TiTelThema

neue­Generation­ stuFen­l oser­traKtorGetriebe

Die neue Generation stufenloser Traktorgetriebe Terramatic von ZF vereint alle Vorteile der heutigen Eccom­ und S­Matic­Getriebe in einem neuen Konzept – bei weiterer Verbesserung des Wirkungsgrads und Vereinfachung der Wartung. Die Getriebe zeichnen sich insbesondere durch eine Erhöhung der Leistungsdichte aus und gestatten einen noch effizienteren und ressourcenschonenderen Fahrzeugeinsatz.

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AuToREN

Dr.-ing. Karl graD

Dipl.-ing. gerharD BaillY

ist Leiter Forschung und Entwicklung Landmaschinen­ systeme der ZF Friedrichshafen AG in Passau.

ist Teamleiter Elektronische Steuerungen Landmaschinen­ systeme der ZF Friedrichshafen AG in Friedrichshafen.

Dipl.-ing. Jürgen pohlenz

Dipl.-ing. Werner DenK

ist Leiter Entwicklung Stufenlose Getriebe und Vorentwicklung Land­ maschinensysteme der ZF Fried­ richshafen AG in Friedrichshafen.

ist Entwicklungsingenieur Elektronische Steuerungen Land maschinensysteme der ZF Friedrichshafen AG in Passau.

zehn Jahre erfahrung

Stufenlose Traktorgetriebe haben sich mittlerweile als hochwertige Antriebstechnik im Leistungsbereich von 75 bis 300 kW etabliert, die Marktanteile in Westeuropa und Nordamerika steigen beständig. Einfache Bedienung gepaart mit hohem Fahrkomfort, ständiger Kraftschluss bei gleichzeitig feinfühliger Leistungskontrolle, hohe Produktivität bei bester Arbeitsqualität in Kombination mit landwirtschaftlichen Anbaugeräten sowie die uneingeschränkte Strategiefähigkeit für Automatisierungsaufgaben sind anerkannte Vorzüge stufenloser Traktorgetriebe [1]. ZF ist größter freier Anbieter stufenloser Traktorgetriebe unter den Markennamen Eccom und S-Matic und kann auf zehn Jahre Erfahrung in Produktion und Feldeinsatz von heute mehr als 60.000 Einheiten zurückblicken. Das Grundprinzip der hydrostatischen Leistungsverzweigung beruht darauf, ein hydrostatisches Getriebe für die stufenlose Fahrfunktion mit wirkungsgradgünstigen mechanischen Antriebselementen zu kombinieren, um insgesamt hohe Gesamtwirkungsgrade zu erzielen. Abhängig von der kinematischen Kopplung von Hydrostat S o n derausgabe ATZ | November 2011

und Planetengetriebe werden primär und sekundär gekoppelte Varianten unterschieden, die jeweils unterschiedliche Leistungsflüsse und spezifisches Betriebsverhalten aufweisen [2]. Eccom und S-Matic gehören zu den primär gekoppelten Systemen und besitzen vier Grundübersetzungen, die über der Fahrgeschwindigkeit einen durchgängig hohen Anteil an mechanischer Leistungsübertragung sicherstellen; ein geringer hydrostatischer Leistungsanteil wird von Axialkolbenmaschinen in Back-to-back-Anordnung erzeugt. Die Grundübersetzungen werden bei synchronen Drehzahlen ohne Zugkraftunterbrechung und Beschleunigungsstöße automatisch geschaltet für Geschwindigkeiten von 0 bis 50 km/h [3]. Dieses Konstruktionsprinzip hat sich über die letzten zehn Jahre als beste Lösung hinsichtlich Wirkungsgrad, Kosten, einfacher Bedienung und Fahrbarkeit im praktischen Einsatz bewährt. Alle stufenlosen Getriebe von ZF sind Wendegetriebe mit annähernd gleichen Fahrgeschwindigkeiten, Zugkräften und Wirkungsgraden in beiden Fahrtrichtungen. Eine Vorwahl von Fahrbereichen oder spezielle Fahrzeug- beziehungsweise Getriebeeinstellungen für die Anpassung an die Feld- und Transporteinsätze sind nicht erforderlich. Den maximalen Nutzen und eine hohe Fahrerakzeptanz erreichen die stufenlosen Traktorgetriebe vor allem durch den Einsatz einer intelligenten Steuerung von Motor und Getriebe mit den bekannten Betriebsstrategien wie automatisches Fahren, PTO- und Tempomat-Mode. Der Markenname Eccom bezeichnet künftig die stufenlosen ZF-Getriebe für Traktoren in Rahmenbauweise. Alle Traktoranwendungen mit selbsttragenden Gehäusen werden mit dem Terramatic-Design bedient, worin die besten Eigenschaften aus den heutigen Eccom- und S-MaticGetrieben vereint worden sind, ❶. Die mechanischen und hydrostatischen Hauptbaugruppen werden zwischen Eccom und Terramatic vereinheitlicht in mehreren modularen Baugrößen, die elektronischen und elektrohydraulischen Steuerungen sind unabhängig von der übertragbaren Leistung ohnedies immer identisch. Aus den Felderfahrungen konnten über Optimierungen des Designs und der Produktionsprozesse über die Jahre deutliche Steigerungen der Leistungsdichte erzielt werden, ❷, weitere Steigerungspotenziale sind vorhanden.

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COVER S TORY

New generation of ­c ontinuously variable ­t ractor transmissions Terramatic is the name of the new generation of continuously variable tractor transmissions from ZF, uniting all the advantages of today‘s Eccom and S-Matic transmissions in a new design with even better performance and easier maintenance. The transmissions stand for increased power density and enable a more efficient and ­resource-saving application in vehicles.

Ten Years of Expertise

Today, continuously variable tractor transmissions have become an established element of high-quality drive technology in the power range from 75 to 300 kW. Market shares in Western Europe and North America are growing steadily. Simple operation plus good driving comfort, permanent power transfer along with sensitive power control, high productivity and top work quality in combination with attached agricultural implements, as well as unlimited scope to determine automation strategies: all these are recognized advantages of continuously variable tractor transmissions [1]. ZF is the largest independent supplier of continuously variable tractor transmissions, with its brand names Eccom and S-Matic, and the company draws on ten years of expertise from the production and field application of more than 60,000 units. The basic principle behind hydromechanical transmissions is combining hydrostatic transmissions for continuously variable drive function with efficient ­mechanical drive elements in order to achieve high rates of total efficiency. Depending on the kinematic coupling of the hydrostatic unit and a planetary gear set, input and output coupled versions with

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different specific power flows and performances can be distinguished [2]. Eccom and S-Matic belong to the input coupled systems and come with four basic gear ratios that enable a constantly high proportion of mechanical power transfer over the travel speed, while a lower hydrostatic proportion of the power is generated by axial piston hydrostatic units in a back-to-back configuration. The basic gear ratios are automatically shifted at synchronous speeds without tractive force interruption or acceleration leaps for speed ranges from 0 to 50 km/h [3]. This design principle has over the past ten years proven in field use to be the best solution with regard to efficiency, cost, ease of operation and drivability. All ZF transmissions are true reversing gearboxes, ensuring the same speeds, tractive forces and efficiencies in both ­directions of travel. It is not necessary to preselect speed ranges or make special ­adjustments to allow for use in the field or in road haulage. The continuously variable tractor transmissions achieve maximum utility and driver acceptance above all due to an intelligent control system for the engine and the transmission that covers familiar operational strategies such as automatically driving, PTO- or cruise control mode.

In future Eccom will stand for the brand name of continuously variable tractor transmissions for use in tractors with frame-chassis design. All applications with self-supporting housing chassis will be served by the Terramatic design, combining the best characteristics of the Eccom and S-Matic transmissions, ❶.

autHorS Dr.-Ing. Karl Grad

is Head of R&D Agricultural ­M achinery Systems at ZF Friedrichs­ hafen AG in Passau (Germany). Dipl.-Ing. Jürgen Pohlenz

is Head of Development ­C ontinuously Variable Transmissions and Advanced Engineering at ZF Friedrichshafen AG in Friedrichs­ hafen (Germany). Dipl.-Ing. Gerhard Bailly

is Team Manager Electronic Control Systems Agricultural Machinery ­S ystems at ZF Friedrichshafen AG in Friedrichshafen (Germany). Dipl.-Ing. Werner Denk

is Engineer Electronic Control ­S ystems Agricultural Machinery ­S ystems at ZF Friedrichshafen AG in Passau (Germany).

Special Edition ATZ | November 2011

Titelt hema

❶ Künftige Baureihe stufenloser Getriebe für Traktoren mit selbsttragenden Gehäusen (Terramatic) oder in Rahmenbauweise (Eccom) Full range of continuously variable transmissions for tractors with self-supporting housing (Terramatic) and frame-chassis designs (Eccom)

ZF Terramatic

Anforderungen an künftige Stufenlosgetriebe

ZF Eccom

13

25

40

32

High drop

1.8 2.0 2.4

3.5

2.7 3.0

100

200

300

400

Engine power

40 30 20 10 1. SoP 0 2001

2002

2006 Year

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Steuerblöcke

und funktionssichere Hydraulik-Systemlösungen gefunden. Dabei fließen über 60 Jahre Erfahrung in die Entwicklung und Produktion verschiedenster Hydraulikzylinder – vom kleinsten Betätigungszylinder bis hin zu Stützzylindern mit 600 bar Spitzendruck. Mehr Informationen über unsere Systemkompetenz finden Sie unter www.weber-hydraulik.com

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4.5

5.0

Performance density increase [%]

❷ Entwicklung der Leistungsdichte am Beispiel des Eccom 1.8 bei unveränderten äußeren Abmessungen seit der Serieneinführung in 2001 Development of power density using the example of Eccom 1.8 at unchanged overall dimensions over time since the start of volume production in 2001

20

Low drop 1.5

Weltweit sind die technischen Anforderungen an Traktorgetriebe einem raschen Wandel unterworfen. In Europa und Nordamerika ist vor allem die Einführung neuer Grenzwerte für Abgasemissionen und der Strukturwandel in den landwirtschaftlichen Betrieben ein wesentlicher Treiber hierfür. Um Kraftstoff einzusparen, werden die Traktoren bei möglichst kleinen Motordrehzahlen betrieben. Das hat einen größer werdenden Overdrive für Transporte zur Folge bei gleichzeitig noch höheren Endgeschwindigkeiten und damit einer noch größeren Gesamtspreizungsanforderung an das Getriebe [4]. Geringere Motor-

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2011

COVER STORY

The mechanical and hydrostatic subassemblies will be designed uniformly in several sizes, the electrical and electrohydraulic controls are always identical whatever the power to be transmitted. From its experience with actual vehicle applications and as a result of design and production process optimizations, ZF has over the years achieved significant increases in power density, ❷, and there is potential for further increases. Requirements of Future ­C ontinuously Variable ­T ransmissions

Technical requirements of tractor transmission technology are globally subject to rapid changes. The driving forces behind these changes in Europe and North America are new requirements, above all from the introduction of new threshold values for exhaust gas emissions, and structural changes in the agricultural farming operations. There is a trend towards operating tractors at the lowest possible engine speeds to save fuel. These results in an increasing overdrive for transport coupled with higher final speeds, leading to a de­­ mand on the transmission for even greater total ratio spread because the requirements for high tractive forces remain unchanged [4]. Lower engine speeds also result in lower noise emissions, why suitable steps must be taken right from the early design stage to reduce noise from the transmission and the axles. The impending conditions of exhaust gas emission directives also demand even more efficient transmissions, higher power density (smaller installation space) and sophisticated control strategies for engine and transmission [5, 6]. System Design

The Terramatic transmissions are part of a modular system of tractor powertrains consisting of a rear axle, various transmission technology options, the also all new designed Terrasteer front axle and the associated electronic control units. The major components of the transmissions comprise the hydrostatic unit, the planetary gear set and the power shuttle reverser. Three sizes of mechanical transmission subassemblies and five hydrostatic unit sizes cover a whole power range of 75 to 400 kW, ❸.

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As a standard in the Eccom series the planetary gear set is directly connected with the transmission input shaft (inline design) that allows for a very slim housing envelope. With Terramatic case-bycase the planetary gear set can be installed on a separate axis adjacent to the transmission input shaft (countershaft design), ❹. In this way, the power can be transmitted at higher speeds and therefore reduced torques, which makes it possible to use the medium-sized planetary gear set with corresponding advantages in terms of installation space, volume and cost. To ease maintenance, the transmissions will feature a cover plate at the side for fast access to major transmission subassemblies without complete disassembly of the driveline. The hydrostatic unit is on the inside of the housing cover, ❺. While designing the housing calculations were carried out in parallel to reduce weight with optimal structural strength and to improve the acoustic properties. ❻ shows the housing cover which supports the hydrostatic unit as an example of how it is possible as early as in the design phase to include acoustic calculations of structure-borne noise under load to reduce noise by up to 9 dB, which is in the human perceived as a bisection of the noise. Hydrostatic Unit

The design of the hydrostatic unit cover generally enables the use of hydrostatic units in back-to-back configuration as well as a flexible and low-cost combination of hydrostatic and mechanical assemblies to achieve an optimum technical solution for each vehicle application. The options available here include a combination of a swash plate pump and a bent axis motor. This combines the advantages of the swash plate and bent axis design principles for improved efficiency, higher power density or smaller installation space [7, 8], ❼. The primary efficiency improvement results from sealed pistons, reduced piston friction because there are no transverse forces and a pivoting angle of the bent axis motor of 40°. Secondary effects derive from the slightly lower cooling oil requirement. Higher motor speed capacity allows the use of smaller units. A higher start-up efficiency and lower breakaway torque help minimize irregularities

of the running-direction reversal demanded by this design, which improves adjustability. Electronic Controls

As the S-Matic transmissions in the past, the Terramatic series also features an on-board electronic control unit, ⑤. Among the many benefits is that the transmission and control unit operate as a mechatronic system which arrives end-of-line tested with the transmission at the vehicle manufacturer. Owing to this each control unit can be individually fine-tuned to the transmission by calibrating it at the end of the line or in the vehicle later on [9]. The hardware is based on a ZF control unit platform for off-road machinery applications and has been developed for high resistance against vibrations, moisture, corrosion, and aggressive media, ❽. A 32 bit microprocessor with 128 MHz clock rate along with more powerful memories mark a sustainable core component strategy that ensure real time operation of demanding control algorithms in vehicle control networks. The main board is linked to the electronic environment by two sockets. By one socket the transmission actors and sensors are hard-wired to the control unit reducing the wiring harness efforts for the tractor manufacturer. At the same time it is made sure by the supplier during the end-of-line testing that all connectors are correctly plugged which is an advantage in always more complex wiring harnesses. The second socket connects to the vehicle supplying the electric power and establishing the CAN bus communication between the control unit of the transmission and the tractor. The onboard unit is a pure transmission control unit design that transfers all signals from the vehicle via the CAN-bus. If this function cannot be provided by the vehicle electronic architecture, an I/O expander can be used here. The control unit governs all transmission functions and where necessary also the strategic drive functions such as automotive driving or PTO modes. Engine and Transmission ­Management

Modern electronic diesel engine control units offer scope in driveline control that goes beyond what is possible in existing speed-based systems. The engines are

Special Edition ATZ | November 2011

Titelt hema

Inline design

Hydrostatic size [cm³/rev]

28

40

45

85

110

Planetary drive

Epicyclic unit size

Power shuttle reverser size

❸ Modulkonzept stufenloser Getriebe für Traktoren in Block- und Rahmenbauweise von 75 bis 400 kW Motorleistung Modular design concept for continuously variable transmissions for tractors in self-supporting housing and frame chassis design in the power range of 75 to 400 kW Inline design

PTO transmission input

Hydrostatic unit

Counter shaft design

Planetary drive Planetary drive

drehzahlen führen auch zu niedrigeren Geräuschemissionen, weshalb geeignete Maßnahmen zur Geräuschreduzierung am Getriebe und den Achsen bereits im frühen Konstruktionsstadium zu ergreifen sind. Die nächsten Stufen der Abgasemissionsrichtlinien verlangen nach noch effizienteren Getrieben, höherer Leistungsdichte (geringerer Bauraumbedarf) und ausgefeilteren Steuerungsstrategien für Motor und Getriebe [5, 6].

vereinfachte Servicearbeiten weisen die Getriebe einen seitlichen Deckel auf, der auf der Innenseite den Hydrostaten aufnimmt und einen schnellen Zugang zu wichtigen Getriebebaugruppen ohne eine Komplettdemontage des Antriebsstrangs PTO transmission input ❺. unit Hydrostatic gestattet, Während der Konstruktion der Gehäuse wurden iterativ Berechnungen durchgeführt, um das Bauteilgewicht bei opti­ma­ ler Strukturfestigkeit zu verringern und die akustischen Eigenschaften zu verbes-

Hydrostatic unit PTO/transmission input

❹ Planetenkoppelgetriebe Terramatic in Inline- und Vorgelegebauweise Terramatic planetary gear set with inline and counter shaft design layout

Systemaufbau

Die Terramatic-Getriebe sind ein Baustein eines modularen Traktorfahrantriebs be­­ stehend aus einer Hinterachse, verschiedenen Getriebetechnologieoptionen, einer ebenfalls von Grund auf neu ent­ wickelten Lenkachsenbaureihe mit der Bezeichnung Terrasteer und den zugehörigen elektronischen Steuerungen. Die Hauptkomponenten der Getriebe sind der Hydrostat, das Planetenkoppelgetriebe und das unter Last schaltbare Wendegetriebe. Drei Baugrößen für die mechanischen Getriebekomponenten und fünf Hydrostatgrößen decken einen Leistungsbereich von 75 bis 400 kW ab, ❸. Das Planetenkoppelgetriebe ist bei den Eccom-Getrieben standardmäßig direkt mit der Getriebeeingangswelle verbunden (Inline-Bauweise), was eine besonders schlanke Bauweise der Getriebegehäuse zulässt. Bei der Terramatic-Baureihe wird fallweise davon abgewichen und das Planetengetriebe auf einem separaten Achsstich (Vorgelegebauweise) angeordnet, ❹. Damit kann die Leistung bei höheren Drehzahlen und somit reduzierten Momenten übertragen werden, was wiederum die Verwendung eines Planetengetriebes kleinerer Baugröße erlaubt, mit entsprechenden Bauraum- und Kostenvorteilen. Für S o n derausgabe ATZ

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Hydrostat

COVER STORY

controlled for a desired speed; an information of the engine load is only calculated from the engine load under full load. Inside the engine, the adjustment values are calculated on the basis of the engine torque and the power losses that occur. The difference between the available torque and the torque currently provided describes the engine load utilization at every operating point with a reasonable accuracy. In tractors with continuously variable transmissions, a controller coordinates the implementation of the driver’s wishes into commands of the diesel engine and transmission. When it comes to the design of the controller, the communication interfaces between the networked control units has a major influence on efficient vehicle operation. More and more PTOs and auxiliaries steadily increase the complexity of the performance requirements. If a hybrid battery is added to the driveline, power can be provided not only by the diesel engine but also by an electric motor. Only central coordination of the power flows ensures harmonic vehicle behaviour. Doing without a speed setting on the diesel engine and instead generating a torque requirement in the controller means the requirements of various loads can be efficiently coordinated on the basis of the crankshaft torque [10]. The torque requirements of the ground drive, the PTOs and the auxiliaries are combined and converted into strategically coordinated requirements of the diesel engine, ❾. If it is possible to influence the load, the driver can postpone the requirements of lower-priority components in case of sudden load peaks, such as on the working hydraulics, in order to control the engine load without affecting the ground drive. Using additional sensors opens up the option of quantifying the power requirement from loads that are not networked with the controller and taking account of these requirements in the control strategy. Electrification and Hybridization

Experts have for some time been intensively discussing and investigating the possible benefits and potentials of furtherreaching electrification or even hybridization of tractors [11, 12]. Today’s tractor transmissions distribute and control diesel

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engine power in permanently changing degrees between vehicle ground drive, mechanical PTO and hydraulic pumps. That makes it only logical to also generate electrical power inside the transmission and to control it as efficiently as possible with other mechanical and hydraulic power flows. The Terramatic transmissions are already designed and built for installation of the Terra+ generator module for the needs-based drive of electrical auxiliary loads on the vehicle and for the controlled drive of the work functions of attached implements, ❿. The installation space between the combustion engine and the transmission makes it possible to install the generator, if applicable with step-up gear for a better power output especially at low diesel engine speeds and with cutoff clutch, including integration of the necessary channels for the generator cooling circuit. On the system side, the mechanical and electrical components are supplemented by a hybrid control unit that controls the power flows in the electrical network and that is integrated in the power management of the driveline via the controller. Summary and Outlook

The continuously variable tractor transmissions are about to become the standard driveline technology for tractors in professional farming applications in the developed markets. After ten years of volume production ZF is entering into the development and production of the next generation of stepless transmission technology. With the new Terramatic series all the best characteristics of meanwhile 60.000 Eccom and S-Matic transmissions are being united and optimized for future applications in standard tractors with self-supporting housing design. Unique to the market in future ZF will be offering in parallel a complete series of continuously variable transmissions for tractors in frame chassis design; this series is going to persist under the brand name Eccom and will participate in the technical improvements of the Terramatic range. Major characteristic of the new Terramatic transmissions are efficiency-upgraded hydrostatic units, supported by a cover plate for enhanced maintenance. The cov-

er also carries the new on-board electronic control unit that makes the transmission a best matched power unit and that upon demand can include the software for the strategic drive modes. For an even more efficient distribution of the installed engine power to the ground drive and the auxiliaries a control algorithm based on an engine torque coordinator is introduced. That applies most of all for the deployment of electric or hybrid drive components, for which the new transmission design has already got ready for. Against the background of a forthcoming electrification the power management and the control of the working process between tractor and implement is coming to the fore compared to individual drive line components. References

[1] Grad, K.: ZF’s IVT transmissions and their ­c ustomer benefits. 19th Annual Ag Machinery ­C onference – Engineering for a Global Business. Cedar Rapids, Iowa, 3 to 5 May 2004 [2] Renius, K. Th.; et al.: Continuously variable tractor transmissions. Asabe Distinguished Lecture Series, No. 29, pp. 1-37, Asabe Publ. No. 913C0305 [3] Pohlenz, J.: Stufenloses hydrostatisch-leis­ tungsverzweigtes Getriebe Eccom für den Einsatz in Traktoren. VDI-Berichte No. 1592, pp. 451-468 [4] Grad, K.; Pohlenz, J.: Transmissions for tractors – requirements, technical solutions and develop­ ment trends. VDI-Berichte No. 2018, pp. 319-330 [5] Mattei, M.; et al.: Stage IIIB/Tier 4i and Stage IV/Tier 4 Engine System Integration in Agricultural Tractors. 6th AVL International Commercial Power­ train Conference, 25 to 26 May 2011, Graz [6] Gui, X.; et al.: Non-Road Diesel Engine Emis­ sions and Technology Options for Meeting Them. Asabe Distinguished Lecture Series, Asabe Publ. No. 913C0110 [7] Mejia, F.; Jachnick, M.: First Hydrostatic Com­ pact Unit Combining Swash-Plate-and Bent-AxisDesign for Higher Efficiency and Reduced Size. 69th International Conference on Agricultural ­E ngineering AgEng 2011, Hannover [8] Mejia, F.: Ausgezeichnet arbeiten. In: ­A grartechnik (2010), September, pp. 33-35
 [9] Beck, H.: Vorortelektronik für Arbeits­ maschinen­g etriebe. Fachtagung Baumaschinen­ technik, 5 to 6 October 2006, Dresden [10] Dieselmotor-Management. Hrsg. Robert Bosch GmbH. Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2004 [11] Götz, M.; Mohr, M; Fellmann, M.; Grad, K.: Neue Ansätze bei der Antriebstechnologie. In: Mobile Maschinen 1 (2010), No. 1, pp. 2-4 [12] Götz, M.; Fellmann, M.; Grad, K.: Vergleich zwischen Hybridisierung und Elektrifizierung eines Traktors. Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugsys­ temtechnik, Band 7, pp. 25-34, KIT Scientific Publishing 2011

Special Edition ATZ | November 2011

Überraschend einfach

Leistung steigern ❺ Terramatic-Deckel mit Hydrostat und Vorortsteuergerät (oben) Terramatic cover plate with hydrostatic unit and on-board electronic control unit (above)

sern. Durch schrittweise Kontur- beziehungsweise Verrippungsoptimierung und begleitende akustische Berechnungen konnte der Körperschallpegel unter Last um 9 dB reduziert werden, was in der menschlichen Wahrnehmung in etwa einer Halbierung des Lärmpegels gleichkommt, ❻. Hydrostat

Das Design des Hydrostatdeckels erlaubt die Verwendung von Hydrostaten in Backto-back-Bauweise sowie eine flexible und kostengünstige Kombination aus Hydro­ staten und den mechanischen Baugruppen, sodass eine optimale technische Lösung für jede Fahrzeuganwendung erzielt werden kann. Unter anderem besteht die Möglichkeit, eine Kombination aus Schrägscheibenpumpe und Schräg­ achsenmotor einzusetzen. Die Vorzüge der beiden Konstruktionsprinzipien werden dabei zu einem besseren Wirkungs-

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Titelthema

❻ Minimierung des Körperschallpegels am Gehäusedeckel Minimizing of the structure-borne noise levels at the housing cover

grad, höherer Leistungsdichte beziehungsweise geringerem Platzbedarf vereint [7, 8], ❼. Die primären Effekte der Wirkungsgradverbesserung resultieren aus gedichteten Kolben, geringerer Kolbenreibung durch fehlende Querkräfte und einem Schwenkwinkel von 40° des Schrägachsenmotors. Sekundäre Effekte ergeben sich durch den geringeren Kühlölbedarf. Das höhere Drehzahlvermögen des Schräg­achsenmotors erlaubt die Nutzung kleinerer Einheiten. Ein hoher Anfahrwirkungsgrad und ein geringes Losbrechmoment tragen mit dazu bei, Unstetigkeiten bei der konzeptbedingten Drehrichtungsumkehr zu minimieren, und helfen mit, das Stellverhalten zu verbessern.

gegenüber Vibrationen, Feuchtigkeit, Korrosion und aggressive Medien entwickelt, ❽. Ein 32-Bit-Prozessor mit 128-MHzTaktfrequenz sowie leistungsfähigere Speicherbausteine stellen eine zukunftsträchtige technische Ausstattung dar und erlauben anspruchsvolle Steueralgorithmen in vernetzten Rechnerarchitekturen. Das Steuergerät ist über zwei Stecker mit seiner Um­­gebung verbunden. Über einen Stecker sind die Aktoren und Sensoren des Getriebes direkt mit dem Steuergerät verdrahtet. Dadurch lässt sich der Ver­ kabelungs­aufwand für den Fahrzeughersteller am Traktor deutlich reduzieren und gleichzeitig durch den Getriebelieferanten während der Getriebeabnahme

bereits sicherstellen, dass keine An­­ schlussfehler in den immer komplexer werdenden Getriebekabelbäumen auftreten. Über den zweiten, fahrzeugseitigen Stecker erfolgen nur noch die Spannungsversorgung und der Datenaustausch zwischen dem Getriebe und den anderen Steuergeräten im Traktor über den CAN-Bus. Falls die Signale von der elektronischen Fahrzeugarchitektur nicht bereitgestellt werden können, kann ein I/O-Expander diese Aufgabe übernehmen. Die Elektronik steuert alle Getriebefunktionen sowie bei Bedarf auch die strategischen Fahrfunktionen und tauscht dazu alle fahrzeugseitigen Signale über den CAN-Bus aus.

Elektronische Steuerung

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100 ηges = ηhm * ηvol

95 Overall efficiency ηges [%]

Wie die S-Matic-Getriebe in der Vergangenheit, verfügen auch die TerramaticGetriebe über ein Vorortsteuergerät, ⑤. Zu den vielen Vorteilen des Vorortsteuergeräts gehört, dass Getriebe und Elektronik als mechatronisches System funktionieren und als bereits vorgeprüfte Einheit beim Fahrzeughersteller für den Einbau bereitgestellt werden. Jedes Steuergerät kann dabei individuell auf den mechanischen Antriebsstrang mittels Kalibrierung am Bandende oder auch später im Fahrzeug optimal abgestimmt werden [9]. Die Hardware entspringt einer Steuer­ geräteplattform von ZF für die Verwendung in mobilen Arbeitsmaschinen. Sie wurde für die besondere Beständigkeit

Swash plate pump bent axis motor

90 85 80 75 70 65

Swash plate pump swash plate motor

60 0

100

200 300 Pressure difference [bar]

400

500

❼ Hydrostat (Schrägscheibenpumpe back-to-back mit Schrägachsenmotor) und Wirkungsgradvergleich Schrägscheiben-/Schrägachsenmotor (modifiziert nach [7]) Hydrostatic unit (swash plate pump back-to-back with bent axis motor) and efficiency comparison of swash plate versus bent axis motor design (modified based on [7])

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Titelthema

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Storage capacity : Flash 2.0 MB : RAM 86.5 kB : EEPROM 16 kB

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Ambient temperature : -40 ... +120 °C

❽ Vorortsteuergerät mit den ­technischen Daten On-board electronic control unit with the technical data

Consumer

Energy supply

Ground drive Power take-off (PTO)

Requirement

Hydraulics

Torque coordinator

Control

Physical power flow

Diesel engine Hybrid battery

Auxiliaries

Elektrifizierung und ­Hybridisierung

Comfort systems

❾ Konzept einer Motor-/Getriebesteuerung mittels Drehmomentkoordinator Engine/transmission control strategy using an engine torque coordinator

DOI: 10.1365/s35746-011-0016-9

Motoren- und ­Getriebemanagement

Moderne elektronische Dieselmotorsteuerungen bieten Freiheitsgrade für die An­­ triebsstrangregelung, die in üblichen drehzahlbasierten Systemen kaum zur Geltung kommen. Die Motoren werden mit einer Wunschdrehzahl angesteuert, eine Information über den Auslastungszustand des Motors errechnet man lediglich bei Volllast aus der Motordrückung. Innermotorisch erfolgt unterdessen die Berechnung der Regelgrößen auf Basis des Drehmoments und der auftretenden Verluste. Die Differenz zwischen verfügbarem und ak­­tuell bereitgestelltem Dreh-

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dem Dieselmotor auch ein Elektromotor Leistung bereitstellen. Nur eine zentrale Koordinierung der Leistungsflüsse kann einen optimalen Betrieb gewährleisten. Verzichtet man deshalb auf eine Drehzahlvorgabe an den Dieselmotor und erzeugt stattdessen eine Drehmomentanforderung, können verschiedene Verbraucher auf der Basis des Drehmoments an der Kurbelwelle sinnvoller koordiniert werden [10]. Die Lastanforderungen des Fahrantriebs, der Arbeitsantriebe sowie der Nebenverbraucher werden im Drehmomentkoordinator verarbeitet und je nach Betriebsstrategie als Drehmomentanforderung an den Dieselmotor gesendet, ❾. Besteht die Möglichkeit, Einfluss auf die einzelnen Verbraucher zu nehmen, so kann beim Auftreten plötzlicher Lastspitzen zum Beispiel an der Arbeitshydraulik die Anforderung von niedriger priorisierten Komponenten zeitlich zurückgestellt werden, um die Motorbelastung ohne Auswirkungen auf den Fahrantrieb ausregeln zu können. Durch Einsatz zusätzlicher Sensoren eröffnet sich die Möglichkeit, den Leistungsbedarf, der auf Verbraucher entfällt, die nicht mit dem Fahrregler vernetzt sind, zu quantifizieren und in der Regelstrategie zu berücksichtigen.

moment beschreibt mit hinreichender Genauigkeit die Motor­auslastung in jedem Betriebspunkt. In Traktoren mit Stufenlosgetrieben koordiniert ein Fahrregler die Umsetzung des Fahrerwunsches in Anforderungen an den Dieselmotor und das Getriebe. Beim Entwurf des Fahrreglers stellt die Gestaltung der Kommunikationsschnittstellen zwischen den vernetzten Steuergeräten eine wichtige Einflussgröße für einen effizienten Fahrbetrieb dar. Durch die zunehmende Zahl von Nebenabtrieben und -verbrauchern erhöht sich die Komplexität der Leistungsanforderungen zunehmend. Wird der Antriebsstrang gar um eine ­Hybridbatterie erweitert, so kann neben

Die möglichen Vorteile und Potenziale einer Elektrifizierung oder Hybridisierung des Traktors werden seit geraumer Zeit intensiv diskutiert und erforscht [11, 12]. Das Traktorgetriebe verteilt in seiner heutigen Funktion die Dieselmotorleistung in wechselnden Anteilen auf Fahrantrieb, PTO sowie Hydraulikpumpen. Daher erscheint es konsequent, elektrische Leistung auch innerhalb des Getriebes zu erzeugen und mit anderen mechanischen und hydraulischen Leistungsflüssen bestmöglich zu kontrollieren. Die Getriebebaureihe Terramatic ist bereits konzeptionell und konstruktiv für den Einbau des Generatormoduls Terra+ für den bedarfsgerechten Antrieb elektrischer Nebenverbraucher am Fahrzeug und für den Antrieb von Arbeitsfunktionen auf Anbaugeräten vorbereitet, ❿. Der Bauraum zwischen dem Dieselmotor und dem Ge­­triebe erlaubt die Unterbringung des Ge­­nerators gegebenenfalls mit Hochtreiberstufe für eine höhere Leistungsaus-

die Regelung der Leistungsflüsse und des Arbeitsprozesses zwischen Traktor und Gerät noch größere Bedeutung vor den ­einzelnen Antriebsbaugruppen. Literaturhinweise

❿ Terramatic-Getriebe sind bereits auf die Integration des Generatormoduls Terra+ vorbereitet Terramatic transmissions are already prepared for the integration of Terra+ generator modules

beute insbesondere bei kleinen Dieseldrehzahlen und mit Trennkupplung sowie mit einer integrierten Kühlung. System­ seitig werden die elektrischen Komponenten durch ein Hybridsteuergerät ergänzt, welches unter anderem die Leistungsflüsse im elektrischen Netz steuert und über den Fahrregler in das Leistungsmanagement des Antriebsstrangs eingebunden ist. Zusammenfassung und Ausblick

Die stufenlosen Traktorgetriebe sind dabei, sich auf den entwickelten Märkten der Welt als Standardfahrantrieb in professionell eingesetzten Traktoren zu etablieren. Nach zehn Jahren der Serienproduktion tritt ZF in die Entwicklung und Herstellung der nächsten Generation stufenloser Traktorgetriebe ein. Mit der Baureihe Terramatic werden alle positiven Eigenschaften von mittlerweile mehr als 60.000 Getrieben der ­Eccom- und S-Matic-Serie für künftige ­An­wendungen in Standardtraktoren mit selbsttragenden Gehäusen gebündelt und fortentwickelt. Einzigartig am Markt bietet ZF parallel dazu auch künftig eine komplette Baureihe stufenloser Getriebe für Traktoren in Rahmenbauweise an, die weiterhin unter dem Markennamen ZF Eccom fortbestehen und die technischen Optimierungen der Terramatic-Baureihe übernehmen wird. Wesentliche Merkmale der neuen Terramatic-Getriebe sind wirkungsgradoptimierte Hydrostaten, die für eine einfache Wartung

an einem seitlichen Gehäusedeckel aufgehängt sind. Dieser Deckel trägt zudem ein neues, leistungsfähigeres elekt­ronisches Vorortsteuergerät, welches aus dem Getriebe eine optimal abgestimmte Einheit macht und auf dem wahlweise auch die Fahrstrategien laufen. Für die noch effi­ zientere Umsetzung der Motorleistung auf Fahrantrieb und einzelne Nebenverbraucher wird eine Regelstrategie auf Basis eines Drehmomentkoordinators vorgestellt. Das gilt insbesondere im Hinblick auf den Einsatz elektrifizierter oder hybrider Antriebskomponenten, für die die neuen Terramatic-Getriebe bereits konstruktiv vorbereitet sind. Gerade vor dem Hintergrund einer bevorstehenden Elektrifizierung gewinnt

S o n derausgabe ATZ | November 2011

[1] Grad, K.: ZF’s IVT transmissions and their ­c ustomer benefits. 19th Annual Ag Machinery ­C onference – Engineering for a Global Business. Cedar Rapids, Iowa, May 3rd-5th, 2004 [2] Renius, K. Th.; et al.: Continuously variable tractor transmissions. Asabe Distinguished Lecture Series, Nr. 29, S. 1-37, Asabe Publ. No. 913C0305 [3] Pohlenz, J.: Stufenloses hydrostatisch-leistungs­ verzweigtes Getriebe Eccom für den Einsatz in Trak­ toren. VDI-Berichte Nr. 1592, S. 451-468 [4] Grad, K.; Pohlenz, J.: Transmissions for ­tractors – requirements, technical solutions and develop­ ment trends. VDI-Berichte Nr. 2018, S. 319-330 [5] Mattei, M.; et al.: Stage IIIB/Tier 4i and Stage IV/Tier 4 Engine System Integration in Agricultural Tractors. 6th AVL International Commercial Power­ train Conference, 25.-26. Mai 2011, Graz [6] Gui, X.; et al.: Non-Road Diesel Engine Emis­ sions and Technology Options for Meeting Them. Asabe Distinguished Lecture Series, Asabe Publ. No. 913C0110 [7] Mejia, F.; Jachnick, M.: First Hydrostatic ­C ompact Unit Combining Swash-Plate-and BentAxis-Design for Higher Efficiency and Reduced ­S ize. 69th International Conference on Agricultural Engineering AgEng 2011, Hannover [8] Mejia, F.: Ausgezeichnet arbeiten. ­In: Agrar­ technik (2010), September, S. 33-35 [9] Beck, H.: Vorortelektronik für Arbeitsmaschi­ nengetriebe. Fachtagung Baumaschinentechnik, 5.-6. Oktober 2006, Dresden [10] Dieselmotor-Management. Hrsg. Robert Bosch GmbH. Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2004 [11] Götz, M.; Mohr, M; Fellmann, M.; Grad, K.: Neue Ansätze bei der Antriebstechnologie. In: ­M obile Maschinen 1 (2010), Nr. 1, S. 2-4 [12] Götz, M.; Fellmann, M.; Grad, K.: Vergleich zwischen Hybridisierung und Elektrifizierung eines Traktors. Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeug­ systemtechnik, Band 7, S. 25-34, KIT Scientific Publishing 2011

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