Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz eines Mobilbaggers im Rahmen von ERMA

Steigende Energiepreise, die Verknappung von Rohstoffen und der Klimawandel haben in der Kraftfahrzeugindustrie dazu geführt, die Energie- und Ressourceneffizienz neuer Fahrzeuge in den Fokus von Neuentwicklungen zu stellen. Diese Entwicklung ist auch in der Baumaschinenindustrie angekommen. Nicht nur steigende Energiepreise, auch gesetzliche Vorgaben, beispielsweise an die Emissionen von Verbrennungsmotoren, erhöhen den Druck auf die Hersteller, effizientere Maschinen zu entwickeln. Dabei steht nicht nur das kraftstoffeffiziente Arbeiten der Maschine im Vordergrund. Es muss vielmehr die Ökoeffizienz über den kompletten Lebenszyklus berücksichtigt werden. Um bereits frühzeitig in der Entwicklungsphase Aussagen über die Effizienz eines Produkts treffen zu können, werden vermehrt Simulationsprogramme eingesetzt. Diese sollen in der Lage sein, die Effizienz zu bewerten, ohne den kosten- und zeitaufwendigen Bau von Prototypen und deren Untersuchung im Rahmen von Feldversuchen.

Um die Effizienz eines Mobilbaggers beurteilen und verbessern zu können, müssen die hydraulischen und mechanischen Verluste im Betrieb ebenso betrachtet werden, wie die Ökoeffizienz über den gesamten Lebenszyklus. Zur Lösung dieser Aufgabe sind fachübergreifende Kompetenzen in unterschiedlichen Disziplinen notwendig. Daher hat sich eine Forschergruppe des Zentrums für Nutzfahrzeugtechnologie (ZNT) der RPTU zu dem öffentlich durch die Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation geförderten Verbundprojekt ERMA (Energie- und ressourcenoptimierte mobile Arbeitsmaschinen) zusammengeschlossen. Die Gruppe besteht aus den vier Lehrstühle KIMA (Lehrstuhl für Konstruktion im Maschinen- und Apparatebau), MEGT (Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik), MEC (Lehrstuhl für Mechatronik in Maschinenbau und Fahrzeugtechnik) und VPE (Lehrstuhl für Virtuelle Produktent-wicklung).

Im vorliegenden Beitrag soll über erste Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt ER-MA berichtet werden, das sich mit der Optimierung der Energieeffizienz eines Mobil-baggers beschäftigt. Des Weiteren werden aktuelle Methoden zur tribologischen Verlustabschätzung und die dazu entwickelten Simulationsmodelle im Zusammenhang mit mobilen Arbeitsmaschinen vorgestellt.

Ziel von ERMA sind die Erforschung, Entwicklung und Bewertung energieeffizienter Konzepte und Technologien für mobile Arbeitsmaschinen. Dabei stehen die Bereiche Energiemanagement, Life-Cycle-Management, Arbeitsgerät, Fahrantrieb und Antrieb von Nebenaggregaten eines Mobilbaggers im Vordergrund. Die bei der Analyse des bestehenden Systems gewonnenen Erkenntnisse fließen in neue, effizientere Konzepte ein, die an einem gekoppelten Mehrkörper-Hydrauliksystem-Simulations-Modell des der Forschergruppe zur Verfügung stehenden Mobilbaggers getestet und abschließend in einer Ökoeffizienz-Analyse bewertet werden. Neben den konkreten Ergebnissen werden Methoden entwickelt, mit denen der Produktentwickler bei der Bewertung seiner Lösungskonzepte hinsichtlich Energie- und Ressourcenverbrauch unterstützt wird.

Um den Energieverbrauch des untersuchten Mobilbaggers ermitteln zu können, wurden verschiedene, repräsentative Arbeitszyklen festgelegt und untersucht. Diese Untersuchungsergebnisse dienen als Grundlage für die Ermittlung der Verluste in den Einzelkomponenten und den Gesamt-Energieverbrauch des Baggers. Außerdem wird die Qualität der Ergebnisse aus den entwickelten Methoden an den Versuchsergebnissen gemessen.
Im Rahmen des Projekts ERMA beschäftigt sich der Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik mit den tribologischen Verlusten in Hydraulikzylindern und dem Antriebsstrang des untersuchten Baggers. Dazu werden aktuelle Methoden zur Verlustabschätzung recherchiert und in entsprechende Berechnungswerkzeuge integriert. Die entwickelten Berechnungsmodelle werden so parametrisiert, dass Varianten direkt untersucht werden können, um so einen effektiven und flexiblen Entwicklungsprozess zu unterstützen. Anschließend werden die Methoden auf den vorliegenden Bagger angewendet und die Güte der Ergebnisse durch den Vergleich mit den Versuchsergebnissen bewertet.

Die so getesteten Methoden und die Erkenntnisse aus den Untersuchungen werden zum einen in das Gesamt-Simulationsmodell des mobilen Baggers integriert und vervollständigen so die Verbrauchssimulation. Zum anderen fließen sie in eine Software ein, die speziell auf die Untersuchung von mechanischen Verlusten an Mobilbaggern entwickelt wird. Diese Software soll den Entwickler bei der Bewertung seiner Konzepte hinsichtlich ihrer Reibungsverluste und dem Aufbau von Simulationsmodellen mit dem Schwerpunkt Energieverbrauch unterstützen, ohne dass dabei detaillierte Kenntnisse z.B. über die Kontaktmodellierung in einer Mehrkörpersimulation notwendig sind.

ERMA stellt somit einen weiteren Schritt zur methodischen Effizienz-Optimierung auf dem Gebiet der mobilen Arbeitsmaschinen dar. Neben den Methoden und Werkzeugen zur Beurteilung der Energie- und Ressourceneffizienz werden konkrete Lösungen erarbeitet, um die Ökoeffizienz mobiler Bagger weiter zu verbessern.

_{Mohr, M.; Sauer, B.: "Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz eines Mobilbaggers im Rahmen von ERMA", in: Jacobs, G. (Hrsg.): "Antriebstechnisches Kolloquium ATK 2013", Aachen, Deutschland, 19. - 20. März 2013, Apprimus Verlag, Aachen, 2013, S. 193-220. - ISBN: 978-3-86359-076-5.}