Kübler: Eine Stufe besser

Markus Brunner, Global Industry Manager, Kübler, Villingen-Schwenningen

Im Autoland Deutschland sind stufenlose Getriebe wenig beliebt. Dies mag mit dem Gummibandeffekt zusammenhängen. Namensgebend für das Phänomen, das meist an Kleinwagen vorkommt, ist ein jaulendes Motorengeräusch, welches an schleifende Kupplungen erinnert. Generiert wird es durch – sehr einfache – stufenlose Getriebe, wenn beim Gasgeben die Drehzahl der Geschwindigkeit „vorauseilt“. Das Geräusch überdehnten Kautschuks mag also die Ursache sein, warum Mercedes, Opel und viele andere Hersteller ganz von der Continuous Variable Transmission, oder kurz dem CVT-Getriebe, in Pkws abgerückt sind.

In punkto Nutzfahrzeuge ergibt sich jedoch hierzulande ein anderes Bild: Seit über 20 Jahren sind CVT Getriebe aus mobilen Maschinen nicht mehr wegzudenken. Unter allen Anwendern stufenloser Getriebe innerhalb des Bereichs der Arbeitsmaschinen sind es landwirtschaftliche Traktoren, die hier als Vorreiter fungieren. Sie sind die Nutznießer der vielen positiven Eigenschaften, denn die Performancequalität des leistungsverzweigten Getriebes ist nach mechanischen und hydrostatischen Prinzipien unbestritten. Und in diesen Bereichen sind es die großen Traktorhersteller selbst, die die Technologie seither zur Reife gebracht haben.

Zwei der weltweit führenden Traktorhersteller verwenden Kübler-Drehgeber in ihren CVT-Systemen. Es ist ein Drehgeber-Einsatz in einer speziellen Branche mit hochspezialisierten Anforderungen. Die Auffassung, dass in einem modernen Traktor mehr Hightech als in jeder S-Klasse steckt, zieht sich durch die Branche wie ein roter Faden. Während ein Auto „nur fährt“, vollbringt die Landtechnik herkulische Großtaten: Traktoren strotzen widrigen Wetterbedingungen und durchfurchen lehmige und steinreiche Böden. Dabei hieven, schleppen oder schneiden sie tonnenweise Erntegut.

Kurzum: Drehgeber für solche Anforderungen stehen nicht im Katalog. Beide Drehgeber, die heute in modernen Traktoren zuverlässig positionieren, sind jeweils Ergebnisse umfangreicher Entwicklungsprojekte – auf strikte Kundenvorgaben hin. Die eingesetzten Drehgeber leisten einen wesentlichen Beitrag zur Maschinenperformance; integriert in den Servoaktuator, der aus perfekt aufeinander abgestimmtem Komponenten, Elektromotor mit Getriebe und Drehgeber, besteht. Hier laufen die Präzision und die Intelligenz der Maschine zusammen: Die drei Komponenten des Aktuators bilden gemeinsam die Kommunikationsschnittstelle.

Die technische Zielsetzung bei Arbeitsmaschinen isteine Kombination aus der Verbesserung des Wirkungsgrades und des Energieverbrauchs in Verbindung miteiner Maximierung der sogenannten Flächenleistung, also der Leistung an Arbeitssystemen und Längsantrieb. Die eigentliche Herausforderung auf dem Weg zum passenden Drehgeber innerhalb dieses Projekts bestand in einem Kompromiss. Einem Abwägen zwischen Präzision, also sehr hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit, bei gleichzeitig völliger Magnetfeldfestigkeit und Resistenz gegenüber Schocks und Dauervibration. Auch ein weiter Temperaturbereich mit zuverlässigem Schutz gegen Nässe und Feuchtigkeit gehörten zu den Grundvoraussetzungen des Projektes.

Ein Servoaktuator wandelt die Signale eines Steuergeräts in die gewünschte Getriebeübersetzung am Fahrzeug um. Hier verschmelzen Präzisionsgetriebe und Servomotor mit Drehgeber zu einer Einheit. Beim Einsatz in Traktoren muss er durch Drehmoment und Verdrehsteifigkeit den gesamten Temperatur- und Versorgungsspannungsbereich zuverlässig bewältigen. Erschwerend ist bei der Aufgabe zudem, dass die Werte unter wechselnden Lastsituationen sichergestellt und dargestellt werden müssen.

Ein Servoaktuator ist darüber hinaus Teil einer Gesamtlösung. Mit im Spiel bei der komplexen Aufgabe war daher ein Verbund hochspezialisierter Unternehmen, der durch gemeinsame Arbeit die entscheidenden Impulse zur Produktneuheit bis hin zur Serienreife leistete. Neben den Sensorik- und Elektroniklieferanten zählten zu den Ideengebern die Entwickler der Elektromechanik, der Software und der Motoren. Das Ergebnis der gemeinsamen Arbeit: Beschleunigungs- und Bremsvorgänge lassen sich mit dem CVT-Getriebe so gut wie ohne Verstellzeiten realisieren.

Raue Umgebungsbedingungen mit extremen Temperaturbereichen und starker Vibration stellen besondere Anforderungen an die Drehgeberlösung. Die von Kübler speziell für den Einsatz in Servoaktuatoren für die Landtechnik entwickelten hochgenauen optischen Singleturn-Drehgeber basieren auf einer Kombination zweier Schnittstellen: Einer inkrementellen mit 2000 Impulsen und der parallelen 5-Bit-Grey-Code-Abtastung. Durch ihre hohe optische Auflösung liefern sie exakte Messwerte, sind gleichzeitig aber auch sehr robust. Singleturn-Auflösungen von bis zu 17 Bit sind üblich: Im Falle des gewünschten Aktuators bot sich eine 13-Bit-Auflösung passgenau an. Dazu runden die kundenspezifische Montageoption von Flansch und Welle den, speziell für die Aktuator-Integration sehr kompakten und flachen, Aufbau des Gebers ab.

Die Spezialausführung setzt sich fort bis zum Kabel, das wiederum flacher als üblich ausgeführt wurde. Innerhalb des Aktuators setzt der Drehgeber einen CAN-Bus-Befehl mit hoher Präzision in die Winkelposition der Axialkolbenpumpe um. Ausgelöst wird dieser über einen Joystick in der Fahrzeugkabine. Die Winkelposition entscheidet dann über die Menge an Durchsatz von Hydrauliköl. Diese Ölmenge schließlich regelt die Drehzahl des Hydraulikmotors und damit die Getriebeübersetzung stufenlos. Daneben schützt ein besonders robustes Gehäuse die hochpräzise Elektronik – vor Vibration ebenso wie vor Hitze oder Feuchtigkeit.

„Wenn jeder einzelne zusammen vorwärts geht, dann muss man sich um Erfolg nicht kümmern“, soll Henry Ford zum Thema Teamwork gesagt haben, als der Begriff wohl noch wenig in Mode war. Großprojekte, die angefangen beim Kundenwunsch schließlich bis zur eigenen Fertigungsinsel führen, können nur durch die enge Verzahnung aller Abteilungen und die reibungslose Kommunikation im Team entstehen. Als Komponentenhersteller für die neuste Traktorgeneration zweier weltweit renommierter Produzenten durchlief Kübler das gesamte Produktionsteil-Freigabeverfahren PPAP, den sogenannten Production Part Approval Process, angelehnt an strenge Automobil-Standards. Es ist ein strukturiertes Bemusterungsverfahren für Serienteile im Automotive-Umfeld und stellt umfassende Anforderungen an die Qualitätsvorausplanung. Alle Projektbeteiligten im Unternehmen trugen ihren Teil zu den Einzelschritten bei: von der effektiven Vorbereitung der Bemusterung über die Begleitung der Fertigungsabläufe bis zur Abstimmung und Koordination von Änderungen – immer in direkter Absprache mit anderen Lieferanten aus dem Verbund. Bei Kübler fungiert dabei der Projektleiter als Hauptschnittstelle zum Kunden. Mit im Boot, auch vor Ort bei den Milestone Reviews, war das abteilungsübergreifende Team aus Konstrukteuren, Elektronikentwicklern, QM- Management – unterstützt durch die Kollegen der Arbeitsvorbereitung und des Einkaufs.

Innerhalb des Antriebs kommt dem Aktuator als Überwachungsschnittstelle auch in punkto Sicherheit eine große Bedeutung zu. Ungewollte Stellbewegungen, die zu Fahrbewegungen aus dem Stillstand führen können oder eben auch ausbleibende Stellbewegungen, die sich schlimmstenfalls in nicht ausgeführte Bremsvorgängen äußern, gehören zu den Gefahrenquellen, die zu ernsthaften Verletzungen und zu Schäden von Mensch und Maschine führen können. Die Kommunikation zwischen Getriebesteuerung und Verstelleinheit basiert auf einem sicherheitsgerichteten CAN-Bus-Protokoll. Integriert sind dabei zahlreiche Diagnosefunktionen und Plausibilitätsprüfungen, wie etwa Überwachung der Temperatur, der Spannung und des Stroms.

Sicherheit innerhalb dieses Prozesses entsteht im richtigen Verständnis der Anforderungen: Auf der Basis langjähriger Erfahrung kann Kübler seine Kunden bei Fragen nach Funktionaler Sicherheit begleiten. Der Sensorikspezialist bietet zudem ein umfassendes Portfolio an Dienstleistungen rund um alle Sicherheitsaspekte. I

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