Anforderungen an das Antriebstrang eines schweren NFZ

Anforderungen an das Antriebstrang eines schweren NFZ
Autoren: Dipl.-Ing. Danilo Engelmann, Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer , B.Eng. Johannes Müller, Werner Müller
Für Fahrzeuge, die im Gelände eingesetzt werden und auf gute Traktion angewiesen sind oder eine
hohe Antriebsleistung übertragen müssen, ist der Allradantrieb heute ein bewährtes Mittel. Gerade
mobile Arbeitsmaschinen stehen im Spannungsfeld zwischen Energieeffizienz, Performance,
Schadstoffreduzierung und Kosten. Besonders im unwegsamen Gelände stoßen diese Fahrzeuge mit
Allradantriebe hier schnell an ihre Grenzen. Neben einem guten Wirkungsgrad muss der
Antriebsstrang auch eine Kurvenfahrt ermöglichen, ohne Verspannungen in den übertragenden
Elemente, bzw. Zwangsschlupf an den Rädern, zu verursachen. Um dies zu gewährleisten, muss bei
Fahrzeugen bei denen die Antriebsräder auf unterschiedlichen Kurvenradien abrollen( Abbildung 1)
und mindestens eine angetriebenen Achse besitzen, der Antriebsstrang eine Möglichkeit vorsehen,
eine Drehzahldifferenz zwischen dem kurveninneren und kurvenäußeren Rädern zuzulassen. Eine
etablierte Lösung stellt seit jeher das mechanische Differential dar. Dieses ermöglicht den Antrieb
von mehreren Rädern und stellt dabei theoretisch eine verspannungsfreie Kurvenfahrt des Fahrzeugs
sicher. Das klassische offene Differential lässt dabei nur eine feste Drehmomentenverteilung zu und
kann nicht immer die maximale Zugkraft darstellen [1]. Gerade Fahrzeuge mit Allradantrieben, nach
dem aktuellen Stand der Technik, neigen selbst bei der Geradeausfahrt mit beispielsweise ungleichen
Bodenbeschaffenheiten oder Achslastschwankungenschnell zu Antriebsverspannungen [2]. Eine
andere Lösungsvariante zur Vermeidung dieser Probleme stellen elektrische oder hydraulische
Einzelradantriebe dar, jedoch sind sie im Offroadbereich oft mit Nachteilen verbunden, da sie die
ungefederte Masse erhöhen, aufwendige Regelungen benötigen und zum Teil eine schlechte
Energiebilanz aufweisen. Eine weitere Möglichkeit bietet ein starrer Achsabtrieb mit entsprechenden
Kupplungen oder Überlagerungsgetrieben; diese Elemente bewerkstelligen dann die notwendigen
Drehzahldifferenzen. Damit kann jedes Rad seine maximale Zugkraft aufbringen, ohne bei
Kurvenfahrt Verspannungen im Antriebsstrang zu induzieren. Solche aktiven TorquevectoringSysteme finden im PKW-Bereich bereits Anwendung. Ein solches Prinzip ist auch bei mobilen
Arbeitsmaschinen vorteilhaft und vorstellbar. Im Rahmen des Forschungsprojekts „Line Traction 3
Antriebstechnik“ (LT3) wird ein solches System für die Verwendung in derart schweren Fahrzeugen
untersucht. Ziel war es, einen mechanischen Antriebsstrang zu schaffen, bei dem alle Räder einzeln
aktiv steuerbar sind. Wesentlicher Lösungsbestandteil bei der Umsetzung dieses Vorhabens war die
Realisierung eines steuerbaren Planetengetriebes, unter der Berücksichtigung der Randbedingungen
der mobilen Arbeitsmaschinen. Im Folgenden soll die Funktion des LT3-Konzeptes, dessen
konstruktiver Aufbau sowie die Umsetzung zu einem Demonstrator vorgestellt werden.
Funktion des LT3-Konzepts :
Die prinzipielle Wirkungsweise des steuerbaren Planetengetriebes wird in (Abbildung 2) gezeigt. In
diesem Fall ist das Sonnenrad mit dem Antrieb und der Steg mit dem Abtrieb (Rad) verbunden. Das
Hohlrad ist direkt mit einer hydrostatischen Radialkolbeneinheit verbunden. Bei Geradeausfahrt
bleibt der Umlauf des Fluides im hydrostatische Kreislauf der Einheit und somit die radiale Bewegung
der Kolben blockiert; die hydrostatische Einheit fungiert als Stütze für das Hohlrad. Die Räder werden
mit einer starren übersetzungsproportionalen Drehzahl angetrieben. Bei einer kontrollierten
Freigabe eines Volumenstroms der Einheit verdreht sich das Hohlrad in die Richtung des anliegenden
Stützmoments, die Drehzahl am Rad nimmt aufgrund der entstehenden Drehzahlüberlagerung ab.
Grundsätzlich lässt sich die Raddrehzahl bis auf Drehzahl Null reduzieren. Bei Kurvenfahrt wird
jeweils das Rad auf dem äußersten Kurvenradius ohne Drehzahlreduzierung angetrieben. An den
inneren Rädern werden die Drehzahlen entsprechend reduziert. So können die notwendigen
Differenzdrehzahlen über den kompletten Antriebstrang eingestellt werden wie sie z.B. nach der
Ackermann-Bedingung erforderlich sind. Durch einen derartigen Aufbau und dazugehöriger
Steuerung des Systems kann die Nähe zu Überlagerungslenkgetrieben für Gleiskettenfahrzeuge
erkannt werden. (Abbildung 3). Allerdings ist durch die Auftrennung der symmetrischen
Drehzahlüberlagerung bei der Verwendung von zwei separaten hydrostatischen Einheiten und deren
getrennte Steuerung jede beliebige Drehzahl unterhalb der Eingangsdrehzahl an der Sonne
realisierbar. So schafft das LT3-System Freiheitsgrade in den verschiedensten Fahrsituationen.
Dynamische Abweichungen sind radindividuell korrigierbar. Einflüsse der Umgebung, Quer- oder
Längsbeschleunigung können je nach Ausstattungsmöglichkeiten der Sensorik des Fahrzeugs
berücksichtigt werden.
Antriebstrangtopologie und Bauraumkonzepte:
Es ist möglich die Funktion des Line Traction 3 Antriebs in beliebige Fahrzeuge zu integrieren. Dies ist
durch zwei Bauraumkonzepte möglich, diese ermöglichen, jede fahrwerksspezifische Vorgabe eines
Fahrzeugs zu erfüllen. Die integrierte Bauform (Abbildung 4), ähnelt dem normalen Achsdifferential
und enthält pro Fahrzeugseite ein wie in (Abbildung 2) dargestelltes steuerbares Planetengetriebe.
Die andere Variante ist die aufgelöste Bauform und ist für den Einsatz in schweren Fahrzeugen wie
z.B. mobilen Arbeitsmaschinen konzipiert (Abbildung 5). Wird das aufgelöste Konzept genauer
betrachtet, ist zu erkennen, dass in der Achsmitte dieses Systems ein starres Winkelgetriebe
vorhanden ist. An den äußeren Wellenenden befinden sich, ein Planetengetriebe in den
Radträgereinheiten (Abbildung 5 und 6 ) Auch hier wird die variable Drehzahlsteuerung des Rades
durch den Einsatz einer hydrostatischen Abstützung des Hohlrades und der daraus resultierenden
Drehzahlüberlagerung erreicht. Im Projekt steht die Entwicklung der aufgelösten Bauform im
Vordergrund, durch diese Bauform können die Besonderheiten der verschiedenen Konzeptionen von
mobilen Arbeitsmaschinen flexibel berücksichtigt werden.
Der Entwicklungsprozess:
Ziel des Projekts sind die Verifikation und Validierung der Funktionen des LT3 Prinzips. Um dies zu
erreichen, ist der Aufbau eines Überlagerungsgetriebes, wie es später im Fahrzeug Anwendung
finden soll, notwendig. Dazu wurde ein Demonstrator realisiert, dieser wurde allerdings im Bauraum
erweitert, um Messtechnik aufzunehmen. Durch die zusätzliche Messtechnik wird der komplette
Zustand des Systems zu jedem Zeitpunkt erfasst (Abbildung 7). Später kann in einer seriennahen
Realisierung der Umfang an Sensoren deutlich verringert werden. Die Leistungsfähigkeit des
Demonstrators wurde entsprechend der Maschinenausrüstung des Prüfstands ausgelegt. Das
prinzipielle Vorgehen beim gesamten Entwicklungsprozess entspricht dem V-Modell aus der VDI
Richtlinie 2206. Die sich ergebenden Anforderungen werden in erste Systementwürfe überführt.
Dazu werden begleitend Modelle dieser Entwürfe mit Mehrkörpersimulation und MultidomainSimulationsmodelle untersucht. Mit der Mehrkörpersimulation werden die wirkenden Kräfte und
Momente untersucht, dadurch können die Belastungen ermittelt werden und entsprechend in den
Auslegungsprozess mit einfließen. Durch die Multidomain-Simulationsmodelle können die
hydrostatischen Effekte und Einflüsse auf das Überlagerungsgetriebe genauer betrachtet werden. So
wird ein Mehrwert gegenüber einer reinen Betrachtung mit Mehrkörpersimulation generiert, z.B.
bezüglich Verlusten etc. Ebenfalls kann mit diesen Simulationsmodellen die Regelung des
Überlagerungsgetriebes vorab untersucht werden. Durch die Kombination der beiden
Simulationstools können erfolgversprechende Varianten entdeckt oder ungünstige Konfigurationen
verworfen werden. Als erste Abgleichsmöglichkeit der verschiedenen Simulationsergebnisse der
beiden Tools fungieren die jeweils erzeugten Bewegungsbewegungsprofile des Planetengetriebe
(Abbildung 8).
Hydrostatische Einheit:
Eine Eigenentwicklung des Projekts stellt die hydrostatische Einheit dar. Im Fokus steht die
Integration dieser Einheit in den Bauraum der Radträgereinheit und in das sich darin befindliche
Planetengetriebe. Eine axial schmal bauende Bauform ist durch eine Radialkolbeneinheit gegeben.
Durch die innere Druckbeaufschlagung, im Vergleich zu einer außenbeaufschlagten Variante ist die
bisherige Halterung des Hohlrads dahingehend geändert, damit diese wie in (Abbildung 9), die
notwendigen Kolben aufnimmt. Ebenfalls wird mit dieser Variante ein steiferes Gesamtsystem
erreicht und die Lagerung ist dadurch verbessert.
Ein weiterer funktioneller Bestandteil der hydrostatischen Einheit ist die Abstützung des Hohlrades
bzw. dessen Stützmomentes. Zur Beeinflussung der Drehzahlüberlagerung am Planetengetriebe,
muss ein Volumenstrom freigegeben werden. Daher weist während der Drehzahlüberlagerung die
hydrostatische Einheit Hydropumpencharakteristik auf. Durch die Vermeidung von relativen
Bewegungen zwischen den Dichtflächen kann das Dichtkonzept, abgesehen von den Dichtringen der
Kolben, komplett statisch ausgeführt werden. Die für die Gesamtfunktion notwendige Dichtheit der
hydrostatischen Einheit ist damit gewährleistet. Ebenso wird auf den sonst bei Radialkolbeneinheiten
üblichen Steuerspiegel verzichtet und durch einfache Rückschlagventile ersetzt. So wird das
erwähnte statische Dichtkonzept durch den Verzicht nicht notwendiger drehenden Teil konsequent
umgesetzt. Wichtiger Kernpunkt im hydraulischen Kreislauf ist die Regelung des Gesamtsystems LT3
durch die Regulierung des im Kreislauf umlaufenden Volumenstroms. Um die verschiedenen
Möglichkeiten der Volumenstromregelungen am Demonstrator untersuchen zu können sowie um
eine Möglichkeit vorzusehen, entsprechende Messtechnik zu integrieren, wurde auf eine
hochintegrierte Bauweise der Leitungen für den Demonstrator, wie sie in einer seriennahen Bauform
möglich wäre, verzichtet(Abbildung 7).
Durch die Separation der Leitungen aus dem eigentlichen Gehäuse des Demonstrators ergibt sich die
Möglichkeit (Abbildung 10), durch ein 3/2-Wegeventil das Fluid durch eine Konditionierungsstrecke
in den Umlauf zu bringen. So sind Versuche mit gleich bleibender Fluidtemperatur möglich. Durch
weitere Druckbegrenzungsventile ist der Hochdruckbereich des Demonstrators zum Schutz der
Messtechnik auf 450 bar begrenzt, durch ein weiteres Druckbegrenzungsventil ist es möglich, die
Vorspannung des Niederdruckbereichs auf Druckniveaus von 0 bis 25 bar einzustellen. Die
Nachspeisung erfolgt durch die prüfstandseigene zentrale Druckversorgung. In einer seriennahen
Bauform können alle Leitungen und Ventile in das Gehäuse der Radträgereinheit integriert werden.
Dadurch ergibt sich eine drastische Verkürzung der Leitungslängen gegenüber dem jetzigen
Demonstrator.
Mechanischer Teil:
Für die Übertragung der Antriebsleistung des Antriebs an das Rad und in der Bewerkstelligung der
notwendigen Drehzahlüberlagerung nimmt das Planetengetriebe die zentrale Rolle im
Gesamtantriebsstrang des Fahrzeugs ein. Zudem bestimmt es zusammen mit dem starren
Winkelgetriebe im Achszentrum das Übersetzungsverhalten der gesamten Achse. Durch die
entwicklungsbegleitende Simulation konnte die Konstruktion des Planetengetriebes dahingehend
vereinfacht werden, dass die Beschaffung der notwendigen mechanischen Bauteile für das
Planetengetriebe des Demonstrators durch auf dem Markt verfügbare Teile ermöglicht wurden. Eine
Ausnahme stellte das Sonnenrad des Getriebes dar; hier handelt es sich um ein im Projekt eigens
entwickeltes Design. Der Demonstrator ist mit Eingangsdrehzahlen bis 4000 U/min und
Ausgangsdrehmomenten bis maximal 5000 Nm belastbar. Um den Zustand des gesamten Systems zu
erfassen, ist es neben der Erfassung der hydraulischen Messgrößen des hydrostatischen Kreislaufs
ebenfalls notwendig, die mechanischen Messgrößen wie Drehmoment und Drehzahl des
Planetengetriebes zu erfassen. Die Messgrößen des Sonnenrades und des Planetenträgers werden
durch die Messtechnik der Antriebsmaschine bzw. Belastungsmaschine erfasst. Um das Drehmoment
des Hohlrades zu erfassen, war die Integration eines telemetrischen Drehmomentmessflansches
notwendig (Abbildung 7). Damit sind hydrostatische Einheit und Planetengetriebe im Demonstrator
weiter voneinander räumlich getrennt als es in einer seriennahen Ausführung des LT3 Systems
möglich wäre. Dort kann auf diesen Sensor später verzichtet werden und damit der Bauraum weiter
axial reduziert werden.
Steuerung:
Die Entwicklung der Steuerungssystematik und deren Integrationsmöglichkeiten in die verschiedenen
bestehenden Fahrzeug-Regelstrukturen sind ebenfalls Bestandteile des bestehenden Projekts. Denn
im Vergleich zu ähnlichen Systemen im PKW-Bereich stellt die Varianz der möglichen
Fahrzeugkonzepte sowie deren Antriebe, wie sie bei mobilen Arbeitsmaschinen vorkommen können,
besondere Anforderungen an die Steuerung des LT3-Systems. Daher wurde der Demonstrator mit
einem frei programmierbaren Steuergerät mit CAN-Bus Konnektivität verwendet. Es können alle
gängigen bestehenden Can-Bus-Standards und Spezifikationen eingehalten werden, wie z.B. der
Standard SAE 1939. Die Regelung des Gesamtsystems kann so mit unterschiedlichen
Sensorkonzepten und Umfängen untersucht werden, dem Demonstrator werden nach dem „X in the
Loop“ Ansatz die entsprechenden virtuellen Sensordaten aus der Simulation über Can Bus zur
Verfügung gestellt. Somit kann die Regelung des Demonstrators mit verschiedenen virtuellen
Fahrzeugkonzepten, deren Regelerstrukturen sowie deren Sensorkonzepten konfrontiert werden,
denn der Umfang an Sensoren der am Markt verfügbaren Fahrzeuge ist nicht einheitlich und variiert
stark in Typ und Branche. Für jede Kombination aus Fahrzeug und dessen Einsatzweck ist dadurch
eine sinnvolle Mindestanforderung an den Umfang der Sensoren bzw. die zu bereitstellenden
Informationen formulierbar. Außerdem ist es möglich, den notwendigen Aufwand für bestehende
Fahrzeuge als Retro-fit Variante ab zu schätzen.
Konzeptionell wird die notwendige Differenzdrehzahl schon über die Fahrzeuggeometrie und den
Lenkwinkel bestimmt.
Aufbauend auf diesen Mindestumfang der Sensoren können dann mit zusätzlichen Sensoren für
Beschleunigung, Gierwinkel etc. zusätzlichen Informationen zur individuellen Steuerung genutzt
werden. Damit finden Effekte Berücksichtigung wie z.B. dynamische Achslastverschiebungen
berücksichtigt werden und kompensiert werden. Damit ist das LT3 System auch in diesem Punkt
flexibel, um auf die unterschiedlichen Situationen der mobilen Arbeitsmaschinen reagieren zu
können.
Prüfstanderprobung:
Nach der Auslegung und Fertigung des Demonstrators wird dieser auf dem institutseigenen
Antriebssystemprüfstand in Betrieb genommen und erprobt. Der Prüfstand bietet neben den
Antriebs- bzw. Lastmaschinen, die durch entsprechend hinterlegte Profile den Restantriebstrang bzw.
die fahrmechanische Fahrzeugcharakteristik darstellen können, ebenfalls die benötigte hydraulische
Infrastruktur. Durch Restbussimulation kann der Demonstrator unter realistischen Bedingungen wie
im tatsächlichen Fahrzeug getestet werden. Die von den Lastmaschinen darzustellenden Lasten
sowie die Werte der virtuellen Sensoren werden durch die Simulation ermittelt und durch den
Prüfstand dargestellt. Somit können Open-Loop Manöver genauso wie Closed-Loop Manöver zur
Validierung der Systemcharakteristik und Dynamik durchgeführt werden. Die so entstehenden
Ergebnisse können wieder in neue Entwicklungsprozesse zurückgeführt werden, um die
Simulationsmodelle weiter zu verbessern.
Zusammenfassung und Ausblick
Mit dem LT3 System wird ein erster Versuch unternommen, einen neuen Weg in Antriebsfragen zu
gehen, ohne dabei die Randbedingungen von mobilen Arbeitsmaschinen aus den Augen zu verlieren.
Bisher konnte im Projekt die Entwicklung der Radeinheit bzw. das darin enthaltene
Überlagerungsgetriebe samt der benötigten hydrostatischen Einheit erfolgreich geplant und realisiert
werden. Einen großen Mehrwert lieferte hierzu die Simulation über den ganzen Entwicklungsprozess
hinweg. Die entsprechende Steuerung konnte in Software wie Hardware dem Einsatz am Fahrzeug
entsprechend gestaltet werden. Durch die noch ausstehende Prüfstanderprobung des LT3 Systems
auf dem Antriebssystemprüfstand kann das LT3 System validiert werden. Nach erfolgreicher
Validierung der Funktion des Konzeptes sind ergänzende Untersuchungen vorgesehen, um eine
stetige Verbesserung des realen Systems als auch der Simulationsmodelle zu erzielen. Nach
erfolgreicher Validierung, ist in einem Folgeprojekt die Projektierung eines fahrbaren
Prototypenfahrzeugs geplant.
Literaturhinweise:
[1] Kirchner, E.: Leistungsübertragung in Fahrzeuggetrieben.
Berlin Heidelberg Springer-Verlag , 2007
[2] Huber,A: Ermittlung von prozessabhängigen Lastkollektiven eines hydrostatischen
Fahrantriebsstrangs am Beispiel eines Teleskopladers. Karlsruhe. Karlsruher Institut für Technologie,
Dissertation,2010
Danksagung und Fördergeber
Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die Projektförderung
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Besonderer Dank gilt der Firma ifm
electronic für die Unterstützung des Projekts.
Requirements to be met by the drivetrain of a heavy-duty vehicle
Authors: Dipl.-Ing. Danilo Engelmann, Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer , B.Eng. Johannes Müller, Werner Müller
Vehicles operated off-road and needing good traction or a high driving power are usually equipped
with an all-wheel drive. For mobile machines, however, a good compromise of energy efficiency,
performance, pollutant reduction, and costs has to be found. Especially in rough terrain, these
vehicles with all-wheel drives rapidly reach their limits. Apart from a good efficiency, the drivetrain
has to allow for driving curves without causing tensions in the transmission systems or slip at the
wheels. Hence, drivetrains of vehicles, the driving wheels of which move on different curve radii (see
Fig. 1) and which have one driven axle at least, have to allow for a speed difference between the
inner and outer wheels. An established solution is the mechanical differential. It allows for the drive
of several wheels and ensures a theoretically tension-free turning of the vehicle. The classical open
differential ensures a defined torque distribution only and cannot always provide maximum traction
force [1]. State-of-the-art vehicles with all-wheel drives tend to have drive tensions even when
driving straight ahead, if ground conditions are rough or axle load fluctuates [2]. Another solution to
prevent these problems are electric or hydraulic single-wheel drives. When driving off-road,
however, they are often associated with drawbacks, as they increase the unsprung mass, require
complex control systems, and partly have a bad energy balance. Another possibility is a rigid axle
output with the corresponding clutches and superposition gears. These elements ensure the
necessary speed differences. Every wheel reaches its maximum traction force without inducing
tensions in the drivetrain when driving curves. Such active torque vectoring systems are applied in
passenger cars already, but the principle is also advantageous and feasible in mobile machines.
Under the research project “Line Traction 3 Antriebstechnik” (LT3), use of such a system in heavyduty vehicles is studied. The project is aimed at designing a mechanical drivetrain, where all wheels
can be controlled actively and separately. A very important project element is the implementation of
a controllable planetary gear taking into account the framework conditions of mobile machines.
Functioning of the LT3 concept, its set-up, and implementation in a demonstrator shall be presented
below.
Functioning of the LT3 concept
Principal functioning of the controllable planetary gear is shown in Fig. (2). The sun gear is connected
with the drive and the carrier with the output (wheel). The ring gear is directly connected with a
hydrostatic radial piston unit. When driving straight ahead, the fluid circulates in the hydrostatic
circuit of the unit and, hence, radial movement of the pistons is blocked. The hydrostatic unit acts as
a support of the ring gear. The wheels are driven with a rigid transmission-proportional speed. In
case of a controlled release of a volume flow of the unit, the ring gear rotates in the direction of the
applied support moment. Rotational speed at the wheel decreases due to the resulting speed
superposition. In principle, the speed of the wheel can be reduced to zero. When driving curves, the
wheel on the outermost curve radius is driven without speed reduction. At the inner wheels, the
speeds are reduced accordingly. In this way, the different speeds required according to e.g.
Ackermann’s condition can be adjusted via the complete drivetrain. This set-up and the
corresponding control are very similar to cross-drive steering transmissions of track vehicles [fig.3].
By separating speed superposition using two separate hydrostatic units and their separate control,
however, any speed below the input speed can be adjusted. In this way, the LT3 system generates
degrees of freedom in various driving situations. Dynamic deviations can be corrected for each
individual wheel. Impacts of the environment, transverse or longitudinal accelerations can be
considered depending on the sensors used in the vehicle.
Drivetrain topology and space concepts
The LT3 drive can be integrated into any vehicle. Two space concepts have been developed, by
means of which any chassis-specific requirements can be fulfilled. The integrated design (fig4)
resembles a conventional axle differential and includes a controllable planetary gear per vehicle side
(see fig. 2). A disintegrated design is envisaged for use in heavy-duty vehicles, such as mobile
machines (fig. 5). A closer look reveals that a rigid angular gear is located in the centre of the system
axle. At the outer shaft ends, a planetary gear is installed in the wheel carrier units (fig.5 and 6).
Again, variable speed control of the wheel is achieved by a hydrostatic support of the ring gear and
the resulting speed superposition. The project focuses on the development of the disintegrated
design, as it accounts for the different conceptions of mobile machines.
Development process
The project is aimed at verifying and validating the functions of the LT3 system. For this purpose, it is
necessary to construct a superposition gear as it will be applied in the vehicle later on. A
demonstrator was manufactured, the space of which was extended to accommodate measurement
instruments. These additional instruments measure all states of the system at any time (fig.7). Later,
in case of close-to-final manufacture, the number of sensors will be reduced considerably. The power
of the demonstrator was adapted to the equipment of the test rig. Development took place in
accordance with the V model of VDI regulation 2206. The requirements were translated into first
system designs. In parallel, design models were analysed by multiple-body simulation and multidomain simulation models. Multiple-body simulation served to study the acting forces and torques.
In this way, the loads were determined and taken into account in the design process. Multi-domain
simulation models allowed for a detailed analysis of hydrostatic effects and impacts on the
superposition gear. This produced a value added compared to mere multiple-body simulation, as e.g.
losses could be taken into account. In addition, these simulation models can be used to study in
advance the control of the superposition gear. By combining both simulation tools, promising designs
can be identified and unfavourable configurations can be rejected. The simulation results of both
tools were compared with the movement profiles of the planetary gear.(fig.8)
Hydrostatic unit
Within the framework of the project, a hydrostatic unit was developed. Work focused on integrating
this unit into the wheel carrier unit with the planetary gear located inside. An axially slim design was
given by the radial piston unit. As result of the inner pressure load, in contrast to the design with an
outer pressure load, the holder of the ring gear was modified to accommodate the necessary pistons
(fig.9). The resulting overall system was stiffer and bearing was improved.
Another functional element of the hydrostatic unit is the support of the ring gear or its support
moment. To influence speed superposition at the planetary gear, a volume flow has to be released.
Consequently, the hydrostatic unit has hydropump characteristics during speed superposition. By
preventing relative movements between the sealing surfaces, the sealing concept can be designed
statically, except for the sealing rings of the pistons. This ensures the tightness of the hydrostatic unit
required for functioning. It was done without the valve plates usually applied in radial piston units.
They were replaced by simple check valves. In this way, the static sealing concept was implemented
by doing without unnecessary rotating parts. The LT3 system is controlled by controlling the volume
flow in the hydraulic circuit. To study the possibilities of controlling volume flow and to integrate
appropriate measurement instruments, the demonstrator was not equipped with a highly integrated
piping system as it will be used in the close-to-final design (fig. 7).
As a result, the fluid can be circulated by means of a 3/2-way control valve [...]. Hence, experiments
can be carried out at a constant fluid temperature. Further pressure control valves limit the highpressure range of the demonstrator to 450 bar for protection of the measurement instruments.
Another pressure control valve is used to adjust the low-pressure range from 0 to 25 bar.
Backfeeding takes place by the central pressure supply system of the test rig. In the close-to-final
design, all pipings and valves will be integrated in the housing of the wheel carrier unit. This will
result in a drastic reduction of the piping length compared to the demonstrator.
Mechanical part
The planetary gear is of crucial importance to transmission of power from the drivetrain to the wheel
and the necessary speed superposition. Together with the rigid angular gear in the centre of the axle,
it determines the transmission behaviour of the complete axle. Thanks to simulation parallel to
development, the design of the demonstrator’s planetary gear was simplified by using mechanical
components available on the market exclusively. An exception was the sun gear. It was specially
developed for the project. The demonstrator can be loaded with input speeds of up to 400 rev./min
and maximum output torques of 5000 Nm. To acquire the status of the entire system, it is not only
necessary to measure the hydraulic parameters of the hydrostatic circuit, but also to determine the
mechanical parameters, such as torque and speed of the planetary gear. The parameters of the sun
gear and carrier are measured by the measurement systems of the drive unit or dynamometer. To
measure the torque of the ring gear, a telemetric torque measurement flange was installed (fig.7).
Hence, the hydrostatic unit and planetary gear in the demonstrator are further separated than they
will be in the close-to-final design of the LT3 system. In the later system design, no sensor will be
required, as a result of which the axial space will be smaller.
Control
Development of the control system and the possibilities of its integration into the existing vehicle
control system are also covered by the project. Compared to similar systems in passenger cars, the
variability of vehicle concepts and drives of mobile machines results in special requirements on the
control of the LT3 system. The demonstrator was equipped with a freely programmable control
system with Can-bus connectivity. All existing Can-bus standards and specifications can be met, such
as the SAE 1939 standard. Control of the overall system can be studied for various sensor concepts
and numbers of sensors. According to the X-in-the-loop approach, virtual sensor data from
simulation are made available to the demonstrator via Can busses. The control system of the
demonstrator, hence, is confronted with various virtual vehicle concepts, control structures, and
sensor concepts, as the sensors of the vehicles available on the market are rather heterogeneous and
vary considerably. For each combination of vehicle and purpose, the minimum number of sensors
required and information to be supplied can be formulated. In addition, the expenditure required for
retrofitting existing vehicles can be estimated. The differential speed required is determined by the
vehicle geometry and steering angle already.
Additional sensors may be installed to measure acceleration, yaw angle, etc. This additional
information can also be used for individual control. In this way, effects, such as dynamic axle load
shifts, can be considered and compensated. Thus, the LT3 system is sufficiently flexible to respond to
the different situations of mobile machines.
Demonstrator tests
Upon the design and manufacture of the demonstrator, the latter will be commissioned and tested in
the institute’s test rig. This test rig simulates the remaining drivetrain or mechanical vehicle
characteristics of various machines and is equipped with the necessary hydraulic infrastructure.
Remaining bus simulation ensures that the demonstrator is tested under realistic conditions. The
loads and values of virtual sensors are determined by simulation and reproduced by the test rig.
Open-loop as well as close-loop manoeuvers can be accomplished to validate system characteristics
and dynamics. The results will be incorporated in new development processes and simulation models
will be further improved.
Summary and outlook
The LT3 system represents a first attempt to develop new drivetrain solutions taking into account the
framework conditions of mobile machines. So far, the wheel unit with the superposition gear and
hydrostatic unit located inside was planned and realised successfully. Simulation parallel to the
complete development process proved to be highly useful. The control software and hardware were
designed according to later use in the vehicle. For validation, the LT3 system will be tested in the
dynamometer test rig. Upon the successful validation of the functioning of the concept, additional
studies are planned to improve both the real system and simulation models. A prototype vehicle will
then be designed in a follow-up project.
Literature:
[1] Kirchner, E.: Leistungsübertragung in Fahrzeuggetrieben.
Berlin Heidelberg Springer-Verlag , 2007
[2] Huber,A: Ermittlung von prozessabhängigen Lastkollektiven eines hydrostatischen
Fahrantriebsstrangs am Beispiel eines Teleskopladers. Karlsruhe. Karlsruher Institut für Technologie,
Dissertation,2010
Thanks:
The Authors would like to thank the Federal Ministry of Economics and Energy for project funding
based on a decision by the German Bundestag. Special thanks are also valid for the company ifm
electronic for supporting the project
Bilder/Pictures:
Abbildung 1: Verschiedene Kurvenbahnen bei mehrspurigen Fahrzeugen / different curve radii of multitrack
vehicles
Abbildung 2: Funktionsprinzip der Überlagerung im LT3-Antriebstrang / Funcitional principal of the
superposition in a LT3-Drivetrain
Abbildung 3: Aufbau einer LT3-Achse / Structure of the LT3- axle
Abbildung 4: Konzept für eine kompakte Bauform / ConCept for a integrated design
Abbildung 5: Radträgereinheit mit Überlagerungsplanetengetriebe und Hydroeinheit / Wheel carrier with
superposition planetarygear and hydraulic Unit
Abbildung 6 Komplette LT3-Achse für schwere Fahrzeuge / Complete LT3-axle for heavy vehicles
Abbildung 7: Links: Schnitt des entstehenden Prüfstanddemonstrators; Rechts: 3D-Modell mit
Hydraulikplatte zur schnellen Änderung des Hydraulikkreislaufes / Left: sectional drawing of the comming
demonstrator right: 3D model with hydraulic plate for esay changes in the hydraulic circuit.
Abbildung 8: 1. 1D-Modell für Temperaturuntersuchungen 2. Mehrkörpersimulation zur Erstellung von
Lastkolektiven 3. Simulationsergebnis einer Kurvenfahrt / 1 1D-model for simulation of temperatures 2
multiple-body simulation for load spectrum generation 3 simulation result for a turn
Abbildung 9: Konstruktionsdetails der Hydroeinheit des Demonstrators / Construction details from the Hydro
unit in the demonstrator
Abbildung 10 Vereinfachter Hydrostatik Schaltplan des Demonstrators / simplified hydraulic circuit

Download Report