Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   2

Vorwort   3

Einleitung   4

Geschichtliches   5

Hydrostatische  Getriebe  6

Kettenwandler  /Riemenvariatoren  8

Stand  der Technik  9

hydrostatische  Antriebe  9

hydrostatisch  -mechanisch leistungsverzweigte Getriebe  11

Grundkonzept   12

CASE  /Steyr  13

Fendt   15

ZF   17

John  Deere  19

Claas   20

Wirkungsgradvergleich  zwischen stufenlosen Getrieben und Getrieben mit Lastschaltstufen  22

Steuerung   25

Zusatzfunktionen   28

Fahreindr  ücke  30

Beschreibung  des Schleppers:  30

Praktischer  Einsatz:  32

Forschungsvorhaben  /Prototypen  34

Diesel  - elektrische Antriebe  34

Kettenwandler  /Riemenvariatoren  37

Toroid  Getriebe  39

Nachwort   40

Literaturverzeichnis   41

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Vorwort

Das Thema dieser Studienarbeit kam durch mein großes Interesse an der Landtechnik zustande. Ich interessierte mich schon sehr früh für diesen Themenbereich da mein Großvater einen kleineren bäuerlichen Nebenerwerbsbetrieb besaß, bei dem ich immer die Maschinen reparierte. Fast alle Menschen die ich etwas zu diesem Thema fragte konnten mir eine präzise und leicht verständliche Antwort auf technische Fragen geben.

Aus diesem Grund soll diese Studienarbeit für den interessierten Laien verständlich aber für „fortgeschrittene“ nicht minder interessant sein.

Sie stellt im Prinzip eine „Einführung“ in das Thema dar, geht aber auf alle wichtigen Aspekte des Themas ein.

Sie ist kein Zusammenschnitt mehrerer Veröffentlichungen mit duzenden Literaturverweisen, auch wenn einige Gedankengänge oder sachliche Inhalte übernommen wurden.

Auch auf die Gefahr hin eventuell sachliche Mängel begangen zu haben, habe ich diese Studienarbeit frei formuliert und nur technische Daten oder Abbildungen aus der Literatur übernommen. In der Hoffnung eine verständliche und informative Einführung in das Thema sowie einen Überblick über den Stand der Technik zu geben.

Auch ein praktischer Aspekt soll in dieser Studienarbeit erläutert werden, das ganze soll ja wenigstens ein bisschen Spaß gemacht haben.

Ich möchte mich an dieser Stelle bei Herrn Tessenow für die Betreuung m einer Studienarbeit bedanken.

Bei der Fendt Vertretung RHG Lorsch für die Überlassung eines Vorführschleppers, sowie Informationsmaterials.

Bei Herrn Dr. Renius für die Überlassung einiger sehr interessanter Veröffentlichungen. Bei den Firmen ZF und CASE/IH-Steyr für die Übersendung von Informationsmaterial sowie bei der DLG für die kostenlose Übersendung diverser Testergebnisse.

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Einleitung

Der Schlepperfahrer beim Kartoffelroden:

Die dritte Lastschaltstufe im zweiten Gang ist zu langsam, aber die vierte zu schnell. Eigentlich müsste es eine Stufe dreieinhalb geben. Weiter vorne im Schlag ist die vierte Lastschaltstufe zu langsam.

Durch das Schalten in den dritten Gang und das zurückschalten in die erste Lastschaltstufe ist durch die Zugkraftunterbrechung ein erheblicher teil des Zeitgewinns wieder weg, da man ja auch wieder zurückschalten muss.

Und dann noch die nasse Stelle an der es eine Stufe 2einhalb geben müsste. Die Stufen eines Schleppergetriebes sind in der Praxis selten optimal. Man kann damit leben und arbeiten, verliert aber oft Geld und Zeit. Wenn der Fahrer mit einem Stufenlosen Getriebe z.B. den ganzen tag durchschnittlich 5,6km/h fahren kann statt 4,8km/h, schafft er in 12 Stunden dieselbe Fläche wie sonst in 14 Stunden. Oder bei Arbeiten mit zapfwellengetriebenen Anbaugeräten kann die Drehzahl der Zapfwelle immer in dem für das Gerät optimalen Drehzahlbereich gehalten werden, ohne dabei Einbußen in der Ausnutzung der Motorleistung hinnehmen zu müssen.

Ein stufenloses Getriebe bietet in der Landwirtschaft somit viele Vorteile. Auch die Verkehrssicherheit verbessert sich mit stufenlosen Getrieben.

Einerseits wird das Schalten einfacher bzw. entfällt ganz und der Fahrer kann sich auf den Verkehr konzentrieren.

Zum anderen beschleunigt ein Traktor mit stufenlosem Getriebe schneller und verleitet so weniger Autofahrer zu riskanten Überholmanövern.

Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Schaltpausen entfallen, sowie der Motor immer im Bereich des größten Drehmomentes bzw. der höchsten Leistung betrieben werden kann. Ende 1995 stellte die Firma Fendt im 260PS starken Favorit das stufenlose Getriebe „Vario“ vor. Für die Praxis eine Revolution.

Zwar hatte die TU München schon eher einen Schlepper mit einem Kettenwandler ausgerüstet und IHC arbeitete an dem Modell Hydro, doch auf die Praxis hatten diese Entwicklungen wenig Einfluss. Erst der Vario, mit einer Mischung aus mechanischer und hydrostatischer Kraftübertragung („leistungsverzweigt“) änderte das.

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Geschichtliches

Wenn man stufenlos wörtlich nimmt waren auch die allerersten Traktoren mit einem stufenlosen Getriebe ausgerüstet.

Sie hatten nur einen Gang und der Motor trieb die Räder direkt an. Der Wirkungsgrad dieses Getriebes war natürlich nicht zu übertreffen. Als Beispiele seien hier genannt:

- Die Deutz - Pfluglokomotive (1907), die mit

- Der Titan von International Harvester (1910),

- Oder der Benz - Sendling Motorpflug

Der Bedarf nach einem Schaltgetriebe kam jedoch schnell auf, da nur

eine Übersetzung für unterschiedliche Bodenverhältnisse und für den

Einsatz in „Universalmaschinen“ für unterschiedliche Arbeiten auf dem Acker und zur Fahrt auf der Straße weniger geeignet war.

Am Anfang der Entwicklung der Schaltgetriebe für Traktoren standen Getriebe mit zwei, drei oder vier Gängen.

Über einen Rückwärtsgang verfügten nicht alle Traktoren, denn zum Beispiel der Glühkopfmotor

Glühkopf war nötig, weil zum einen auch minderwertiger Kraftstoff verbrannt werden sollte zum anderen das Verdichtungsverhältnis für eine sichere Selbstzündung nicht groß genug war. Erst 1929 wurde in einem Lanz Bulldog mit Glühkopfmotor ein Getriebe mit Rückwärtsgang eingebaut, da das Umsteuern doch sehr viel Erfahrung des Fahrers voraussetzte (wie übrigens das Anlassen des Motors ebenfalls).

Je größer die Gangzahl desto größer die Wahrscheinlichkeit für die gegebenen Verhältnisse einen passenden Gang zu finden in dem der Motor nahe seines idealen Betriebspunktes arbeitet. Ein Schaltgetriebe stellt auf jeden Fall nur einen Kompromiss dar, gleichgültig wie fein die Gänge abgestuft sind.

Dies erkannten auch die Traktorhersteller relativ früh.

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So baute die Firma Primus 1942 einen Traktor mit elektrischem Antrieb und in England gab es 1952 einen Versuchstraktor der mit einem hydrostatischen Getriebe ausgerüstet war.

Hydrostatische Getriebe

Der 1965 vorgestellte Eicher „Mammut HR“ war mit einem

hydrostatischen Dowty-Taurodyne Wandlergetriebe mit einer Axialkolbenpumpe und einem Axialkolbenmotor ausgerüstet (Bild6). Der Traktor konnte vorwärts von 0 -25km/h und rückwärts von 0 -17km/h stufenlos gefahren werden. In der zweiten Ausführung der Mammut HR Baureihe wurden viele Verbesserungen, darunter eine verbesserte Bedienung des Getriebes über 2 Pedale anstelle eines Kipp - Pedals, u.Ä. realisiert. Eicher konnte bis 1972 aber insgesamt nur 71 Mammut HR verkaufen. Dies lag zum einen an dem um ca. 10% höheren Preis des Traktors mit stufenlosem Antrieb im Gegensatz Schaltgetriebe.

Zum anderen war der Wirkungsgrad des vollhydraulischen Getriebes speziell im Teillastbereich und bei höheren Geschwindigkeiten alles andere als gut.

Außerdem gab es auch schon damals immer besser abgestufte Schaltgetriebe. So bot der italienische Hersteller SAME Schlepper mit 48 Vorwärtsgängen an die prinzipbedingt einen bedeutend besseren Wirkungsgrad aufwiesen. Erfolgreicher auf diesem Feld war IHC.

Die International Harvester Corp. arbeitet schon in den 50er Jahren an einem mechanischen Wandler und baute 1960 den ersten Experimentalschlepper mit hydrostatischem Einzelradantrieb. 1961 war ein weiterer Schlepper mit einem Turbinenmotor mit 60.000 Umdrehungen ausgerüstet. Der serienreife Schlepper hatte dann aber wieder einen konventionellen

Kolbenmotor, konventioneller Hinterachse und wurde 1967 mit 62PS vorgestellt. 1969 folgen dann Modelle mit bis zu 112PS. Die Schlepper wurden vor allem in Sonderkulturen, wie z.B. dem Gemüsebau eingesetzt, wo die Vorteile des stufenlosen Antriebs eindeutig die Nachteile der höheren Kosten und des niedrigeren Wirkungsgrades aufwogen.

Alleine vom Typ Hydro656 (Bild 7) wurden 6620 Stück verkauft. Die Produktion wurde aber 1984 kurz nach der Übernahme von IHC durch

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die CASE Corp. eingestellt.

Des weiteren wurden immer wieder Sonderfahrzeuge und Geräteträger mit hydrostatischen Antrieben ausgerüstet.

Aufgrund der hohen Verluste der hydrostatischen Getriebe gingen viele Hersteller den Weg der mechanischen Vielstufengetriebe.

Die kurzfristige Kraftunterbrechung beim Schaltvorgang, die vor allem bei schwerer Zugarbeit von Nachteil ist, wurde ab Ende der 60er zunehmend mit 2 oder mehrstufigen Lastschaltstufen gemindert. Durch diese Teillastschaltung konnte je ein mechanischer Gang um Drehzahlsprünge von j e ca 15-20% erweitert werden. Diese Teillastschaltgetriebe bedienten sich meist hydraulisch oder mechanisch geschalteter Lamellenkupplungen, wobei hier Verluste durch die mit angetriebenen Kupplungen sowie der ständig im Eingriff stehenden Zahnräder der Lastschaltstufen auftreten. Daneben wurden teilweise hydrodynamische

Kupplungen eingebaut, die es erlauben den Schlepper ruckfrei anzufahren, außerdem wurden die Fahrkupplung sowie das Getriebe geschont und der Fahrkomfort deutlich erhöht. Des weiteren war zum Beispiel ein Halten am Hang ohne Kraftunterbrechung möglich. Die Verluste von 2 -3%, die bei einer hydrodynamischen

Höchstdrehzahl zu verzeichnen sind, wurden teilweise durch mechanische Überbrückungen

kompensiert.

Als erster Hersteller b enutzte Allgaier-Porsche in seinem AP17 eine hydrodynamische Kupplung von Voigt.

In Deutschland wurde die sogenannte Turbomatik vor allem durch die Firma Fendt aus Marktoberndorf verbaut und populär. Hier wurde sie erstmals 1965 in den Typ Farmer 3S eingebaut. Sie arbeitete ausschließlich als Föttinger - Kupplung und nicht als Drehmomentwandler. Die Turbomatik wird bis heute in Fendt Traktoren (Bild 8) und in leicht abgewandelter Form auch in Traktoren der Firma Valtra eingebaut.

Als Alternative zum rein hydrostatischen Getriebe gab es ab Mitte der 80er bei mehreren Marken die Option, das normale Schaltgetriebe mit einem hydrostatischen Getriebe für kleine Geschwindigkeiten zu ergänzen. Diese Lösung hatte den Vorteil, dass die Verluste des Hydrostaten nicht zu groß wurden, da bei höheren Geschwindigkeiten eine rein mechanische Kraftübertragung erfolgte. Die zusätzliche Ausstattung mit einem Hydrostaten war allerdings mit zusätzlichen Kosten verbunden. Der Schlepperhersteller John Deere baute in einige Typen der 30er und 40er Schlepperserien hydraulische Nabenmotoren in die Räder der Vorderachse ein. Hierdurch konnte eine sehr hohe Wendigkeit der Schlepper und eine hohe Bodenfreiheit erreicht werden. Allerdings war die Zugkraft durch den maximalen Öldruck begrenzt und es kam in der Praxis unter extremen Bedingungen häufig vor, dass die Vorderräder einfach stehen blieben. Dies stimmte viele Besitzer dieser Traktoren so missmutig, dass John Deere von dieser Technik im Schlepperbau völlig Abstand nahm und nur noch mechanische Allradantriebe baut, die eben so lange durchdrehen bis der Motor abgewürgt ist.

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Kettenwandler/Riemenvariatoren

Der Riemenvariator ist im stufenlosen Bereich schon lange eine Alternative zur hydraulischen Lösung, so werden z.B. in Mähdreschern Riemenvariatoren zur Geschwindigkeitsregelung von Dreschkorb o.ä. eingesetzt.

Die grundsätzliche Funktionsweise eines Riemenvariators ist leicht

verständlich. Es werden zwei Kegelscheibenpaare kraft- und nicht formschlüssig miteinander verbunden. Sie werden von einer Kette oder einem Riemen umschlungen Von den beiden Kegelscheiben eines Paares ist jeweils eine beweglich. Somit ist es möglich durch ein verschieben

Riemenscheibendurchmessers zu erreichen. Da der Riemen zur Kraftübertragung gespannt bleiben muss, werden immer beide beweglichen

Bild 9

Scheiben gegensinnig verstellt. Somit ist eine stufenlose Veränderung der Ausgangsdrehzahl gegenüber der Eingangsdrehzahl möglich (Bild 9). Getriebe die nach diesem Prinzip arbeiten wurden schon Ende der 50er von der Firma

Van Doorne in DAF Pkw eingebaut. Da diese Getriebe aber sehr groß bauten und nur geringe Leistungen (im DAF ca. 35PS) übertragen werden konnten, wurden später die Riemen gegen ein Schubgliederband (Bild10) ersetzt. Hierdurch ist es möglich nicht nur Zugkräfte, sondern auch Schubkräfte im „Leertrum“, zu übertragen. Mit der Zeit wurde die Drehzahl durch Vorschaltgetriebe angehoben und die Spannung des Gliederbandes erhöht. Dies machte eine Dauerschmierung nötig. Getriebe dieser Bauart (Bild 11) werden heute in vielen kleinen Pkw als Automatikgetriebe verbaut (z.B. Ford Fiesta). Im Mähdreschern, bei denen die Baugröße aufgrund der Abmessungen der Maschine selbst eine untergeordnete Rolle spielt, werden bis heute Riemenvariatoren Dreschtrommel eingesetzt.

Auf dem gleichen Prinzip beruht der Kettenwandler nach dem System von PIV-Drives (vorher PIV-Reimers) aus Bad Homburg. Ein solcher Getriebeautomat wird heute unter anderem von LUK hergestellt und zum Beispiel von Audi als Multitronic eingebaut. Bei diesem Wandler erfolgt die Kraftübertragung über eine Laschenkette. Bei dieser Laschenkette erfolgt die Kraftübertragung durch die durch Laschen verbundenen Pins. Diese sind an den Stirnseiten ballig und drücken gegen die Kegelflächen der Scheiben. Der Anpressdruck dieses Getriebes wird lastabhängig geregelt, so ist trotz eines hohen Anpressdrucks ein vertretbarer Verschleiß erreichbar. Die PIV-Drives ist schon seit 1928 im stufenlosen Geschäft.

Die TU München baute in den 80ern einen Kettenwandler von Reimers in einen Versuchstraktor ein, auf den ich später noch näher eingehen möchte.

Stand der Technik

hydrostatische Antriebe

Bei Mähdreschern (Bild 13), Feldhächslern,

Rodern( Bild 14) oder anderen selbstfahrenden Erntemaschinen werden meist hydrostatische Antriebe eingesetzt. Diese Maschinen fahren a uf dem Feld meist nicht über 10km/h und nur kurze Passagen auf der Strasse. Der Wirkungsgrad

Geschwindigkeiten spielt hier also eine untergeordnete Rolle. Auch wird nur ein kleiner Teil der Motorleistung zum Antrieb benötigt, da anders als beim Traktor nur die Maschine selbst und kein Anbaugerät bewegt werden muss.

Es sind 2 Systeme zu unterscheiden. Zum einen hydrostatische

konventionellen Achsantrieben, zum anderen der Antrieb über Radmotoren. Bild 13:Mähdrescher Lexion 480 der Firma Claas Bild 14:Rübenroder Terra Dos der Firma Holmer Hydrostatische Getriebe werden auch in Verbindung mit

vor- oder nachgeschalteten mechanischen Stufengetrieben meist in Mähdreschern oder Selbstfahrhächslern eingesetzt.

In diesem Fall kommen meist hydraulische Axialkolbenmotoren in gerad- oder schrägachsiger Bauform zur Anwendung.

Durch verschwenken der Schwenkscheibe bzw. der Kolbentrommel wird der Ölstrom und damit die Drehzahl des Ölmotors eingestellt. Die Schwenkrichtung bestimmt die Richtung des Ölstroms und