Der Projekt-Forwarder mit Triple-Bogieachse demonstriert die neue Kransteuerung
Der Projekt-Forwarder mit
Triple-Bogieachse demonstriert
die neue Kransteuerung
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Das Projekt Forwarder 2020

26. Dezember 2019

Das Projekt Forwarder 2020 hat viel von sich reden gemacht. Mit einer Fachkonferenz hat Koordinator Felix Fürst zu Hohenlohe-Waldenburg das Projekt Ende September 2019 abgeschlossen. Unser Autor Dr. Johannes Sebulke war dabei und hat die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst.

Es ist schon ein erstaunliches EU-Projekt, zu dessen Abschlusskonferenz Felix Fürst zu Hohenlohe-Waldenburg eingeladen hatte. Erstaunlich wegen der vielen verwertbaren Ergebnisse, wegen der Anregungen für Weiterentwicklungen und der straffen Koordination der 13 Projektpartner aus fünf Ländern. Die Kooperation reichte von Schottland und Litauen bis ins südliche Rumänien.

Unter den Projektpartnern sind Firmen wie Dana-Rexroth (HVT-Getriebe) und das Forstunternehmen Hegenbarth sowie Institute aus Sachsen, Rumänien, Litauen und Schottland. Dazu kommen die Universität Karlsruhe (KIT), die auf ihrem Großprüfstand physikalisch exakte Vergleichsversuche gefahren hat, und die Uni Bern, die sich eigenfinanziert an diesem Projekt beteiligte. Nicht zuletzt ist die Firma HSM involviert, die den Part des Maschinenbaus beisteuerte und das Projekt geleitet hat.

Zu Hohenlohe hatte Projektförderer und die Projektpartner zur Abschlusskonferenz nach Waldenburg-Hohenlohe eingeladen. Aber nicht in die gleichnamige Burg, sondern nach Laurach, auf ein nahegelegenes Gehöft, wo er die Forwarder auch vorführen konnte. Als Konferenzraum diente eine Scheune. Eine Leinwand für den Beamer hing einfach an der Scheunenwand. Umso anspruchsvoller waren die Vorträge. Denn es ging nicht darum, ein Fest zu feiern, sondern um ein Arbeitstreffen. Die Projektziele waren hoch gesteckt. Nachhaltiger, sparsamer, bodenschonender und smarter soll die Holzernte werden. Zu Hohenlohe gliederte die Präsentation der Ergebnisse in die „Module“ auf, die dem Projekt zugrunde gelegen hatten:

Modul 1: Energieeinsparung mit CVT-Getriebe für Forwarder

Modul 2: Ergonomie mit hydropneumatisch gefederten Bogieachsen

Modul 3: Energieeinsparung mit intelligenter Kransteuerung und Energierekuperation

Modul 4: Bodenschonung mit einer Triple-Bogieachse

Modul 5: Digitalisierung mit Hilfe eines Monitoring-Systems

Modul 1: Energieeinsparung durch neues CVT-Getriebe für Forstmaschinen

CVT-Getriebe mit Leistungsverzweigung zwischen hydrostatischem und mechanischem Zweig gibt es schon lange (S-matik, Vario u.a.). Auch über ein HVT-Getriebe von Rexroth hat Forst & Technik schon berichtet (F&T 3/2010). Die Forwarder-Produzenten zögerten aber lange. Schließlich soll ein Forwarder ja nur bis zum nächsten Polterplatz fahren, möglichst nur ein paar Meter von der Rückegasse entfernt.

Für dieses Projekt war ausschlaggebend, dass in Osteuropa die Rückeentfernungen oft sehr weit sind. Dadurch bekam ein stufenloses Getriebe, das der Maschine auf gutem Untergrund auch eine schnelles Fahren ermöglicht, einen neuen Stellenwert. Zudem arbeitet das für das Projekt ausgewählte HVT-Getriebe (Hydraulic Variable Transmission) bereits nach dem neueren Prinzip „eingangsgekoppelt“.

Das bedeutet: beim Anfahren und beim Reversieren arbeitet es rein hydrostatisch. Erst mit steigender Geschwindigkeit wird der mechanisch übertragene Leistungsanteil erhöht. Das HVT-Getriebe von Dana-Rexroth hat noch eine andere Besonderheit: Hydropumpe und -motor sind nicht integriert, wie etwa beim cPower von ZF, sondern es sind wartungsfreundlich serienmäßige Rexroth-Komponenten angeflanscht. Ansetzmöglichkeiten für die Arbeitspumpe und für weitere Pumpen bestehen außerdem. Der Grund dafür ist, dass diese HVT-Getriebe für Baumaschinen gedacht waren. Auf dieser Tatsache beruhte auch die bisherige Zurückhaltung. Denn die Achsabstände („Drop“) von 540 mm waren für die Forstmaschinen, die eine hohe Bodenfreiheit benötigen, ein Problem.

Erst im Rahmen dieses EU-Projektes hat Dana-Rexroth ein neues HVT-Getriebe entwickelt, das mit einem Achsabstand von nur 300 mm auskommt und das damit eine hohe Bodenfreiheit ermöglicht. Alle Vorteile eines CVT-Getriebes – hydrostatisches Anfahren und Reversieren sowie treibstoffsparende Schnellfahrt – blieben bei der „Short Drop“ genannten Ausführung des HVT R2 erhalten. Zu Hohenlohe erläutert: „Bis 4 km/h arbeitet das HVT rein hydrostatisch (1. Gang). Bei 4 km/h schaltet sich der 2. Gang automatisch zu. Bei 10 km/h arbeitet das Getriebe rein mechanisch, der Wirkungsgrad ist hier hoch.“ Bei etwa 17 km/h ist der 3. Gang in einem gewissen Bereich anwählbar („Asynchronous Shifting“), damit das Getriebe nicht immer hin und her springt, wenn man genau in diesem Bereich arbeitet. Dann wird der hydrostatische Zweig langsam wieder zugeschaltet, bis man die Höchstgeschwindigkeit von 36 km/h erreicht. Die Gangwechsel erfolgen mit Lamellenkupplungen, die so schnell sind, dass ein stufenloser Fahreindruck entsteht.

Das Getriebe HVT R2 von Dana Rexroth: rechts die Standardausführung, links die neu entwickelte Ausführung Short Drop
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Bei der Abschlusskonferenz traten dann zwei HSM-208F-Achtradmaschinen gegeneinander an: eine mit konventionellem hydrostatischen Antrieb und eine mit dem neuen Short-Drop-Getriebe. Es regnete, der Untergrund war weich, aber eben und tragfähig. Der konventionelle 208F fuhr so, wie man es von Forwardern gewohnt ist, mit höherer Drehzahl, aber nicht wirklich schnell. Der Neue dagegen zischte bei normalem Motorgeräusch richtig ab. Zum Erfolg des neuen Getriebes nannte zu Hohenlohe diese Zahlen für eine Bezugsgeschwindigkeit von 10 km/h:

Fahrcharakteristik des neuen HVT R2 Short Drop, so wie es im Projektfahrzeug eingebaut ist
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  • Wirkungsgradverbesserung + 50 %,
  • Treibstoffersparnis 1,36 l/km,
  • Fahrgeschwindigkeit ca. 50 % schneller.
  • Modul 2: Ergonomieverbesserung durch hydropneumatische Federungen

    Die Bogiefederung hat HSM zwar konstruktiv abgeschlossen, zu Hohenlohe hat aber bisher keinen Hersteller gefunden. Sie konnte daher bislang nicht erprobt werden.

    Gefederte Bogieachse als CAD-Entwurf. Bisher hat sich noch kein Hersteller für sie gefunden
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    Die Kabinenfederung dagegen hat HSM als Baukastenbauteil hergestellt und in einem der Prototypen auch erprobt. Genaue Funktionsvergleiche mit anderen Kabinenfederungen fanden aber nicht statt.

    Neu konstruierte Reifenbefestigung „Bead lock rim“, um auch bei Niederdruckreifen die hohen Anzugsmomente ohne Reifenrutschen übertragen zu können
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    Eine interessante Neukonstruktion entstand aber sozusagen am Rande: „Bead-lock-rims“, eine ringförmige Klemmung der Reifen an die Felgen, ermöglichte einen niedrigeren Reifenfülldruck und dadurch einen niedrigeren Bodendruck, ohne bei hohen Drehmomenten ein Rutschen der Reifen auf den Felgen befürchten zu müssen.

    Modul 3: Energieeinsparung durch intelligente Kransteuerung

    Den Nutzen der neuen Kransteuerung kann man nicht sehen, man muss die Wirkungsweise kennen, die wir in F & T 7/2018 bereits erläutert haben.

    Der Projekt-Forwarder mit Triple-Bogieachse demonstriert die neue Kransteuerung
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    Die Energieeinsparung entsteht erstens durch Regeneration der Energie: Führt man die Last zum Beispiel waagerecht über dem Boden vom Fahrzeug weg, dann senkt sich der Hauptarm – und es wird Energie frei, die man gleich zum Anziehen des Knickarms verwendet. Theoretisch ein Nullsummenspiel. Praktisch braucht man Hydrotransformatoren, da Volumina und Drücke sich nicht decken.

    Zweitens durch Rekuperation: Wird eine Last gesenkt, so kann man damit einen Hydrospeicher füllen, der beim Heben der Last hilft. Beide Verfahren hat HSM realisiert und brachten eine Ersparnis. Beide Systeme sind bei jedem beliebigen Kran möglich. Zu Hohenlohe rät aber zu einer sorgfältigen Auslegung, damit die Ersparnis nicht durch sonstige Einflüsse auf die Kranhydraulik wieder aufgefressen werden.

    Modul 4: Bodenschonung durch eine Triple-Bogieachse

    Die Triple-Bogieachse ist das fotogenste Element des Projektes. Entsprechend oft war sie schon in Fachzeitschriften zu sehen. Die Zahlen sind ja auch beeindruckend: 25 % mehr Aufstandsfläche als beim Achtrad-Forwarder, unter der Last sogar die 1,5-fache Fläche. Bei Bogiebändern halbiert sich rechnerisch der Bodendruck sogar. Es kam also alles auf die Einsatzerfahrungen an – und die sind vielversprechend.

    Der besonders schmale, von HSM konstruierte Bogiekasten des Projektfahrzeugs
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    Konstruktion: Das Differenzial ist von NAF, die Konstruktion hat aber HSM durchgeführt. Dabei hat HSM die Tripleachse so konstruiert, dass sie beim F 208 gegen eine normale Bogieachse ausgetauscht werden kann. Die Bogiewippe musste dafür sehr schmal gehalten werden. Alle Räder sind per Zahnräder gleichzeitig und synchron angetrieben. Bei den internationalen Versuchen gab es damit keinerlei mechanische Probleme.

    Funktion: Beim Triple-Bogie sind alle Räder synschron angetrieben. Daher laufen aufgelegte Bänder relativ spannungsfrei, was ihre Lebensdauer erhöht. Wurzelstöcke und Felsbrocken übersteigen kann der Triple-Bogie auch, seine Stärke spielt er aber beim Überschreiten von Gräben aus. Bestimmt ist er für wenig tragfähige bis sumpfige Böden, auf denen andere Fahrzeuge nicht mehr fahren können. Dort erhält der Triple-Bogie von den Testfahrern in Sachsen, Schottland, Rumänien und Litauen gute Noten. Aber Fürst Felix zu Hohenlohe ist technikbegeistert genug, um für den nächsten Einsatz schon wieder neue Detailverbesserungen im Kopf zu haben, zum Beispiel für die Abstimmung der Reifen mit den Bändern in Extremsituationen.

    Wichtig bei dem Projekt war, nicht nur die subjektiven Erfahrungen zu werten, sondern die Auswirkungen auf den Boden auch exakt nachzuprüfen. Auch hierbei schnitt der Triple-Bogie gut ab und hinterließ im Vergleichstest fast keine Gleisbildung.

    Modul 5: Digitalisierung durch das Monitoring-System „Smart Forwarder“.

    Hier geht es um die Erfassung der gesamten Maschinendaten und aller Bewegungen der Krankomponenten. Damit kann man dann nicht nur den momentanen Status der Maschine erfassen, sondern auch alle Schritte des Arbeitsprozesses zurückverfolgen. Im Projekt fragte der Maschinenrechner 88 Sensoren ab, was eine Datenmenge von etwa 700 MB pro Schicht ergab.

    Die Erfassung der Betriebsdaten durch Sensoren während des Arbeitseinsatzes, ihre Verdichtung und die Speicherung in einer Cloud funktionieren schon. Das System hat die Uni Bern in einem der Prototypen bereits erprobt. Schon dabei eröffnete die Analyse der Daten vielseitige Perspektiven. So gelang es aus der Analyse der Druckverläufe an den Kranzylindern das von Kran gehobene Holzgewicht ausrechnen. „Aber noch nicht eichfähig“, wie der Referent bescheiden ergänzte.

    Wem das alles nützt und was man mit den Daten machen kann, veranschaulichte er in einer Grafik: Ob Waldbesitzer, Förster, Forstunternehmer, Fahrer oder Naturschützer, jeder kann die Daten für seine Zwecke verwenden. Auch für die Lieferkette Forst und Holz erschließen sich viele Möglichkeiten. Das in den Prototyp implementierte System entspricht den Anforderungen von „Industrie 4.0“ bzw. „Forest & Timber 4.0“. Das Tor ist aufgestoßen, den Forwarder in die digitale Ära zu überführen.

    Johannes Sebulke