständerbohrung um-laufender Körper

Anker = Wicklung, in der die elektrische Leistungsumsetzung erfolgt

Ständer

Läufer

12

3

Drehmoment M

Dre

hzah

l n

( )sp

fn −= 160


– 16 –

Die Drehzahl stellt sich, bedingt durch den Schlupf, belastungsabhängig ein. Die Rotorumdrehungen bleiben hinter dem Drehfeld zurück. Deshalb heißen die Motoren auch Asynchronmotoren. Die Drehrichtung lässt sich durch das Vertauschen zweier Phasen umkehren.

Nach der oben genannten Formel ist die Drehzahl nur sinnvoll (verlustfrei) zu beeinflussen:

– über die Anzahl der Polpaare ⇒ Polumschaltung – über die Frequenz ⇒ Frequenzumrichtung (FU)

Die Frequenzumrichtung mit Hilfe der Leistungselektronik hat heutzutage völlig neue Möglichkeiten der Antriebs-technik von Baumaschinen und Fördertechnik eröffnet, wie verlustfreies stufenloses Stellen der Drehzahl sowie weiches Anfahren und Bremsen.

Wesentliches Charakteristikum für das Betriebsverhalten eines Elektromotors ist seine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie. Im gleichen Diagramm zeigt die Stromstärkenkennlinie die Belastung des Netzes im gegebenen Betriebs-zustand.

Abb. 3.3 Kennlinien des Drehstrom-Asynchronmotors mit Kurzschlussläufer

Ma - Anlaufmoment Ms - Sattelmoment Mk - Kippmoment MB - Belastungsmoment ns - Synchrondrehzahl i - effektiver Momentanstrom P - Betriebspunkt

Aus der Stromkennlinie in Abb. 3.3 ist ersichtlich, dass beim Anlaufen ein hoher Strom aus dem Netz entnommen wird:

– bis zu NennAnl 5,6 II = bei relativ kleinen Motoren – ( )NennAnl 5,5 ... 5,4 II = bei größeren Motoren.

Deshalb soll der Anlauf möglichst ohne Last erfolgen. Mit folgenden Mitteln kann man den Anlaufstrom zu redu-zieren:

– Stern-Dreieck-Umschaltung (für Drehstromkurzschlussläufermotoren mit 4 ... 12 kW), – Anlauf mit Anlassvorrichtung (für große Drehstrommotoren mit Schleifringläufer), – Kurzschlusssanftanlauf (beim Anlauf: Kusa-Widerstand in einem Leiter), – FU-Technik (s. oben).

Aus wirtschaftlichen Gründen sind viele Elektromotoren für eine bestimmte Belastung in einem ganz bestimmten Be-triebsregime ausgelegt, um die Erwärmung der Wicklung zu begrenzen (Betriebsarten). Die Nennbetriebsart muss auf dem Leistungsschild des Motors angegeben sein. Fehlende Angabe bedeutet Auslegung auf Dauerbetrieb. 3.4 Antriebstechnik

3.4.1 Zusammenwirken von Kraft- und Arbeitsmaschine

„Zu den häufigsten Aufgaben des Maschinenbaus gehört die Verbindung zweier verschiedenartiger Maschinen mit-einander. ... Es kann sich hierbei um Maschinen mit ganz verschiedenen Kennlinien handeln, die bei gegebenen, vorher bestimmten Standorten so miteinander zu koppeln sind, dass sie beide mit möglichst bestem Wirkungsgrad geräusch- und erschütterungsarm arbeiten. Zur Lösung derartiger Aufgaben steht eine große Anzahl von Maschi-nenelementen zur Verfügung, die man in der neueren Zeit unter der Bezeichnung „Antriebselemente“ zusammen-gefasst hat. Auch hat sich für das Wissensgebiet, das sich mit der Lösung derartiger Probleme befasst, der Name Antriebstechnik eingebürgert [4, S. 17].“

Die Antriebstechnik ist Bindeglied zwischen Kraft- und Arbeitsmaschine. Sie dient der Energieumformung, Energie-übertragung und auch -speicherung. Als anwendungsorientiertes Arbeitsgebiet untersucht sie das bei der Energie-umformung, -leitung und -speicherung stattfindende Zusammenwirken der verschiedenen Elemente einer Maschinen-anlage und stellt die theoretischen und technischen Grundlagen zur Lösung der damit im Zusammenhang stehenden Aufgaben bereit.

ns

Mk

Ms

Ma

I0 > 0

MB

In

n

i , M

M

P

K

S

In i

1

Kennlinie der Arbeitsmaschine


– 17 –

Eingangsbewegung in eine Arbeitsmaschine ist in der Regel eine Drehbewegung. Deshalb wird die Leistung, die eine Arbeitsmaschine in einem bestimmten Moment benötigt, in den meisten Fällen durch Drehmoment und Win-kelgeschwindigkeit beschrieben. Bei einer bestimmten Leistung bedeuten

ein großes Moment M eine kleine Drehzahl n ⇒ schwere Maschine, ein kleines Moment M eine große Drehzahl n ⇒ leichte Maschine.

Moderne Maschinen folgen dem Grundsatz des Leichtbaus und erzeugen das benötigte hohe Drehmoment erst auf der letzten Etappe der Energieübertragung. Die Antriebsleistung, die eine Arbeitsmaschine benötigt, muss – unter Berücksichtigung der Übertragungsverluste im Antriebsstrang – von der Kraftmaschine bereitgestellt werden:

Für das Zusammenwirken von Kraft- und Arbeitsmaschine gilt die Bewegungsgleichung Für alle Beschleunigungsvorgänge gilt: Damit Kraft- und Arbeitsmaschine stabil zusammenarbeiten und sich ein (stationärer) Betriebspunkt P einstellen kann, sind ganz bestimmte Voraussetzungen zu erfüllen, die hier nicht weiter beschrieben werden sollen. Der Maschinenbauer muss die Kennlinien von Kraft- und Arbeitsmaschine gut aufeinander abstimmen. In modernen Systeme, vor allem bei Anwendung moderner mechatronischer Lösungen, spricht man vom Antriebsstrangmana-gement. Abb. 3.4 gemeinsames Betriebsverhalten von Kraft-

und Arbeitsmaschine

Anpassung

• geometrisch ⇒ Lage • kinematisch ⇒ Bewegungen • dynamisch ⇒ Kräfte

Energie/Arbeit Leistung

KM AM

Antriebselemente Arbeitsmaschine Kraftmaschine

PKM - erforderliche Ausgangsleistung der Kraftmaschine PAM - Eingangsleistung der Arbeitsmaschine η - Wirkungsgrad der Leistungsübertragung

MKM - von der Kraftmaschine abgegebenes Moment MAM - von der Arbeitsmaschine aufgenommenes Moment (kann

u. U. auch negativ werden) Mb - Beschleunigungsmoment (beim Bremsen negativ)

J - Trägheitsmoment ω - Winkelgeschwindigkeit

MKM

MAM

Mb

M

P

1

Kennlinie der Arbeitsmaschine

Kennlinie derKraftmaschine

Betriebs-punkt

nichtstationärerZustand im Moment t

( )

( )

JM

ttJM b

b dd

dd

=⇒=ωω

0bAMKM =−− MMM

ω⋅= MP

ηAM

KMPP =


– 18 –

3.4.2 Hydrostatische Antriebstechnik

Die gesamte Technik der hydrostatischen Kraftübertragung fasst man die oft unter dem Begriff „Hydraulik“ zusam-men. Unter Hydraulik versteht man i. A. die Anwendung der Hydromechanik in der Technik, insbesondere bei der Fortleitung, Umformung von Kräften und Bewegungen mittels Flüssigkeiten. Gemeint ist hier die Ölhydraulik, im Unterschied zur Wasserhydraulik, z. B. im Wasserbau.

In hydrostatischen Antrieben ist die Bewegungsenergie (kinetische Energie) im Vergleich zur Druckenergie der strömenden Flüssigkeit gering. Oft ruht die Flüssigkeit sogar vollständig, und es wirkt nur der hydrostatische Druck.

• Druckstromerzeuger ⇒ Hydraulikpumpen • Druckstromverbraucher ⇒ Hydraulikmotoren • Steuer- und Regeleinrichtungen ⇒ Hydraulikventile • Zubehör ⇒ Rohrleitungen, Behälter, Druckspeicher, Filter, Kühler

Abb. 3.5 Schema einer einfachen Hydraulikanlage Die hydrostatische Leistungsübertragung findet Anwendung in der Antriebs- und Steuerungstechnik:

– zur Bewegung von Arbeitseinrichtungen an Maschinen, – zur Betätigung von Spann- und Haltevorrichtungen, – zur Vorsteuerung von Schaltelementen, – zum Erzeugen von Fahrbewegungen.

Vorteile der hydrostatischen Kraftübertragung:

– Erzeugung große Kräfte bei geringer Masse und kleinen Abmessungen der Baugruppen – einfache Einstellbarkeit von Kräften und Geschwindigkeiten über einen weiten Bereich – weiches Umsteuern – große Freizügigkeit bei der konstruktiven Gestaltung der Maschine – einfache und zentrale Bedienung – einfacher und sicherer Schutz vor Überlast – gute Automatisierbarkeit – kostengünstig durch hohen Anteil standardisierter Baugruppen – Wartungsarmut

Nachteile der hydrostatischen Kraftübertragung:

– Temperaturabhängigkeit des Hydraulikmediums – exakte Abstimmung verschiedener Bewegungen aufeinander ist nicht möglich – Probleme bei extremen Umgebungstemperaturen (vor allem bei starkem Frost) – Gefahr der Umweltverschmutzung bei Leitungsbruch und Leckverlusten

Baugruppen einer hydrostatischen Kraftübertragungsanlage

Zubehör (Speicher)

Druckstromerzeuger (Zahnradpumpe)

Steuerelement (Sperrventil)

Zubehör (Filter)

Steuerelement (Druckventil)

Steuerelement (Wegeventil)

Zubehör (Hydraulikfluidbehälter)

Druckstromverbraucher (Hydraulikzylinder)


– 19 –

3.4.3 Hydrodynamische Antriebstechnik

Hydrodynamische Antriebe beruhen auf der Ausnutzung der Bewegungsenergie (kinetischen Energie) der strömen-den Flüssigkeit.

Hydrodynamische Kupplungen (Strömungskupplungen) übertragen die Leistung mittels der kinetischen Energie eines Hydraulikfluids. Sie sind frei von mechanischem Verschließ, ermöglichen einen weichen Anlauf und bieten zuverlässigen Schutz vor Überlastung. Sie können das Regime n1 ≠ n2 über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten, ohne Schaden zu nehmen.

Der Schlupf bei Nennmoment beträgt s ≅ 3 % und dementsprechend der Wirkungsgrad η = 0,96 ... 0,98. Abb. 3.6 Kennlinie einer einfachen Strömungskupplung Im Strömungskreislauf der Wandler befindet sich außer Pumpe und Turbine noch ein Leitrad als Reaktionselement. Das Moment wird beim Durchgang durch den Wandler gewandelt.

Eine wichtige, mehr oder weniger ausgeprägte Eigenschaft liegt darin, dass je nach Konstruktion das Antriebsmoment vom Abtriebsmoment nahezu unabhängig sein kann. Das Abwürgen oder Überlasten der Kraftmaschine ist somit nicht möglich. Durch die konstruktive Gestaltung kann man den Dreh-momentverlauf auf Primär- und Sekundärseite (in Abhängigkeit vom Schlupf) beliebig beeinflussen. Wandler gewährleisten somit in einem breiten Bereich die automatische Anpassung der Antriebskraft der Maschine an den Kraftbedarf.

Momentenwandlung (bezogenes Moment): , Abb. 3.7 Kennlinien eines einfachen hydrodynamischen Wandlers Wandler besitzen gegenüber mechanischen Getrieben den Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades, der maximal bei η = 0,85 ... 0,9 liegt. Deshalb nutzt man vor allem bei Transportmaschinen den Wandler nur zum Anfahren und schaltet dann auf eine Kupplung um.

Das automatische Umschalten in den Kupplungsbetrieb ist z. B. in Wandlern, die nach dem Trilok-Prinzip arbeiten, möglich. Danach sind Wandler und Kupplung in einem hydrodynamischen System vereinigt. Durch einen Leitrad-freilauf (s. unten) erfolgt bei Erreichen einer Abtriebsdrehzahl von ca. 80 % der Antriebsdrehzahl der Übergang in den Kupplungsbetrieb, in dem schließlich ein Wirkungsgrad bis 96 % erreichbar ist.

Strömungsgetriebe sind Kombinationen von einem oder mehreren Drehmomentwandlern bzw. Drehmomentwand-lern und Kupplungen mit Zahnradgetrieben.

In Baumaschinen finden Lastschaltgetriebe in Kombination mit einem Wandler Anwendung. Sie sind heute bereits Standard. Oft sind sie durch zusätzliche Baugruppen den speziellen Einsatzbedingungen besser angepasst:

– Durch den Leitradfreilauf wird das Leitrad bei Erreichen einer Abtriebsdrehzahl von ca. 80 % der Antriebsdreh-zahl von der Strömung mitgenommen. Dann arbeitet der Wandler als Kupplung und erreicht einen Wirkungsgrad bis 96 %.

– Im Schiebebetrieb (die Abtriebsdrehzahl wird größer als die Antriebsdrehzahl) klemmt der Bremsfreilauf die Turbine gegen das Pumpenrad. So kann die Bremswirkung des Motors genutzt werden.

– Die Wandlerüberbrückungskupplung verbindet bei hohen Drehzahlen durch Reibschluss Turbine und Pumpe miteinander und vermeidet den Wirkungsgrad verringernden Schlupf, wenn auf Wandlung oder Dämpfung des Moments verzichtet werden kann.

Hydrodynamische Retarder dienen, integriert in hydrodynamische Schaltgetriebe, als Betriebsbremse. Dem Prinzip nach sind sie Strömungskupplungen mit feststehender Turbine. Sie arbeiten verschleißfrei und sind regelbar. Ihre Bremsleistung sinkt während des Bremsvorganges nicht ab. Von Nachteil ist, dass die Bremswirkung erst 2 ... 3 s nach Betätigen des Retarders einsetzt.

n1

n20

1

2

3

4 0,9

10,5

1

2MM

=µ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

1

2nnfµ

n1

n2

M1=M2

Md

P

1

Betriebspunkt

0

=100%


– 20 –

3.4.4 Pneumatische Antriebstechnik

Druckluft ist Luft, die auf einen höheren als den atmosphärischen Druck verdichtet worden ist, um sie technisch zu nutzen – als Sekundärenegieträger zum Antreiben von Maschinen und als Trag- und Fördermedium.

Pneumatische Antriebe bestehen aus

– Drucklufterzeugern (Verdichter – werden gesondert behandelt) – Druckluftmotoren und -zylinder – Steuereinrichtungen (Ventile) – Speichereinrichtungen – Zubehör zur Druckluftaufbereitung

Ihre Funktionsweise ist ähnlich wie die hydrostatischer Antriebe. Im Gegensatz zur Hydraulik bestehen bei der Druck-lufttechnik jedoch keine geschlossenen Kreisläufe.

1 Ansaugfilter 2 Verdichter 3 Antriebsmotor 4 Kühler 5 Manometer 6 Druckbegrenzungsventil 7 Druckluftbehälter 8 Aufbereitungseinheit (Filter, Druck-

regelventil, Öler) 9 3/2-Wegeventil 10 5/2-Wegeventil 11 doppelt wirkender Zylinder 12 Drosselrückschlagventil 13 einfach wirkender Zylinder

Abb. 3.8 Grundsätzliches Schema einer Druckluftanlage

• Vorteile der Drucklufttechnik:

– universelle Anwendung (für alle Betriebsmittel) – robustes und weiches Arbeiten (kein harter Anschlag beim Blockieren, bis Stillstand überlastbar) – relativ hohe Sicherheit, besonders unter widrigen Witterungebedingungen – Einsatz in brand- und explosionsgefährdeter Umgebung möglich – gute Speichermöglichkeit – einfache und gute Regelmöglichkeit – Umweltfreundlichkeit – keine Rückleitungen erforderlich – hohe erreichbare Arbeitsgeschwindigkeiten und schnelle Steuerungsreaktion wegen der geringen Viskosität

der Druckluft – relativ geringes Gewicht der Arbeits- und Steuerelemente bezogen auf die Leistung – Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen – freie Verfügbarkeit von Druckluft

• Nachteile der Drucklufttechnik:

– relativ hohe Energiekosten (teuerster Energieträger) – Lärmentwicklung – Gefahren durch Kondensatbildung (Schlag, Korrosion) – Gefahren an der Luftaustrittstelle (durch Verunreinigungen, Lärm, Druck) – hoher Wartungsaufwand zur Vermeidung von Undichtigkeiten – Unfallgefahren durch Druckpotential und Nachströmen von Luft aus Reservoiren – keine exakt vorbestimmbaren und gleichmäßigen Bewegungen durch Kompressibilität der Luft – geringer Wirkungsgrad (durch Wärmeaustausch mit der Umgebung, nur teilweise Umwandlung der Druck-

energie in mechanische Arbeit – ein großer Anteil entweicht bei der Entlüftung in die Umgebung)

M

1 2 3 4 5 6

7 8

9

1312

11

10

Steuerung

Druckluft-Verbraucher(Arbeitselemente)

Druckluft-erzeugeranlage


– 21 –

4 Fahrwerke 4.1 Aufgaben und Klassifikation der Fahrwerke Fahrwerke bilden die Basis mobiler Maschinen. Sie dienen der Erfüllung folgender Aufgaben:

– Maschinengewicht und die bei der Arbeit auftretenden Kräfte auf die Standfläche übertragen, – Fortbewegung ermöglichen, – stabile Lage im Stand und in der Bewegung gewährleisten (Standsicherheit, Seitenführung), – Geländeunebenheiten ausgleichen, – Antriebs- und Bremskräfte auf die Fahrbahn übertragen, – Richtungsänderungen ermöglichen (Lenkung), – Maschine abfedern und Schwingungen dämpfen.

Ein Fahrwerk besteht aus

– Rahmen, – Fortbewegungselementen, – Feder- und Stützsystem, – Lenksystem, – Bremssystem

und beinhaltet Komponenten der Kraftübertragungsanlage (Antriebstechnik).

Die Fahrwerkkonstruktion hängt vom Einsatzcharakter der Baumaschine ab. So gibt es Fahrwerke, die

– nur ein gelegentliches Umsetzen, – forciertes Umsetzen aus eigener Kraft bei hohen Fahrgeschwindigkeiten (vergleichbar mit denen von LKW), – Arbeitskräfte übertragen (z. B.: Grabkraft) ⇒ hohen Vorschub erzeugen und horizontale Stützkräfte aufnehmen

(Brems- und Seitenführungskräfte, z. B. bei der Arbeit am Hang), – hohe vertikale Stützkräfte (im Hebezeug- oder Laderbetrieb) aufnehmen

müssen.

Die weitere Klassifikation kann nach den konstruktiven Fahrwerkselementen erfolgen. 4.2 Radfahrwerke

4.2.1 Das Rad

Auf das angetriebene Rad wirken das Maschinengewicht, das Antriebsmoment und Beschleunigungskräfte sowie die Reaktionskräfte aus dem Boden (aus Traktion, Rollwiderstand und Radführung).

In der idealisierten Darstellung (Ersatz von Flächenlasten durch Einzelkräfte, Annahme gleichmäßiger Reibungskraftübertragung über die ganze Kontaktfläche, keine Radverformung) für den stationären Zustand (ohne Beschleunigung) erhält man das nebenstehende Bild. Auf das angetriebene Rad wirken:

MT - Antriebsmoment FR - Reaktionskraft des Rahmens G - Gewicht der Maschine (auf das Rad zufallender Anteil) FN - Normalkraft (Reaktionskraft vertikal zur Bodenoberfläche) FT - durch Kraftschluss realisierbare Traktionskraft (Reaktionskraft hori-

zontal zur Bodenoberfläche) = Antriebszugkraft f - Hebelarm der Rollreibung rK - dynamischer Rollradius (berücksichtigt die tatsächliche Lage der Zugkraft entsprechend der Verformung

von Fahrbahn und Rad)

gleislose gleisgebundene

Raupenfahrwerke Radfahrwerke Schreitwerke Luftkissen

GMT

vT

rK

FT

FR

FN

f

x

y

0

Klassifikation der Fahrwerke nach der Art der Fortbewegungselemente


– 22 –

Aus der Betrachtung des statischen Gleichgewichts folgt:

Daraus ist die Kraft, die als Triebkraft am Radumfang FK durch das Antriebsmoment MT erzeugt werden muss, ableitbar.

mit Kr / rf=µ

Es ist zu erkennen, dass sie erforderlich ist, um die Traktionskraft FT zu realisieren und den Rollwiderstand Wr zu überwinden:

Nrr FW ⋅= µ ,

µr – Rollwiderstandsbeiwert

µr = 0,03 ... 0,19 für EM-Reifen im Erdbau (siehe Kap. 4.2.2, S. 23) µr = 0,06 ... 0,16 für Raupen im Erdbau

Die Triebkraft FK muss über den Kraftschluss mit dem Boden realisiert werden (deshalb der Index „K“) ⇒ Kraft-schlusszugkraft.

µK – Kraftschlussbeiwert

N

maxK,K F

F=µ

Von besonderem Interesse für den Fahrzeug- und Erdbaumaschinenbetrieb sind die Vorgänge an der Kontaktfläche des Rades mit dem Untergrund, da hier Vorschubkraft und Seitenführung realisiert werden. Die übertragbare Kraft hängt von der Normalkraft und den Kraftschlussbedingungen ab, wobei die Kraftschlussbedingung eine Funktion des Radschlupfes δ ist.

δ - Radschlupf vtats - tatsächliche Geschwindigkeit vtheo - theoretische Geschwindigkeit Ktheo rv ⋅= ω ω - Winkelgeschwindigkeit des Rades

Abb. 4.1 Kraftschluss-Schlupf-Kurven eines Radfahrwerkes (A - Antriebsregime, B - Bremsregime)

Erdbaumaschinen arbeiten im normalen Betrieb oft mit erheblichem Schlupf, um die entsprechenden Zugkräfte zu realisieren. Dieser soll aus Gründen der Wirtschaftlichkeit

– für Raupenketten bei 7 ... 10 % – für EM-Reifen bei 18 ... 20 %

liegen. Da der Schlupf den kritischen Wert bei µK,max nicht überschreiten darf, werden moderne Fahrzeuge zuneh-mend mit einer Antriebsschlupfregelung (ASR) ausgestattet. Damit wird zudem eine gute Spurtreue des Fahrzeu-ges gesichert und bleibt der Reifenverschleiß in erträglichen Grenzen.

Die Nabe ist das Element, welches das Rad mit der Achse verbindet. Sie nimmt das Lager auf und trägt die Felge. Über die Nabe werden die Drehmomente aus Antrieb (Keilwelle, Hohlrad) und Bremse (Bremstrommel oder Bremsscheibe) auf das Rad übertragen. Die Felge trägt den Reifen. Die Radschüs-sel dient der Verbindung der Felge mit der Radnabe. Oft ist die Felge mit der Radschüssel bzw. Radscheibe zu einem Körper vereint. Die Felge wird mit der Radschüssel auf der Nabe zent-riert. Die Zentrierung erfolgt auf dem Nabenkörper (Mittenzent-rierung) und/oder durch Verschraubung (Kugelbundschraube). Für den schwingungsfreien (schlagfreien) Radlauf ist eine exakte Planizität der Radschüsselauflagerfläche notwendig.

Abb. 4.2 Nabe, Radschüssel und Felge (Tiefbett)

µK = 0,3 ... 0,7 für EM-Reifen im Erdbau µK = 0,6 ... 1,0 für Raupen im Erdbau

δAδB

µA

µA,max

µB

µB,max

11

NTKT FfFrM ⋅+⋅=

NKK FF ⋅≤ µ

theo

tatstheov

vv −=δ

AchseRadlager

AntriebswelleRadvorgelege

NabeMittellinie derVerschrau-bung

Radschüssel

Felgenbett

MaulweiteFelgenhorn

Felgen-schulter

Hump

Felg

endu

rchm

esse

r

NrTK FFF ⋅+= µ


– 23 –

Ausführungen

Die Felge besteht aus dem Felgenbett, der Felgenschulter und dem Felgenhorn. Die Felgenkonstruktion muss so beschaffen sein, dass sie keinen oder nur einen minimalen fertigungsbedingten Höhenschlag aufweist und über eine große Steifigkeit bei geringer Masse verfügt, um die Radlasten sicher und ohne Verformungen aufnehmen zu kön-nen. Der Seitenschlag spielt gegenüber dem Höhenschlag eine untergeordnete Rolle.

Felgen müssen eine leichte und schonende Reifenmontage zulassen, den Reifen sicher tragen und führen sowie (bei schlauchlosen Reifen) hermetisch abdichten. Das sind Forderungen, die sich z. T. widersprechen. Je nach Einsatz-zweck und Reifenbauart verwendet man deshalb verschiedene Felgenarten:

• Tiefbettfelgen

Tiefbettfelgen werden aus einem Stück gefertigt. Sie gibt es in symmetrischer und unsymmetrischer Ausfüh-rung mit schräger oder zylindrischer Schulter. Auch bei Druckverlust sitzen die Reifen sicher auf der Felge. Bei der Montage wird der Reifen auf einer Seite zunächst in das Tiefbett gedrückt, um ihn dann über das Felgenhorn ziehen zu können.

• Flachbettfelgen

Flachbettfelgen, die vor allem bei großen Rädern zur Anwendung kommen, besitzen keinen Absatz zwischen Schulter und Bett. Sie werden auch als geteilte Felgen ausgeführt (längs-, mitten- und quergeteilt). Bei quer geteilten Felgen besteht der Umfang aus mehreren Segmenten. Am häufigsten ist die Trilex-Felge (dreigeteilt). Längsgeteilte Felgen bestehen aus Felgenkörper, Seitenring und einem federnden Verschluss-ring.

Die Schulter kann flach oder steil ausgebildet sein. Eine moderne technische Konstruktion für schlauchlose Nutzfahrzeugreifen ist die einteilige 15° – Steilschulterfelge [1, S. 770].

Gelockerte Radbefestigungen sind oft Ursache für schwere Unfälle. Deshalb sind sie, um nicht ein Rad zu verlieren, regelmäßig zu prüfen und nachzuziehen. 4.2.2 Reifen

In der Bauwirtschaft wird die Bereifung im Wesentlichen drei Gruppen zugeordnet:

• Reifen für straßenfahrbare Maschinen • Reifen für Erdbewegungsmaschinen (EM-Reifen) • Reifen für Ackerschlepper (AS-Reifen)

EM-Reifen sind Spezialreifen für Erdbewegungsmaschinen (EM – Earth-Moving).

Ein Reifen besteht aus der Karkasse, die gewissermaßen dessen Traggerüst bildet, und dem Protektor – der Lauffläche, auf der das Profil des Reifens einvulkanisiert ist. Die Karkasse muss elastisch und dennoch fest sein und vielen Beanspruchungs-zyklen standhalten. Die Wulst der Karkasse gibt dem Reifen Halt auf der Felge.

Abb. 4.3 Rad einer Baumaschine mit laufrichtungsgebundenem EM-Reifen

Grundsätzlich unterscheidet man die Reifenbauarten:

Heute dominieren auch bei großen Fahrzeugen und Erdbaumaschinen Radialreifen. Der Anteil schlauchloser Reifen steigt.

Diagonal-Reifen Radial-Reifen

Die Karkasse besteht aus mehreren kreuzweise (diagonal) übereinander-liegenden Lagen textilen Gewebes. Laufflächen und Flanken bilden eine feste Einheit.

Karkasse mit einer einzigen radial ausge-richteten Gewebelage, Lauffläche wird durch einen Gürtel (belt), der aus mehre-ren Lagen (Textil, Stahlcord) besteht, stabi-lisiert, jeder Teil des Reifens – Flanken und Laufflächen – arbeitet unabhängig

schlauchlos - TL-Type (Tubeless) mit Schlauch - TT-Typ (Tubetype)


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Karkassenaufbau und Profil jedes Reifens stellen eine Kompromisslösung dar. Die sich teilweise widersprechenden Anforderungen, wie hohe Lebensdauer, Verschleißfestigkeit (geringer Abrieb), gute Federungseigenschaften und Eigendämpfung, geringer Walkwiderstand und Erwärmung, geringer Rollwiderstand, geringe Bodenpressung, hoher Kraftschluss, gute Seitenführung, geräuscharmer Lauf, gute Selbstreinigungseigenschaften, Pannensicherheit und niedrige Kosten werden in unterschiedlichem Maße erfüllt.

Nach § 36 (2a) StVZO müssen Luftreifen für Fahrzeuge mit einer durch die Bauart bestimmten Höchstgeschwindig-keit von mehr als 40 km/h durch den Hersteller oder Erneuerer mit Angaben über Fabrik- oder Handelsmarke, Rei-fengröße, Reifenbauart, Tragfähigkeit, Geschwindigkeitskategorie und Herstellungs- oder Reifenerneuerungsdatum versehen sein. Bezeichnung von Reifen (Auswahl)

• Größenbezeichnung

1. Zahl: Breite (B)

Angaben bei PKW in mm, bei LKW-Reifen z.T. in mm, meistens jedoch in Zoll, bei EM-Reifen ausschließlich in Zoll

nach einem Schrägstrich: ggf. Angabe des Verhältnisses von Höhe des Rei-fenquerschnittes zu seiner Breite (H:B)

2. Zahl: Felgendurchmesser (d) am Wulstsitz in Zoll

von der ersten Zahl durch einen Bruchstrich oder durch „R“ für Radialreifen getrennt

• Reifentyp und -kennzeichnungen

Tragfähigkeit ⇒ PR-Zahl – nach ECE-Norm: Zahlencode (Last-Index LI)

Höchstgeschwindigkeit: ⇒ ECE-Symbol (GSY), z. B.:

Symbol A4 A8 F J M P Q T V vmax 20 40 80 100 130 150 160 190 240

Beispiel für einen EM-Reifen:

Reifennennbreite 20,5 Zoll = Diagonal-Reifen Felgendurchmesser = 25 Zoll EM = Erdbewegungsmaschinenreifen „Ply Rating“ als Ausdruck f. d. Tragfähigkeitsklasse

Behandlung der Reifen im Betrieb

Die Haltbarkeit eines EM-Reifen beträgt 800 ... 5000 Stunden. Die Kosten können also stark schwanken, sind aber grundsätzlich hoch. Die richtige Behandlung der Reifen im Betrieb hat einen großen Einfluss auf die Haltbarkeit und demzufolge auch auf die Kosten.

Der Luftdruck wird nach Herstellerangaben eingestellt und in der Regel im kalten Zustand bestimmt. Ein zu niedri-ger Luftdruck verringert drastisch die Lebensdauer des Reifens (15 % zu wenig Luftdruck ⇒ um 25 % verringerte Lebensdauer). Der Luftdruck ist bei Großgeräten temperaturabhängig einzustellen:

z. B.: Umgebungstemperatur -10 °C ⇒ Druckerhöhung um 12 % Umgebungstemperatur +30 °C ⇒ Druckerverringerung um 5 %.

Fremdkörper, wie z. B. eingeklemmte Steine sind aus dem Profil zu entfernen. Vor allem zwischen Zwillingsräder eingeklemmt, können sie als „Geschoss“ zu einer Gefahrquelle werden. Steine sind ein Kostenfaktor!!

Zum wirtschaftlichen Einsatz gehört auch die Schonung der Karkasse, damit diese der Runderneuerung zugeführt werden kann. Zu hohe Geschwindigkeiten führen zu einem intensiveren Walken und demzufolge zu einer höheren Erwärmung. Zu hohe Belastung führt zu einer größeren Druckbelastung. Die Karkasse wird überbeansprucht: 30 % mehr Last ⇒ 50 % geringere Lebensdauer!

Bei der Montage werden Reifen gemeinsam mit Felge und Radschüssel dynamisch ausgewuchtet. Ein regelmäßi-ges Nachwuchten ist bei schnellaufenden Fahrzeugen (LKW, PKW) sehr wichtig, um Reifen und Fahrwerk zu schonen.

20.5-25 EM 16 PR

B

Hd


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Dem unter schweren Bedingungen auftretenden hohe Reifenverschleiß wirkt man mit Reifenschutzketten entgegen. Sie schützen den Reifen z. B. gut vor dem Eindringen von Fremdkörpern und geben ihm eine bessere Griffigkeit – in bestimmten Betriebsfällen ist ihnen also aus technischen Gründen der Vorzug zu geben. Ihre Anwendung wird teil-weise kontrovers diskutiert, da sie im Allgemeinen zwar die Haltbarkeit der Reifen verdoppeln, andererseits aber auch etwa soviel kosten, wie ein neuer Reifen. Eine genauere Wirtschaftlichkeitsrechnung muss hier Klarheit bringen. Man kann auch Ketten regenerieren, d. h. die verschlissenen Kettenglieder auf der Lauffläche auswechseln, wenn die Seitenteile noch gut sind.

Prinzipiell neue Lösungen sind der AIRBOSS-Reifen (auf Spezialfelgen aufgeschraubte Hohlkammersegmente) und der BEADLESS-Reifen (auf einen Gummireifen aufgesetzte Raupenbandglieder).

4.2.3 Rahmen und Aufhängung der Achsen am Fahrzeug

Der Rahmen hat die Aufgabe, die Maschinenausrüstung, Motor und Kraftübertragungsanlage aufzunehmen und die Lasten gleichmäßig auf die Räder zu verteilen. Am Rahmen, der auf Biegung und Torsion beansprucht wird, stützen sich die reaktiven Momente aus den angetriebenen Rädern sowie die Seitenführungskräfte ab. Der Rahmen soll leicht, fest und verwindungssteif (bei Einsatz im Gelände), kostengünstig in der Herstellung sein, einen leichten Zugang zu den Aggregaten und wenig Möglichkeiten der Schmutzablagerung bieten. Regen- und Spritzwasser sollen ablaufen können; und er muss sich leicht reinigen lassen.

Konstruktive Varianten

• Selbsttragende Konstruktion • Trapezrahmen • Kastenrahmen

• X-Rahmen • Mittelträger- oder Zentralrohrrahmen • Pontonrahmen

Radaufhängung

Der Radaufhängung umfasst die Befestigung und Führung der Achsen mit den Rädern am Rahmen oder an der Maschine selbst. Sie ist im Zusammenhang mit der Federung (Federungssystem) und Lenkung zu sehen. Alle am Rad angreifenden Kräfte müssen sicher auf den Fahrzeugrahmen und umgekehrt übertragen werden können.

• Starrachsen

Beide Radzapfen der Achse sitzen an einem festen Achskörper. Sie können nur gemeinsam die durch Fahrbahn-unebenheiten eingeleiteten Bewegungen ausführen. Sie gibt es

fest

beweglich (Pendelachse)

abgefedert

• Halbachsen

Halbachsen werden aus zwei Teilen gebildet, die um die Längsachse der Maschine pendeln können (Pendel-achse). Vorteilhaft ist die einzelne Beweglichkeit der Räder für das Fahrverhalten. Von Nachteil ist die Verände-rung der Radgeometrie (Spur und Sturz) beim Einfedern.

unverkürzt

verkürzt

• Einzelradaufhängung

Technisch aufwendig aber am vollkommensten ist die Einzelradaufhängung. Bei ihr kann mit Hilfe ausgeklügelter Führungsmechanismen die Radgeomet-rie im Sinne der Fahrstabilität und des Lenkverhaltens gezielt beeinflusst werden.

Mit der Radführung und Aufhängung muss im Interesse der Lenkbarkeit (Lenkkräfte, Rückstellkräfte, Eigenlenkver-halten), der Fahrstabilität und des Reifenverschleißes eine ganz bestimmte Fahrwerksgeometrie gewährleistet werden.


– 26 –

Abstützungen

Abstützungen dienen dazu, die bei der Fahrbewegung elastische Maschine starr zu machen, um ein Einsinken in den Untergrund oder ein Umkippen auszuschließen, wenn sie arbeitet.

• Achsabstützung

Die Abstützung über die Achse erfolgt durch mechanisches oder hydrauli-sches Blockieren der elastischen Aufhängung über eine Verriegelung. In der Regel wirkt sie selbsttätig bei einem bestimmten Schwenkwinkel des Ober-wagens oder bei Betätigung der hydraulischen Steuerung.

• Fußabstützung

Die Abstützung erfolgt über Pratzen, deren Tragmechanismus am Rahmen angelenkt ist. Mit dieser Abstützung kann eine größere Abstützbasis erreicht werden. Sie wird manuell oder hydraulisch betätigt. Die kinematischen Elemente sind Schubglieder, Gelenke, Spindeln oder Zylinder.

Kinematische Grundschemata:

Pendelstütze

Viergelenkstütze

Schiebestütze

Doppelschiebestütze

4.2.4 Lenkung

Die Lenkung ist in einem engen Zusammenhang zum Antrieb zu sehen. Bis heute hat sich noch keine einheitliches Lenkschema durchsetzen können, da jedes seine Vor- und Nachteile besitzt. Deshalb dominieren bei jeder Maschi-nengruppe bestimmte Arten der Lenkung.

Der Lenkvorgang nutzt die Antriebs- und/oder Seitenführungskraft des Rades. Bei der Richtungsänderung beschreibt die Maschine in einem bestimmten Moment einen Kreisbogen um den Drehmittelpunkt.

Drehschemellenkung

Die Drehschemellenkung ist die älteste und einfachste Form der Lenkung. Durch Schwenken des Drehschemels mit der Achse ergibt sich der Ein-schlagwinkel. Sie findet heute vor allem bei LKW-Anhängern und Dreirad-Dumpern Anwendung. Ihr entscheidender Nachteil ist das Nachlassen der Standsicherheit durch Verkleinern der Standfläche mit zunehmendem Ein-schlagwinkel.

Knicklenkung

Die Knicklenkung (Knickrahmenlenkung), die bei vielen Erdbaumaschinen und Traktoren Anwendung findet, beruht auf der Einstellung des Einschlagwinkels durch gegeneinander gerichtetes Knicken der vorderen und hinteren Rahmen- bzw. Maschinenhälften. Fahrbahnunebenheiten können durch eine Pendel-achse und/oder ein Knick-Pendel-Gelenk ausgeglichen werden.

Vorteile der Knicklenkung:

– einfache und robuste Konstruktion der Radaufhängung und des Lenk-mechanismus

– Traktionsvorteile im Gelände („Herauswinden“) – Vorder- und Hinterräder laufen in einer Spur ⇒ geringerer Rollwiderstand, mehr Schubkraft – schmale Bauweise der Maschine trotz großer Lenkeinschläge (40 .. 45 °) – Last kann ohne Manövrieren der Maschine durch Lenkbewegungen geschwenkt werden

Nachteile der Knicklenkung:

– Nachlassen der Standsicherheit bei Lenkeinschlag – Maschine muss in Hälften gegliedert werden, die ihre relative Lage verändern

Einschlag-winkel

Einschlag-winkel


– 27 –

Achsschenkellenkung

Die Achsschenkellenkung ist heute die Standardlenkung bei Fahrzeugen. Sie gewährleistet die optimale Rad-stellung ohne Rückwirkung auf die Maschine (starrer Rahmen). Die Standbedingungen der Maschine ändern sich beim Einschlagen der Räder nur minimal.

Die Räder werden durch die Achsschenkel geführt. Die Lage der Räder zueinander wird durch die Spurstange über die Spurstangenhebel eingestellt. Die Lenkbewegung erfolgt durch die Schubstange über den Lenk-hebel. Das Lenkgetriebe (Varianten: Zahnstange, Schnecke, Schraube, Spindel) besitzt zur Verringerung der Betätigungskräfte am Lenkrad oft eine Servounterstützung.

Bei Baumaschinen lassen sich mit Hilfe der Achsschenkellenkung auch bei mehreren gelenkten Achsen alle Räder exakt auf den Drehmittelpunkt ausrichten. Dadurch ist ein verschleißarmer und Raum sparender Lenkvor-gang möglich.

Vorteile der Achsschenkellenkung:

– höhere Stand-, Fahr- und Kippsicherheit als bei knickgelenkten Maschinen – beim Lenkeinschlag kaum Veränderung der Standsicherheit (keine Schwerpunktverlagerung)

Nachteile der Achsschenkellenkung:

– komplizierter Aufbau, besonders bei angetriebenen Rädern ⇒ teurer – mehr Platzbedarf für Lenkmechanismus und Räder – größerer Wendekreisdurchmesser, vor allem bei überhängenden Anbaugeräten

Varianten der Anordnung gelenkter Räder (2 Achsen):

lenkbare Vorderachse

lenkbare Hinterachse

Allradlenkung (Rundlenkung)

Mehrachsige Fahrzeuge (mehr als 2 Achsen):

Fahrzeuge sind mit drei oder vier Achsen in einem Rahmen anzutreffen. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten der Kombination des Antriebs und der Lenkbarkeit der einzelnen Fahrachsen (vgl. z. B. [6, S. 18–22]), so dass Vor- und Nachteile der einzelnen Konzepte nicht so einfach voneinander abzugrenzen sind.

• Radformel

nR,S - Gesamtzahl der Räder nR,a - Anzahl der angetriebenen Räder nR,g - Anzahl der gelenkten Räder Beachte: Zwillingsräder werden einfach gezählt

• Allradlenkung

Die Allradlenkung bietet vor allem bei langen vielachsigen Fahrzeugen erhebliche Vorteile (geringer Platzbedarf, geringere Beanspruchung des Fahrwerkes bei Kurvenfahrt).

Antriebslenkung

Die Antriebslenkung nutzt die selbsttätige Einstellung eines Kurvenradius bei unterschiedlichen Drehgeschwin-digkeiten der Räder auf beiden Fahrzeugseiten. Das erfordert deren getrennten Antrieb.

Vorteile der Antriebslenkung:

– einfache und kostengünstige Konstruktion – außerordentlich kompakte Bauweise – sehr geringer Wenderadius – Maschinen mit Antriebslenkung können auf der Stelle wenden – Integration von Lenkung und Antrieb (bevorzugt hydrostatisch) – Kipplast wird in keiner Weise durch die Lenkung beeinflusst

gR, aR,R, /x nnn Σ


– 28 –

Nachteile der Antriebslenkung:

– funktioniert nur bei kurzem Achsabstand: ⇒ – geringe Standsicherheit in Längsrichtung (kippt leicht nach vorn) – starke Nickschwingungen bei Fahrt ⇒ geringe Fahrgeschwindigkeit – große seitlicher Schlupf (Schräglauf) der Räder – starke Auflockerung weicher Böden – erhöhter Reifenverschleiß auf festen Böden – beim Lenkvorgang geht sehr schnell die Haftreibung verloren (Abgleiten am Hang) – Maschinen mit Antriebslenkung dürfen, weil sie kein Lenkrad besitzen, nicht am Straßenverkehr teilnehmen.

Sie erhalten keine Zulassung nach StVZO. Das Differenzial

Das Differenzial ist ein spezielles Achsausgleich-getriebe. Es verhindert den Reifenverschleiß durch die sich bei Kurvenfahrt starr verbundener Räder einstellende Reibung. Jedes Rad führt die Drehbewegung aus, die sich geometrisch in der Relation einstellt.

Abb. 4.4 Schema eines Achsausgleichgetriebes In besonderen Situationen, wenn die Haftreibung nicht mehr ausreicht, kann durch (manuelles oder automatisches) das Sperren des Differenzials das besser greifende Rad noch ziehen (oder bremsen). Es würde ansonsten still stehen, während das andere Rad durchdreht. 4.3 Raupenfahrwerke Raupenfahrwerken übertragen die Lasten und Antriebskräfte über Ketten, die mit Laufplatten versehen sind, auf die Fahrbahn. Diese Ketten müssen

– gestützt (zur Aufnahme des Fahrwerkdruckes), – geführt (Seitenführung, Aufnahme der Lenkkräfte) und – angetrieben

werden. Dementsprechend ist die Konstruktion des Laufwerkes ausgebildet.

Raupenfahrwerke können große Lasten mit geringem Druck auf den Boden übertragen. Eine spezielle Abstüt-zung erübrigt sich in den meisten Anwendungsfällen. Die Fahrgeschwindigkeit ist aber gering (max. 15 km/h bei Baumaschinen).

Abb. 4.5 Raupenfahrwerk (Schema) Das starre Fahrwerk (Baggerfahrwerk) ist heute Stan-dardfahrwerk an Baggern, Planierraupen und Hebezeu-gen, aber auch anderen Baumaschinen, die sich selbst-ständig im schweren Gelände mit geringer zulässiger Bodenpressung bewegen sollen. Es wird an einem stabi-len Rahmen (bei Baggern in Diagonalbauweise: X-Form, bei Planierraupen als Kasten- oder Trägerkonstruktion, auch als Halbrahmen) befestigt. Bagger besitzen eine starre Aufhängung, bei Traktoren ist sie elastisch (Drei-punktaufhängung).

Abb. 4.6 Fahrwerk einer Planierraupe Die Kette wird am Antriebsturas angetrieben und über das Leitrad geführt. Eine Spannvorrichtung gewährleistet die richtige Kettenspannung; sie muss aber ein Ausweichen beim Eindringen von Fremdkörpern zulassen. Eine oder mehrere Stützrollen (Tragrollen) verhindern das Durchhängen der Kette. Die Laufrollen übertragen die Stützkräfte aus dem Maschinengewicht und den bei der Arbeit auftretenden Kräften. Sie können gefedert sein (bei schneller fahrenden Maschinen). Ihre Oberflächen sind zum Schutz vor Verschleiß gehärtet. Heute sind die Laufwerke weitge-hend wartungsfrei, besitzen gekapselte und dauergeschmierte Lager.

Rad

Ausgleichswellen-kegelräder

Ausgleichs- oderTrabantenkegelräder

TellerradAntriebs-kegelrad

Gelenkwelle


– 29 –

Optimale Werte für Bodenpressung, Lenkwiderstand und Kraftschluss sichert man durch entsprechende Bodenplat-ten, die an den Ketten befestigt werden. Universell einsetzbar sind an Baggern Dreisteg-Bodenplatten. Sie werden mittlerweile aber durch Bodenplatten mit nur zwei Stegen, die geringere Querkräfte bei Lenkbewegungen verursa-chen, abgelöst. An Planierraupen dominieren Einsteg-Bodenplatten. Breite und lange Platten verringern die Boden-pressung und verbessern die Standsicherheit, schmale und kurze verkleinern den Lenkwiderstand. Die Bodenplatten müssen so ausgebildet sein, dass sie ausreichend widerstandsfähig gegen das Eindringen von Fremdkörpern sind und sich auch selbst reinigen (an den gelenkigen Berührungsstellen benachbarter Bodenplatten). Als Verschleißteil sind die nur angeschraubten Bodenplatten relativ problemlos zu wechseln.

Moderne Laufwerke besitzen gekapselte und dauergeschmierte Kettenbolzen. Das ist aber nur möglich, wenn mindestens ein Kettenglied geteilt ist. Das heißt, dass die Demontage der Kette nicht im Gelenk, sondern im Ketten-glied erfolgt.

Gummikettenfahrwerke sind heute an Baumaschinen (Minibaggern, ja bereits schon Mittelklasse-Baggern bis zur 15t-Klasse, Kompaktladern und Minidumpern) weit verbreitet. Auch schnell fahrende landwirtschaftliche Traktoren kommen (in Verbindung mit Anhängeschürfkübelwagen oder Anhänge-Muldenkippern) auf Baustellen zum Einsatz. Antrieb und Lenkung von Raupenfahrzeugen

Raupenfahrzeuge können über eine mechanische Kraftübertragungsanlage angetrieben werden (Gänge nur im Stand schaltbar). Heute dominieren aber Lastschaltgetriebe mit Wandler.

Ursprünglich wurden Raupenfahrzeuge dadurch gelenkt, dass auf einer Seite die Zugkraft durch eine Lenkkupplung unterbrochen und das Raupenband gebremst wurde. Moderne Raupenfahrzeuge besitzen Antriebssysteme, die das Lenken ohne Zugkraftunterbrechung ermöglichen – analog zu antriebsgelenkten Radfahrzeugen. Das Konzept wird z. B. realisiert durch

– hydraulisch angetriebenes Differential (CAT) – hydrostatischen Antrieb

Bei Konzepten, die auf dem getrennten Antrieb der Laufwerksseiten beruhen, ist auch das Wenden auf der Stelle möglich. Es belastet aber das Laufwerk sehr stark.

Abb. 4.7 Prinzip des hydrostatischen Antriebs

Laufwerksbehandlung im Betrieb

Das Kettenlaufwerk macht einen erheblichen Teil des Maschinenwertes aus und verursacht einen hohen Anteil der Vorhaltekosten. Durch die schwere Beanspruchung des Fahrwerkes können bereits nach kurzer Zeit schwerwiegende Schäden entstehen, wenn Verschleißursachen nicht rechtzeitig erkannt werden. Deshalb sind tägliche Kontrollen und entsprechende Korrekturmaßnahmen unerlässlich – auch wenn alles „nur Grobzeug“ ist, meist unter einer star-ken Schmutzschicht verborgen. Das Laufwerk muss also regelmäßig gereinigt werden Voraussetzung ist die ausrei-chende Qualifikation und Motivation des Personals. Zu den Kontrollen gehört die Prüfung auf Leckverluste, rich-tige Kettenspannung, leichtgängige Rollen und festen Sitz der Bodenplatten u. a.. Werden z. B. die Bodenplatten nicht rechtzeitig nachgezogen, so lockern sie sich, die Bohrungen in den Kettengliedern schlagen aus, die Schrauben wer-den abgeschert. Es kommt zu schweren Schäden, die aufwendige Reparaturen verursachen.

Tab. 4.1 Lebensdauer der Fahrwerksteile in Betriebsstunden (Bh) nach G. KÜHN [9, S. 224]

minimal maximal durchschn. Ketten Laufrollen Stützrollen Dichtungen an Rollen Antriebsräder Leiträder

1200 500 300 500

1500 6000

7000 4100 3800 3200 7200

-

4200 3200 2900 2000 4200 8800

Die große Spannweite der Werte deutet sowohl auf den Einfluss der Einsatzbedingungen aber auch der Qualität von Wartung und Instandhaltung hin.

Im Winter muss das Anfrieren des Laufwerkes verhindert werden ⇒ Abstellen auf trockener Unterlage (z. B. Holzbalken).

Verschleißteile, wie die Bodenplatten können bei einem Schaden einzeln gewechselt werden. Aber auch bei Errei-chen der Grenznutzungsdauer sind sie insgesamt leicht auswechselbar.

Beim Befahren von Straßen sind zur Schonung des Straßenbelages Straßenschuhe an den Stegen zu befestigen.

Verteiler-getriebe

HydraulikmotorHydraulikpumpe

Turas-vorgelege

Raupenkette

Antriebs-motor


– 30 –

4.4 Das Traktionsverhalten von Baumaschinen

4.4.1 Einsatzparameter eines Fahrwerkes

Geometrische Parameter

Die geometrischen Parameter eines Fahrwerkes geben (als technische Daten einer Maschine) Auskunft über die Fahrwerksabmessungen, die einen wesentlichen Einfluss auf die Nutzungseigenschaften (Zulassung für den öffentli-chen Straßenverkehr, Platzbedarf beim Manövrieren, Geländegängigkeit) besitzen.

Die wichtigsten Abmessungen sind:

S - Spurweite A - Achsabstand h - Bodenfreiheit α - Freigang (vorn und hinten)

Abb. 4.8 Geometrische Fahrwerks-parameter

Der mögliche Lenkeinschlag wird in der Regel über den Wendekreisdurchmesser charakterisiert. Die (geometrische) Geländegängigkeit wird vor allem durch den vorderen und hinteren Überhang mittels des Freigangwinkels α und durch die Bodenfreiheit h bestimmt. Dynamische Parameter

Dynamische Parameter kennzeichnen die im Betrieb auftretenden Kräfte (Radlast, Bodenpressung, Zugkraft, Sei-tenführungskraft, Rollwiderstand und Steigfähigkeit).

• Radlast

Die Radlast ist eine dynamische Größe. Doch für den Maschinennutzer (auch bei Angaben für die Fahrbahn-belastung), verwendet man die statischen Größen, meistens in Form der Achslast.

Die Achslast ist nach § 34 (1) StVZO die Gesamtlast, die von Rädern einer Achse oder einer Achsgruppe auf die Fahrbahn übertragen wird. Die zulässige Achslast darf nach § 34 (4) StVZO folgende Werte nicht übersteigen (detailliertere Angaben siehe Originalquelle):

– Einzelachse 10 t – angetriebene Einzelachse 11,5 t – Doppelachsen 11 ... 18 t (je nach Achsabstand) – Dreifachachsen 21 und 24 t (je nach Achsabstand)

• Bodenpressung

Die Bodenpressung ist ein wichtiger Parameter für die Befahrbahrkeit des Baugrundes. Sie muss unter der Belastbarkeit des Bodens liegen. Im Allgemeinen gilt für Reifen:

Bodentragfähigkeit ≅ (1,15 ... 1,20) Reifeninnendruck

Die Höhe des Luftdrucks im Reifen bestimmt die Größe der Bodenpressung. Durch Abplattung des Reifens infolge seiner Belastung bildet sich eine Berührungsfläche zwischen Rad und Fahrbahn, über die in erster Nähe-rung die Stützkraft gleichmäßig auf den Boden übertragen wird.

Nach § 36 (3) StVZO darf die Flächenpressung eines Reifens unter der höchstzulässigen statischen Belastung 0,8 N/mm2 nicht überschreiten (ermittelt ohne Berücksichtigung der Aussparungen auf der Lauffläche).

Die Bodenpressung für Raupen ist i. A. aufgrund der größeren Aufstandsfläche geringer als bei Reifen. Übliche Werte für Baumaschinen sind z. B. bei KÜHN zu finden [9, S. 69]:

– LKW-Reifenfahrwerk 0,8 ... 0,5 N/mm2 – Maschinen mit EM-Reifen 0,2 ... 0,3 N/mm2

Obwohl Mittelwerte angegeben werden, können die Werte der Bodenpressung doch örtlich unterschied-lich sein. Sie hängen von der Lage der Maschine, der Lage des Maschinenschwerpunktes und den angreifenden Kräften aus dem Arbeitsvorgang ab.

Abb. 4.9 Verteilung der Bodenpressung bei Planierraupen

SAhv h


– 31 –

vorhandene Zugkraft

Kraftschlusszugkraft

Übliche Mittelwerte sind z. B. bei G. KÜHN zu finden [9, S. 311]:

• Zugkraft und Rollwiderstand

Zugkraft und Rollwiderstand wurden bereits bei der Behandlung der Kräfte am Rad beschrieben (siehe oben Kap. 4.2.1, S. 21).

• Steigfähigkeit

Die Steigfähigkeit wird als Winkel angegeben, den die Maschine unter bestimmten Bedingungen (Fahrbahn-beschaffenheit, mit oder ohne Nutzlast) überwinden kann.

Auch wenn die Angabe selbst eine geometrische Größe ist, so ist die Steigfähigkeit selbst eine sehr komplexe Eigenschaft. Sie hängt ab von

– Kraftschluss und Rollwiderstand – Lage des Maschinenschwerpunktes (Rückwärtsüberschlag!) – Motorleistung – Fahrwerks- und Antriebskonzept

Moderne geländegängige Baumaschinen erreichen eine Steigfähigkeit von über 70 %.

4.4.2 Fahrdynamik

Betrachten wir die Fahrdynamik am Beispiel einer Erdbewegungsmaschine im wahrsten Sinne des Wortes – dem Motorschürfkübelwagen. Hier finden wir alle Erscheinungen, die im Zusam-menhang mit der Fahrdynamik wichtig sind.

Abb. 4.10 Ansatz für fahrdynamische Betrach-tungen am Beispiel eines Motorschürf-kübelwagens

Jede Maschine verfügt über eine bestimmte Antriebsleistung, die unter gegebenen Bedingungen eine bestimmte Zugkraft und eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit (im Zusammenhang zu sehen: Leistung = Kraft * Geschwindigkeit!) ermöglicht. Diese vorhandene Zugkraft wird zum einen zur Bewegung der Maschine selbst FBew und zum anderen zur Überwindung des Arbeitswiderstandes FA, in unserem Falle des Grabwiderstandes, benötigt. Graben kann man nur mit der Kraft, die neben der Bewegung der Maschine noch als freie Zugkraft verfügbar ist.

Diese wichtigen Zusammenhänge muss jeder verstehen, der Fahrzeuge und auch Fahr- und Flachbagger klug ein-setzen will.

Abb. 4.11 Grundschema fahrdynamischer Untersuchungen (am Beispiel einer Erdbewegungsmaschine)

aBewerfZ, FFF +=

erfZ,vorhZ, FF ≥

erforderliche Zugkraft

Prüfung der Zugkraftbilanz

Bewegungswiderstand

amF ⋅= Gbαsini ⋅= GF αµ cosrr ⋅⋅= GF ( ) gsFSa hbwwF ⋅⋅+=

Arbeitswiderstand

{ }Tmax,vorhZ, ;min FFF K=αµ cosKTmaxK, ⋅⋅=GF

Antriebszugkraft

(Beispiel)

vPF η⋅

= MT

– Baggerlaufwerk 0,1 N/mm2 – Normalraupenketten 0,05 N/mm2 – Breitraupenketten 0,03 N/mm2 – Moorraupenketten 0,025 N/mm2

GF

G2Fi Fb

Fa

G1

1

Fr 1F2

n

n

Fr 2

FZ

va


– 32 –

Prinzipiell muss dafür gesorgt sein, dass sowohl Motor und Kraftübertragungsanlage als auch das Fahrwerk die erfor-derliche Zugkraft aufbringen können. Wie in der Statik gibt es auch in der Fahrdynamik ein Gleichgewicht. Die ganze Problematik soll anhand des Schemas (Abb. 4.11) vor Augen führen. In diesem Schema gilt:

FZ,erf - zur Überwindung aller Widerstände erforderliche Zugkraft in kN

aBewerfZ, FFF +=

WBew - Bewegungswiderstand

Der Bewegungswiderstand folgt aus den Kräften, die der Fortbewegung der Maschine entgegen-stehen.

lbirBew FFFFF +++=

Fr - Rollwiderstand in kN

αµ cosrr ⋅⋅= GF

µr - Rollwiderstandsbeiwert, im Allgemeinen (vgl. S. 22):

NFr

r =µ

N - Normalkraft aus dem Maschinengewicht

αcos⋅= GN

G - Maschinengewicht α - Steigungswinkel (bei Gefälle negativ!)

Fi - Steigungswiderstand in kN

αsini ⋅= GF

Im Allgemeinen rechnet man mit dem Steigungsverhältnis i. Dann gilt näherungsweise (normalerweise kleine Steigungswinkel) wi ≅ 0,01 für jedes Prozent Neigung und

GwF ⋅= ii

wi - Steigungswiderstandsbeiwert

Fb - Beschleunigungswiderstand in kN

amF ⋅= Gb

mG - Masse der Maschine (aus G) in t a - Beschleunigung (positiv oder negativ!) in m/s2

Fl - Luftwiderstand in N

( )20wl 5,0 vvAcF +⋅⋅⋅⋅= ρ

ρ - Luftdichte (in 200 m Höhe 1,202 kg/m3) cw - Luftwiderstandsbeiwert (LKW: cw = 0,8 ... 1,0; PKW: cw > 0,3) A - größter Fahrzeugquerschnitt in m2 (LKW: A = 4 ... 7 m2) v - Fahrgeschwindigkeit in m/s v0 - Luftbewegungsgeschwindigkeit (Gegenwind) in m/s

Bei Baumaschinen und Baustellenfahrzeugen ist der Luftwiderstand aufgrund der geringen Fahrgeschwindigkeit vernachlässigbar.

Fa - Arbeitswiderstand in kN (bei Fahrzeugen: Wa = 0)

Der Arbeitswiderstand entsteht aus den Belastungen der Maschine durch die Arbeitseinrichtung. Der Widerstand aus der Reibung der Schneide des Planierschilds über den Baugrund wird hier ver-nachlässigt.

Beispiel: Schürfwiderstand FS an Stand-, Fahr und Flachbaggern:

( ) gsFSS hbwwF ⋅⋅+=

ws - Schürfwiderstandsbeiwert in kN/m2 (ws = 70 ... 200 kN/m2) wf - Füllwiderstandsbeiwert in kN/m2

Der Füllwiderstand ergibt sich aus der Reibung beim Aufwärtsgleiten des Erdstoffes am Planierschild (Reibung Boden-Stahl) und aus der Reibung des Bodenprismas beim Vor-wärtsschieben (Reibung Boden-Boden)


– 33 –

bs - Schneidenbreite hg - Grabtiefe

FZ,fr - freie Zugkraft in kN

Die freie Zugkraft ist die Kraft, die für die Überwindung der Arbeitswiderstände zur Verfügung steht:

) + + (= bir-vorhZ,frZ, FFFFF

FZ,vor - vorhandene Zugkraft in kN

Die vorhandene Zugkraft ist die Kraft, die seitens der Maschine zur Verfügung gestellt werden kann. Sie ergibt sich entweder aus den Möglichkeiten des Antriebsmotors oder den Kraftschlussverhältnis-sen an der Fahrwerk-Boden-Paarung:

FK,max - maximal über das Fahrwerk (nach dem Kraftschluss) realisierbare Zugkraft (Kraftschlusszug-kraft) in kN

GT - auf die Treibachse(n) wirkendes Gewicht in kN

( )gmmkG LMGT +⋅=

mM - Masse der Maschine mL - Masse der Nutzlast kG - Lastverteilungsfaktor (bei Allradantrieb: kG = 1) µK - Kraftschlussbeiwert (vgl. S. 22)

NF maxK,

K =µ

FT - antriebsseitig (aus der Antriebsleistung) maximal mögliche Zugkraft bei der Geschwindigkeit v in kN ⇒ Antriebszugkraft

PM - Leistung des Antriebsmotors in kW η - Wirkungsgrad der Kraftübertragungsanlage

η = 0,85 ... 0,9 mechanische Getriebe η = 0,6 ... 0,85 hydromechanische Getriebe

v - Geschwindigkeit v (in m/s)

Die Antriebszugkraft kann auch aus der Motor- und Getriebecharakteristik abgeleitet werden:

MMot - Drehmoment an der Kraftabgabeseite des Motors iges - Gesamtübersetzungsverhältnis µges - Gesamtwirkungsgrad rK - dynamischer Rollradius

Ist die Kraftschlusszugkraft kleiner als die Antriebszugkraft, so steht der Maschine mehr Vortriebskraft zur Verfügung als durch das Fahrwerk realisiert werden kann. Die Räder oder die Raupenketten drehen durch (Schlupf). Allerdings ist die Übertragung von Zugkräften immer mit einem definierten Schlupf verbunden (vgl. S. 22).

Andererseits führt eine zu schwache Antriebsleistung zum Ausgehen des Motors; der Motor wird abgewürgt. Darin besteht auch das Wesen der fahrdynamischen Grundgleichung (vgl. Abbildung oben):

Die Befahrbarkeit besteht in der Eignung des Erdstoffs zur Gewährleistung eines störungsfreien Fahrverkehrs bei gegebenen Witterungsbedingungen.

{ }Tmax,vorhZ, ;min FFF K=

αµ cosKTmaxK, ⋅⋅=GF

{ } ∑=

≥n

jFFF

1jTmaxK, ;min

vPF η⋅

= MT

K

gesgesMotT r

iMF

η⋅⋅=


– 34 –

Bei Wassereinwirkung auf bindige Erdstoffe bildet sich eine Schmierschicht an der Fahrbahnoberfläche ⇒ µK wird kleiner, Wr wird größer, weil die Räder stärker einsinken. Bei tieferer Durchfeuchtung verstärken sich diese Effekte. Die Räder drehen durch und arbeiten damit das Wasser in tiefer gelegene Schichten ein. Das Eintreten von FZ,erf > FZ,vorh bedeutet das Steckenbleiben des Fahrzeuges.

4.4.3 Manövrieren von Fahrzeugen und Baumaschinen

Baumaschinen und Fahrzeuge müssen oft in einem begrenzten Arbeitsraum (unter beengten Bedingungen) einge-setzt oder über beengte Verkehrswege umgesetzt werden. Zur Vorbereitung einer Baumaßnahme gehört deshalb auch die exakte geometrische Planung der Transportvorgänge.

Baustraßen müssen breit genug sein, um das Manövrieren (Rangieren, Aneinandervorbeifahren) zu gestatten. Soll ein Kran montiert werden, so muss unter Umständen ein Hilfskran anfahren und nach der Montage wieder wegfahren können. Ein Turmkran muss nach Errichten des Bauwerkes wieder die Baustelle verlassen können. Abb. 4.12 Grundformen des Manöv-

rierens (v.l.n.r.): Kurvenfahren, Wenden mit Rückwärtsfahrt, Wenden

In schwierigen Situationen helfen Modell- oder Computersimulationen weiter. Einfache Probleme lassen sich auch mit einem einfachen mathematischen Ansatz lösen. Bei solchen Untersuchungen ist jedoch zu beachten, dass eine Maschine den Lenkeinschlag praktisch stetig ausführt. Die rechnerischen Ansätze gehen in ihrer Vereinfachung aber von einem bestimmten unveränderlichen Lenkungseinschlag zu Beginn der Kurvenfahrt aus. Deshalb können solche Ansätze nur dem Verständnis dienen, nicht aber der Lösung praktischer Aufgaben. Tiefgründiger (dynamisch) soll das Problem mathematisch hier nicht behandelt werden. 5 Quellenangaben und Literaturhinweise

[1] Bauer, H. u. a.: Kraftfahrtechnisches Handbuch. – Wiesbaden : Vieweg, 2003. – 1232 S.

[2] Braess, H.-H. (Hrsg.), Seiffert, U. (Hrsg.): Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. – Braunschweig/Wies-baden: Vieweg, 2000. – 681 S.

[3] DIN 1313: Größen; Ausg. 12/1998

[4] Fronius, S. u. a.: Maschinenelemente – Antriebselemente. – Berlin: Verlag Technik, 1971. – 623 S.

[5] Heuer, H. u. a.: Baumaschinen-Taschenbuch. – Wiesbaden/Berlin: Bauverlag, 1994. – 345 S.

[6] Husemann, L.: Baufahrzeuge. – Stuttgart: Motorbuch Verlag, 2000. – 207 S.

[7] König, H.: Maschinen im Baubetrieb: Grundlagen und Anwendung (Leitfaden des Baubetriebs und der Bauwirtschaft). – Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden: Teubner, 2005. – 361 S.

[8] Kuchling, Horst: Taschenbuch der Physik. – Leipzig: Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, 2004. – 712 S.

[9] Kühn, G.: Der maschinelle Erdbau – Stuttgart: B.G.Teubner, 1984. – 398 S.

[10] Kunze, G.; Göhrung, H.; Jacob, K.: Baumaschinen: Erdbau- und Tagebaumaschinen. – Braunschweig/Wies-baden: Vieweg, 2002. – 407 S.

[11] Recknagel, Alfred.: Physik: Mechanik. – Berlin: Verlag Technik, 1986. – 388 S.

[12] Schwate, W.: Druckluftbetriebene Baugeräte. – Wiesbaden/Berlin: Bauverlag, 1996. – 346 S.

[13] VDI-Richtlinie 2153: Hydrodynamische Leistungsübertragung, Begriffe – Bauformen – Wirkungsweise; Ausg. 1994. – 44 S.

[14] VDI-Richtlinie 2740-2, Blatt 2: Mechanische Einrichtungen in der Automatisierungstechnik, Führungsgetriebe; Ausg. 2002. – 86 S.

[15] VDI-Richtlinie 3822: Schadensanalyse, Schäden durch tribologische Beanspruchung; Ausg. 1999. – 47 S.

produktions- und systemtechnik im baubetrieb bausteine der ... · 1.3 grundgrößen der mechanik,...

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