Hydraulische Antriebstechnik in mobilen Arbeitsmaschinen

Unter dem Begriff der Mobilen Arbeitsmaschinen wird heute eine Vielzahl unterschiedlichster Maschinentypen aus diversen Branchen verstanden. Neben Land- und Baumaschinen sind hierunter auch Kommunalmaschinen und zahlreiche Sondermaschinen zusammengefasst. Alle diese Maschinen besitzen die gemeinsame Eigenschaft, dass sie neben ihrer Mobilität im Sinne eines Fahrzeuges vor allem aber primär den Zweck der Durchführung eines Arbeitsprozesses erfüllen müssen. Sie bilden hierdurch ein sehr attraktives Arbeitsfeld des Maschinenbaus, da diverse Disziplinen zusammengeführt werden, wie beispielsweise Konstruktionsmethodik, Antriebstechnik oder sämtliche Arbeitsfelder der Automatisierungstechnik. Eine besondere Herausforderung bildet der Outdoor- und Offroad- Einsatz. Dass die Maschinen durchweg Investitionsgüter darstellen und somit die zwingende Voraussetzung einer im globalen Markt nachgewiesenen wirtschaftlichen Nutzbringung für den Endkunden erfüllen müssen, erhöht den Reiz zusätzlich. Insgesamt wächst die wirtschaftliche Bedeutung der Maschinen auch mit einem Schwerpunkt für Deutschland. Dieser Aspekt ist insbesondere durch die großen Leitmessen belegbar, die nicht ohne Grund in Deutschland angesiedelt sind. So konnte sich die Leitmesse der Baumaschinen BAUMA 2007 in München mit 540.000 m² als die flächenmäßig größte Messe der Welt präsentieren. Mit rund 3.000 Ausstellern und 500.000 Besuchern verfolgt sie verglichen mit den letzten Jahren einen stetigen Wachstumskurs [Lan07]. Aber auch die Leitmesse der Landmaschinenindustrie AGRITECNICA zeigte im selben Jahr bei hervorragender Stimmung der Industrie einen deutlichen Wachstumskurs. Mit 2.300 Ausstellern und 340.000 Besuchern zeigte sie sich so groß wie noch nie und war damit hinter der CEBIT die größte Ausstellung am Messestandort Hannover [Lan08].
Technisch gesehen konzentrieren sich die aktuellen und zukünftigen Entwicklungen bei mobilen Arbeitsmaschinen auf eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch eine stetige Leistungs- bzw. Produktivitätssteigerung und wachsende Funktionalität bei gehobenen Wirkungsgraden. Aber auch die Steigerung der Arbeitsqualität sowie erhöhte Verfügbarkeit bei verringertem Wartungsaufwand sind wichtige Themen. Wie diese Ziele für die jeweiligen Maschinentypen optimal erreicht werden können, kann variieren. Im Allgemeinen zeichnet sich aber ab, dass die Maschinen aufgrund limitierter Gewichte und Maße nicht weiter vergrößert werden können. Es ist daher nachvollziehbar, dass eine Produktivitätssteigerung im Wesentlichen durch größere Prozessgeschwindigkeiten und –sicherheit erreicht werden muss, was wiederum eine Teil- oder Vollautomatisierung nach sich zieht. Hierfür ist nicht nur die Beherrschung der notwendigen Antriebstechnik zwingend notwendig, sondern auch die Einführung von umfangreichen Überwachungssystemen (Machine Condition Monitoring).
Bei den Antrieben der Maschinen steht auch für die Zukunft eine Steigerung der Energieausnutzung im Vordergrund, was an den zahlreichen Varianten verfügbarer Antriebskonzepte durch unterschiedlichste Ansätze gemessen werden kann. Neben den wirtschaftlichen Themen sorgen aber auch gesetzliche Auflagen für einen erhöhten Druck auf die Maschinenhersteller. Zum einen sind steigende Anforderungen an die Abgasemissionen zu erfüllen, zusätzlich aber auch noch andere umweltschonende Auflagen. Das gilt insbesondere, wenn die Maschinen auch Offroad eingesetzt werden sollen. Die Auflagen zum Schutz des Bedieners und Dritter durch Maschinenrichtlinien wachsen ebenfalls stetig. Diese Beispiele zeigen deutlich, wie vielfältig die Herausforderungen geartet sind, die bei der nachhaltigen Weiterentwicklung mobiler Maschinen zu bewältigen sind. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) hat hierauf reagiert, ein „Forum Mobile Maschinen“ initiiert und im Kreis von Experten aus Forschung und Entwicklung eine Roadmap zur Orientierung zukünftiger Entwicklungen entlang der Wertschöpfungsketten erarbeitet [VDMA07].
Ein wesentliches Augenmerk bei der Entwicklung mobiler Arbeitsmaschinen liegt bei den Antrieben, sowohl beim Fahr- als auch bei den Arbeitsantrieben, deren Stellenwert gegenüber der rein mechanischen Konstruktion des Maschinengestells zunimmt. Unter Berücksichtigung einer entsprechenden Streuung kann heute grob festgehalten werden, dass bei der Entwicklung einer mobilen Arbeitsmaschine nur noch rund ein Drittel der Kosten in Mechanik fließen. Ein weiteres Drittel fließt in das Thema der - in erster Linie hydraulischen - Antriebe und das letzte Drittel in Elektronik und Funktionalität, die sehr eng mit den Antrieben verzahnt sind. Hieraus folgt, dass für den kundenwerten Nutzen der Maschine die Antriebe von sehr großer Bedeutung sind.
Die vorliegende Ausarbeitung fasst zunächst einige Grundlagen hydraulischer Antriebe auf und beschäftigt sich dann mit einer über den Stand aktueller Lehrbücher hinausgehenden Systematik der hydraulischen Schaltungstechnik sowie der Diskussion grundlegender und erweiteter Systemschaltungen. Nach einer Begriffsbestimmung mobiler Arbeitsmaschine und der Beschreibung allgemeiner Systemanforderungen an die hydraulischen Antriebe folgt eine Beschreibung aktueller Entwicklungen im Bereich der Forschung und Technik. Zweck der Arbeit ist es nicht, in erster Linie neue Aspekte im Sinne von Forschungsergebnissen aufzuzeigen, sondern die Systematik des immer breiter werdenden Arbeitsfeldes hydraulischer Antriebstechnik bei mobilen Arbeitsmaschinen zu bereichern.