Effizienzbewertung von Antrieben mobiler Arbeitsmaschinen am Beispiel eines Mähdreschers

Die Energieeffizienz ist zu einem der zentralen Themen des 21. Jahrhunderts geworden, was sich u.a. in der Ökodesign-Richtlinie widerspiegelt. Zurückzuführen ist dies auf die durch CO2-Emissionen zu erwartenden Folgen sowie die Verknappung der fossilen Energieträger und die u.a. aufgrund dessen stetig und progressiv ansteigenden Energie- und Kraftstoffpreise. Im Entwicklungsprozess von energieverbrauchsrelevanten Produkten erhält die Effizienz als Bewertungskriterium infolgedessen einen immer höheren Stellenwert.

Dies gilt selbstverständlich auch bei mobilen Arbeitsmaschinen, zumal die Kraftstoffkosten bereits einen wesentlichen Anteil an den Gesamtkosten im Lebenszyklus dieser Maschinen verursachen. Für eine Effizienzsteigerung spielt neben der Verbesserung der Arbeitsprozesse die Optimierung der zugehörigen Antriebssysteme eine entscheidende Rolle. Aufgrund ihrer Mobilität und den damit verbundenen unterschiedlichen und wechselnden Einsatzbedingungen variieren die Anforderungen an die Antriebe dieser Maschinen jedoch zum Teil sehr stark. Insbesondere bei komplexen mobilen Arbeitsmaschinen, bei denen eine Vielzahl von Arbeitsprozessen gleichzeitig anzutreiben ist, sind die wirkungsvollsten Ansatzpunkte für Optimierungsmaßnahmen an den Antriebssystemen daher meist nicht offensichtlich. Zudem ist der häufig verwendete Wirkungsgrad nicht geeignet, um die Effizienz einzelner Antriebe als auch der Gesamtheit aller Antriebe im Kontext der Gesamtmaschine und ihrer Einsatzbedingungen zu bewerten.

Diesem Umstand wird im Rahmen dieser Arbeit mit einer systematischen Vorgehensweise für die Verlustanalyse und Effizienzbewertung von Antrieben mobiler Arbeitsmaschinen mit quasistationären Arbeitsaufgaben, wie das beispielsweise bei selbstfahrenden Erntemaschinen der Fall ist, Rechnung getragen. Mit Hilfe des vorgestellten Vorgehens werden die Antriebe und deren Baugruppen identifiziert, auf die hauptsächlich die Energieverluste im Lebenszyklus der Maschine zurückzuführen sind und die folglich die sinnvollsten Ansatzpunkte für Verbesserungsmaßnahmen darstellen. Zudem werden auch die relevanten Betriebsbedingungen identifiziert, so dass auf Basis dieser Erkenntnisse zielgerichtet Optimierungsmaßnahmen abgeleitet und entwickelt werden können. Weiterhin werden aussagekräftige Kennzahlen definiert, die sowohl eine Effizienzbewertung einzelner sowie der Gesamtheit aller Antriebe einer mobilen Arbeitsmaschine, als auch einen bewertenden Vergleich zweier Antriebskonzepte ermöglichen.

Die Vorgehensweise umfasst insgesamt fünf Hauptschritte, die von der Festlegung der wesentlichen Randbedingungen, über eine Systematik zur Beschreibung von Einsatzprofilen, über die Modellbildung und Simulation der betriebspunktabhängigen Verlusteigenschaften der Antriebssysteme bis hin zu der bereits thematisierten Verlustanalyse sowie der eigentlichen Effizienzbewertung der Antriebe reichen. Die einzelnen Schritte werden zum einen allgemeingültig für mobile Arbeitsmaschinen mit quasi-stationären Arbeitsaufgaben beschrieben und zum anderen am Beispiel der Antriebe eines Mähdreschers umgesetzt. Für die Beispielmaschine werden auf Basis der gewonnen Erkenntnisse zudem erste Antriebsstrangoptimierungen abgeleitet, ebenfalls analysiert und bewertet, um die Vorgehensweise im Kontext des Entwicklungsprozesses beurteilen zu können. Es zeigt sich, dass das vorgeschlagene Vorgehen auch bei derart komplexen mobilen Arbeitsmaschinen handhabbar und zielführend ist und im Entwicklungsprozess frühzeitig eine fundierte Entscheidungsbasis für oder wider die weitere Entwicklung und Implementierung eines neuen oder alternativen Antriebskonzepts liefert.