Ressourcen- und energieeffiziente prozessintegrierte Entwicklung mit virtuellen Prototypen bei mobilen Arbeitsmaschinen (ENPROVI)

Problemstellung
Produktionsmaschinen für Off-Highway Anwendungen verbrauchen 16% des Kraftstoffaufkommens in Deutschland. Als Antriebsquellen kommen bei Mobilen Arbeitsmaschinen vornehmlich Verbrennungsmotoren zur Anwendung. Sie unterliegen der Ressourcenverknappung beim Kraftstoff und immer schärferen Schadstoffgrenzwerten (Europa: Stage 3a ab 2007; USA: Tier 4 ab 2008). Der spezifische Kraftstoffverbrauch und die damit verbundene Schadstofferzeugung können nicht mehr allein vom Motorhersteller (Zulieferer) beeinflusst werden. Eine nennenswerte Verbesserung ist nur noch über neue Systemlösungen zu erreichen, die vorrangig durch den Maschinenhersteller (Endproduzenten) beeinflussbar sind.
Mit der Erstellung eines Referenzsystems werden die Beziehungen zwischen dem maschinellen Arbeitsprozess, der Antriebsquelle und der Leistungsanpassung von Verbrauchern beurteilbar. Aus technischer Sicht ist darunter die physikalische und zeitabhängige Vernetzung einer maschinellen Prozessmechanik (z.B. Grabkräfte) mit der Strukturkinematik (z.B. Arbeitsbewegungen), der Energieerzeugung (Kraftstoff/Verbrennungsmotor), der Leistungswandlung (z.B. hydrostatisches Getriebe) und der Steuerung/Regelung des Leistungsflusses (z.B. Load Sensing) verstanden. Diese dabei wirkenden komplizierten Wechselbeziehungen lassen sich ökonomisch nur mit modernen Methoden der Simulation nachbilden und schließlich nach Energie- und Schadstoffkriterien beurteilen. Der Einsatz dafür geeigneter Simulationswerkzeuge ist somit zwingende Voraussetzung für unternehmerische Entwicklungsentscheidungen nach energieeffizienten Kriterien.

Projektziele
Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden eine Methode und das dafür erforderliche Werkzeug zur Entwicklung und Bewertung von emissions- und energiesparenden Antrieben für Off-Highway Anwendungen (Mobile Arbeitsmaschinen, z.B. Stapler, Radlader, Bagger, Traktoren, Fräsen, Walzen usw.) erarbeitet und getestet. Die fügbaren Systemlösungen (maschineller Arbeitsprozess, Antriebsquelle, Leistungsanpassung auf Verbraucher) sollen modular aufgebaut und auf energieeffiziente, sowie schadstoffarme Betriebsweisen überprüft werden können. Unter „Methode“ wird die Erarbeitung eines Referenzsystems verstanden, was den komponentenorientierten Antrieb und die dynamische Prozess-Leistungsbilanz in einem Simulationsmodell darstellt. Mit Hilfe eines Simulationsmodells gelingt es, in Abstimmung mit dem späteren Einsatzprofil dieser Maschine eine Systemlösung zu eruieren, die nicht selten Einsparpotentiale von 20-40% herbeiführen.

Vorgehensweise
Zu Beginn des Projektes werden die konkreten Anforderungen an das Referenzsystem erfasst und typische Arbeitsprozesse Mobiler Arbeitsmaschinen beschrieben. Die Erarbeitung des Referenzsystems und die Formulierung verwendeter Objekte und Prozesse gehen unmittelbar aus der Anforderungsanalyse hervor. Dabei stehen weniger die technischen Lösungen selbst im Mittelpunkt, als vielmehr eine detaillierte Spezifikation der verwendeten Daten und Parameter. Aufbauend darauf gilt es eine exemplarische Produktionsmaschine unter Einbeziehung vorliegender Prozesse zu modellieren. Mit der Anwendung des Referenzsystems wird die Tauglichkeit dieses Ansatzes sowohl anhand wissenschaftlicher als auch praktischer Kriterien konti-nuierlich evaluiert. Virtuelle Prototypen werden in gemeinsamer Arbeit beteiligter Unternehmen erstellt und getestet. Dabei wird das Zusammenspiel des Gesamtsystems untersucht und beurteilt.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Kurzfristig besteht das Ziel in der Ableitung von Optimierungsmaßnahmen zum energieeffizienten Einsatz der Maschinensteuerung unter Berücksichtigung der durchzuführenden Arbeitsprozesse. Dafür müssen wichtige und zusätzlich notwendige Parameter innerhalb der Maschinensteuerung (Antriebssystem) identifizierbar und bewertbar sein, die das Bedienerverhalten (Arbeitsspiel / Arbeitsprozess) maßgeblich und zielorientiert beeinflussen. Nur mit den in diesem Projekt entwickelten Referenzsystem ENPROVI ist diese Aufgabe effizient lösbar. Erwartet wird eine drastische Verkürzung von Applikationszeiten durch gezielte Vorauswahl und Einstellung der Parameter. Als langfristiges Ziel wird mit der geschaffenen Lösung eine selbständige Anpassung der Maschine an die Arbeitsaufgabe (Arbeitsprozess / Arbeitsspiel) integrierbar sein.
Die Verfügbarkeit dieser Technologie zur Beurteilung von Energie- und Schadstoffeffizienz im Maschinen- und Fahrzeugbau ist von besonderer Bedeutung, weil davon der globale Klimawandel und die Ressourcenbilanz unserer Zukunft abhängen. Das enorme Sparpotenzial resultiert aus der Energierückgewinnung alternierender Bewegungen (Anfahren/Bremsen, He-ben/Senken) infolge typischer Einsatzprofile von Mobilen Arbeitsmaschinen. Aufgrund der Vielseitigkeit der Maschinen sind deren Antriebssysteme außerordentlich komplex. Akzeptanz finden alternative Konzepte deshalb nur, wenn bei Senkung der Emissionen die Leistungsfähigkeit der Maschine erhalten bleibt und das Ganze den Kostenrahmen nicht sprengt. Die Ent-wicklung der neuen Antriebsgeneration mit den im Projekt entwickelten neuen Methoden und Werkzeugen ist eines der wichtigsten mittelfristig erreichbaren Anschlussziele des Forschungsvorhabens.

• ESI ITI GmbH
• TAKRAF GmbH
• Technische Universität Dresden