Regulations such as TIER IV Final and STAGE IIIb force manufacturers of mobile construction machinery to reduce special exhaust gas components. As this requirement is unattainable solely through measures inside the engine and exhaust gas treatment is extensive, engines with reduced power seem to be a good compromise to meet the requirements. But then, a higher overall hydraulic efficiency is essential to fulfill the same tasks with the machine. In addition, decreasing energy resources lead to raising fuel costs. Customers require higher productivity without changes in the handling characteristics of the machine.
In this situation developers need assistance to accommodate these conflicting requirements. For this purpose, it is not only essential to create new and more efficient hydraulic system designs. Furthermore, the decision process requires high amount of information to rate different systems in short time. As real prototypes are expensive and require a lot of time for implementing new hardware on the machine and finding the optimal setup, hydraulic system simulations serve as a good tool to provide well-founded decisions.
Today, models and corresponding efficiency data of hydraulic components are accessible, so that is easy to build up and parameterize the hydraulic circuits as well as the interaction with the diesel engine. But, information about real duty cycle loads is often insufficient and not suitable for the comparison of different hydraulic systems. The reason is that measured data corresponds with the reference system and is hard to be used for systems with different characteristics such as response, acceleration and available power. Furthermore, the task does not have to be fulfilled with equal consumer motions for all systems. In consequence, an informed decision, which new system design to follow, is not possible.
To get information about system efficiency for slower and faster motions as well as lower and higher loads, it is indispensable to create load conditions from the kinematics of the machine. But, as multi-body simulation tools are also expensive and lead to higher simulation time, it is not clear if a series of co-simulations will be an alternative to number of prototype tests.
This paper deals with an efficient approach enabling a rating of improvements in mobile hydraulic systems. It demonstrates a methodology for investigating different system designs, even in case of insufficient cycle data. For this purpose, different ways will be followed and compared. First, measured cycle data is scaled with respect to load and cycle time leading to time-dependent conditions. Another considered option is to detect load-data from measured data and transform it to look-up table data considering both static and dynamic issues leading to time-independent data. At last, the kinematic of the machine is covered by mathematical equations leading to a physical model that is implemented directly to the simulation tool. All of these methods will be compared in general and in more detail with respect to accuracy and simulation time and efforts.
The investigations are based on a 21.5 t crawler excavator that was chosen as an example to represent conventional work hydraulic systems. This application also utilizes many subsystems that are typically found in mobile hydraulics. The interaction between the diesel engine, the work hydraulics and the kinematics of the machine is therefore considered in the simulations.
It will be shown that first information about efficiency and cycle performance of hydraulic systems can be detected easily in short time by efficient approaches that do not require high efforts in physical prototypes and costs for additional software. All results will be given using selective diagrams.

With the emergence of promising technologies such as hybrid solutions and alternative hydraulic systems aimed at optimizing the energy efficiency of mobile machinery, new requirements have been set for tomorrow’s hydrostatic units. In addition to the design modifications imposed by higher working loads and longer durability of every component, the engineering challenge is also shifting to improving the control dynamics of variable displacement units. The present paper illustrates these new requirements with the example of a so-called displacement controlled axial-piston swash-plate pump and points out the possible ways available for improving its control dynamics. In order to address this issue, the fundamental equations of every component affecting the dynamic response of the pump are derived. It includes the servomechanism of the pump itself, the pressure reducing valves used to control the servo-valve and the electric current control loop piloting the pressure reducing valves. On the basis of both simulation and measurements, key design parameters are identified and their contribution to the final dynamic response of the pump is presented.

Bisher kommt die elektrische Antriebstechnik für Fahrantriebe mobiler Arbeitsmaschinen, begründet durch die geringe Leistungsdichte und die hohen Kosten, nur dort zum Einsatz, wo Fahrzeuge in Gebäuden betrieben werden (z.B. Gabelstapler) oder wo besonders große Leistungen benötigt werden (z. B. Mining-Fahrzeuge). Gegenüber der etablierten hydraulisch-mechanischen Antriebstechnik weisen elektrische Antriebe einige Vorteile wie beispielsweise das Wegfallen des Hydraulikfluids, eine oft geringere Geräuschentwicklung, einen temporär emissionsfreien Betrieb, reduzierte Leerlaufverluste sowie einen besseren Wirkungsgrad im Teillastbereich, auf. Nachteilig ist das quadratisch von der Drehzahl abhängige Kippmoment, welches bei großen Spreizungen zur Überdimensionierung der Elektromotoren führt.

Für Anwendungen im Automotivebereich konnte durch Anhebung der Drehzahl von Elektromotoren auf über 20.000 U/min die Leistungsdichte erheblich gesteigert werden. Mit einer Leistungsdichte von 2 kW/kg kommen die elektrischen Maschinen heute bereits in die Nähe von hydraulischen Schrägscheibenmaschinen.

Ziel eines Teilprojektes des Verbundvorhabens TEAM ist es, das Potenzial dieser elektrischen High-Speed-Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen nutzbar zu machen und die Einsatztauglichkeit anhand von Prüfstands- und Feldversuchen nachzuweisen. Die hohe angestrebte Drehzahl erfordert die Weiterentwicklung geeigneter Elektromaschinen, Steuerungen und Getriebe. Die Antriebe sollen als Radantrieb eines Ackerschleppers und als Förderbandantrieb einer Straßenfräse zum Einsatz kommen. Aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten der Getrieberäder werden hier spezielle technische Lösungsansätze hinsichtlich Verzahnung, Lagerung, Dichtungstechnik sowie Schmierung notwendig, um den Anforderungen bezüglich Lebensdauer, Akustik, Wirkungsgrad und Wärmemanagement gerecht zu werden. Hierzu werden am Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung Vorversuche durchgeführt. Diese umfassen zum einen die Erprobung der hochdrehzahlbelasteten Komponenten, zum anderen die Funktionsprüfung des ausgelegten Öleinspritzsystems in der schnelldrehenden Planetengetriebestufe.

Bei der Auslegung der E-Motoren stellt die hohe geforderte Drehzahlspreizung der Zielanwendungen eine maßgebliche Herausforderung dar, da das maximal nutzbare Kippmoment quadratisch mit der Motordrehzahl abfällt. Dies führt häufig zu einer nennenswerten Überdimensionierung der E-Maschinen. Erkenntnisse sowie die Demonstratoren (Band- und Fahrantrieb) aus dem Vorhaben können in Folgeprojekten auch auf weitere Anwendungsfelder der mobilen Arbeitsmaschinen übertragen werden.

Der Beitrag zum „9. Internationalen Fluidtechnischen Kolloquium“ stellt zunächst die entwickelten Antriebskonzepte für den Fahrantrieb des Ackerschleppers sowie für den Bandantrieb der Straßenfräse vor. Die Risiken bei der Umsetzung derartiger Antriebskonzepte werden aufgezeigt, bewertet und Gegenmaßnahmen diskutiert. Anschließend werden die aus den Vorversuchen gewonnenen Erkenntnisse dargestellt. Diese Einsichten sollen Lösungsansätze zur optimalen Auslegung schnelldrehender Maschinenelemente aufzeigen.

Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen sehen sich mit wachsenden Anforderungen bezüglich
Energieeffizienz, Sicherheit und Anwenderfreundlichkeit konfrontiert. Dies macht eine
kontinuierliche Weiterentwicklung der Steuerungs- und Systemarchitekturen notwendig. Als Antriebslösungen für die Arbeitshydraulik mobiler Maschinen kommen derzeit hauptsächlich hydraulische bzw. elektrohydraulische Steuerungssysteme zum Einsatz, bei denen mehrere Verbraucher gleichzeitig und möglichst voneinander unbeeinflusst von einer Pumpe mit hydraulischer Leistung versorgt werden. Eine bedarfsgerechte Aufteilung der zur Verfügung stehenden Leistung wird dabei von Ventilen übernommen, welche meist in „open-center“ oder „closed-center“ Bauweise ausgeführt sind und über einen gemeinsamen Steuerkolben für Zu und Ablauf verfügen. Darüber hinaus kommen eine Reihe an zusätzlichen Elementen, wie Druckwaagen, Nachsaugventile, Lasthalteventile oder Sekundärdruckbegrenzungsventile, zur sicheren Umsetzung der Funktion zum Einsatz. Die sich ergebende Strukturkomplexität konkurriert mit der Forderung nach Flexibilität für Funktion und Bediencharakteristik.

Die steigende Etablierung elektrohydraulischer Komponenten und die damit verbundenen
steuerungstechnischen Möglichkeiten lassen mehrere Entwicklungstrends beobachten. Durch eine zunehmende Hybridisierung mobiler Arbeitsmaschinen oder vielmehr der Nutzbarmachung gespeicherter Hub- und Bewegungsenergie, sind verdrängergesteuerte Funktionen und Systeme mit getrennten Steuerkanten zusehends in den Fokus von Forschung und Entwicklung gerückt. Insbesondere Systeme mit getrennten Steuerkanten bieten dabei das Potential auch bei kostensensitiven Anwendungen die Potentiale zur Verbesserung des energetischen und dynamischen Verhaltens zu nutzen. Gleichzeitig ist es möglich die Struktur- und Steuerungskomplexität bei gestiegener Flexibilität zu reduzieren.

Obwohl die prinzipielle Idee einer unabhängigen Betätigung von Zu- und Ablaufventilen eines Verbrauchers nicht neu ist, hat diese Technologie erst in jüngster Vergangenheit ei einigen wenigen Herstellern Einzug in erste Maschinenkonzepte gefunden. Da die technologische Weiterentwicklung von Systemen im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen eher evolutionär und weniger revolutionär geprägt ist, sind vor allem der vermehrte Einsatz von Elektronik, Sensorik und dem damit verbundenen Steuerungs- und Regelungsaufwand Gründe für die fehlende Akzeptanz solcher Systeme. Daher ist es das Ziel neue, robuste und möglichst einfache Strukturen mit getrennten Steuerkanten zu entwickeln.

Der Beitrag verfolgt das Ziel aufbauend auf einer systematischen Erarbeitung und Analyse des möglichen Lösungsraumes neue elektrohydraulische Steuerungssysteme mit getrennten Steuerkanten zu entwickeln und zu untersuchen. Dabei sind sowohl der generatorische, als auch der konduktive Teil und insbesondere deren Zusammenspiel in Form des Steuerungs- und Regelungskonzeptes Gegenstand der Untersuchungen. Diese Systemsynthese bringt als Ergebnis Lösungsstrukturen hervor, welche sich durch eine einfache Ventilgestaltung und einen geringeren Komponentenaufwand Proportionalventile, Sensoren, Magneten) als bisherige Lösungen auszeichnen. Darüber lässt sich das Systemverhalten durch die Untersuchung der Grenzen und Möglichkeiten einfacher Betriebs- und Regelungsstrategien zusätzlich verbessern. Ergebnisse aus Simulation und Prüfstandsuntersuchungen dienen als Validierung der untersuchten Sachverhalte. Die Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit der neuen Systeme wird exemplarisch mit auf dem Markt etablierten Lösungen verglichen.