Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Optimering av komplexa hydraulmekaniska
transmissioner för hjullastare
Karl Pettersson
Fluida och mekatroniska system (Flumes), Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, Linköpings universitet
E-mail: [email protected]
Sammanfattning
Under de senaste åren har utvecklingen av nya energieffektivare transmissioner för tunga fordon tagit fart. Krav på mindre
utsläpp och lägre bränsleförbrukning driver utvecklingen av nya komplexa drivlinor samt olika typer av hybridisering. En
lovande lösning för hjullastare är den så kallade power-split tekniken, där en hydrostatisk transmission används parallellt
med en mekanisk drivning. En väldesignad power-split transmission kan utnyttja det bästa från båda världar samt ge utökade
möjligheter till en mer effektiv styrning av förbränningsmotorn. Genom att utnyttja flera moder (växlingssteg) kan växellådan anpassas för tyngre fordon, samt minska energiförbrukningen eftersom högre andel effekt kan överföras mekaniskt. Fler
moder öppnar upp fler frihetsgrader för hur transmissionen designas. Med hjälp av optimering kan denna process automatiseras för att på bästa sätt anpassas till lastfallet för hjullastaren. Artikeln presenterar en metod för optimal design av ett
komplext hydraulmekaniskt power-split koncept med energieffektivitet som utgångspunkt.
Nyckelord Power-split, Optimering, Hjullastare, Energieffektivitet
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
1
Introduktion
möjlighet att använda simuleringsbaserad optimering för att
Den traditionella drivlinan för tyngre hjullastare består av
designa transmissionen.
en momentomvandlare i serie med en powershift-växellåda.
Momentomvandlaren har tidigare varit mycket populär
2 Power-split
på grund av dess tillförlitlighet och dess självreglerande
Hydraulmekaniska power-split transmissioner är en gam-
karaktär. Den rent hydrostatiska drivningen är state-of-
mal teknik, men blev framförallt populär under 90-talet för
the-art för kompakta hjullastare och har växt i popularitet
jordbrukstraktorer. Flera olika koncept utvecklades och den
även för allt större hjullastare. Ett problem med hydrostat-
första kommersiella traktorn med power-split transmission
transmissionen är den överlasteffekt som finns installerad
lanserades 1996, se vidare i [2]. Idag är tekniken mer eller
i systemet. För att undvika för stora hydraulmaskiner,
mindre state-of-the-art inom jordbruksområdet och nu har
används också hydrostattransmissioner med flera motorer
även intresset ökat för implementation i anläggningsmaski-
och växelsteg. Två-motor-transmissionen, som styrtekniskt
ner. De befintliga koncepten för traktorer är nödvändigtvis
vidareutvecklats på Flumes under 90-talet, har visats vara
inte applicerbara på hjullastare eftersom kraven och de
ett bra alternativ med lägre andel installerad hydraulisk
typiska arbetsområdena skiljer sig betydligt. Under de
effekt [1]. Den totala installerade effekten kan då minskas
senaste åren har ett flertal power-split transmissioner
genom att växlingsstegen fördelar hydraulmaskinernas ar-
lanserats, specifikt anpassade för anläggningsmaskiner och
betsområden utefter lastkaraktäristiken. Även denna typ av
hjullastare. Bland annat har både ZF och Bosch Rexroth
transmission kräver däremot väldigt stora hydraulmaskiner
(se [3]) nyligen lanserat power-split växellådor avsedda att
för att möta lastmomentet för riktigt tunga hjullastare.
ersätta momentomvandlaren i anläggningsmaskiner med
motoreffekt över 110 kW.
Kraven på en modern hjullastartransmission kan kort
sammanfattas enligt följande:
• Steglös
variabel
utväxling
Fig. 1 visar de tre huvudkonfigurationerna för poweri
ett
brett
moment/hastighets-intervall
split, samtliga med hydrostatisk transmission som variator.
Konfigurationerna skiljer sig beroende på hur effekten
• Bibehållet utmoment vid eventuella växlingar
• Hög verkningsgrad i alla arbetspunkter
• Frikoppling mellan uthastighet och dieselmotorvarvtal
(a) Input-coupled
Momentomvandlare med power-shift kan endast sägas uppfylla de två första kraven, med tanke på de stora förlusterna som uppkommer vid låga hastigheter och höga moment.
En tänkbar lösning är istället den hydraulmekaniska powersplit transmissionen. Power-split låter en del av effekten
(b) Output-coupled
överföras rent mekaniskt vilket leder till att verkningsgraden blir väsentligt högre än ren hydrostatisk effektöverföring. Tekniken innebär däremot att komplexiteten på växellådan ökar, vilket påverkar produktutvecklingsprocessen
betydligt. Kostnaden för prototyp och demonstrator ökar
och därmed ökar även vikten av att kunna utvärdera koncept i ett tidigt stadie. En komplex transmissionsdesign kan,
(c) Variable bridge (Compound)
Fig. 1: Huvudkonfigurationerna för power-split
rent matematiskt, vara svår att dimensionera optimalt. Med
hjälp av detaljerade simuleringsmodeller finns det däremot
delas upp och summeras. Planetväxeln, som summerar
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
hastigheterna på axlarna, utgör en nyckelkomponent i
avancerade växellådor även blir betydligt tyngre och mer
transmissionerna. En betydelsefull fördel med power-split
skrymmande än en ren hydrostatisk drivning.
är dess förmåga att kunna använda samma variator för
flera olika moder (växlingssteg). Kravet är att det totala
2.1
utväxlingsförhållandet ökar med ökande variatorutväxling
Ett exempel på ett koncept som följer principen i Fig. 2
i första moden och med minskande variatorutväxling i
visas i Fig. 3. Konceptet är utvecklat vid universitetet i
nästa [4]. Ju fler moder desto bättre kan den installerade
Bochum och är alltså skalbart för fordon med olika storle-
effekten anpassas mot lastkaraktäristiken och därmed
kar genom att öka eller minska antal moder. Första moden
minimeras det nödvändiga hydrauliska deplacementet och
är rent hydrostatisk och sedan följer en serie input-coupled
verkningsgraden höjs. En klassisk design på en flermodig
moder. Den här typen av koncept är tilltalande för hjullas-
power-split transmission består av en power-split del med
tare eftersom uthastigheten kan gå från positiv till negativ
med två utaxlar, samt en serie med kopplingar till trans-
utan modbyte. Konceptet är tidigare studerat och utvärde-
missionens utaxel, enligt Fig. 2. Modbyte sker genom att
rat för en tung hjullastare i [5]. Fig. 4 visar simuleringsre-
Fig. 2: Principskiss över en power-split med flera moder
Betraktat koncept
Fig. 3: Det betraktade konceptet patenterades 1991 av Friedrich Jarchow [6]
hastigheten på axlarna synkroniseras och transmissionens
utaxel kopplas från den första axeln till nästa. På grund
av synkroniseringen riskerar man inte att dragmoment
tappas i växlingspunkten eftersom båda är kopplade till
sultat för en acceleration från 0 till vmax under maxlast på
hjullastaren. Verkningsgradskurvan för varje mod är karak1
utaxeln under en kort stund. Kopplingen kan vara en vanlig
0.9
klokoppling eftersom hastigheterna är synkroniserade Varje
0.8
mod utgör en av de nämnda grundkonfigurationerna och en
0.7
flermodig transmission kan alltså bestå av en kombination
0.6
av dessa. En väl designad flermodig transmission kan då
0.5
utnyttja fördelarna från olika typer av konfigurationer.
0.4
0.3
Möjligheten att kunna addera fler moder gör att ett
0.2
transmissionskoncept kan bli skalbart från lättare till tyngre
0.1
fordon utan att det installerade hydrauliska deplacementet
0
0
10
20
30
40
50
nödvändigtvis behöver ökas. Styrningen blir däremot mer
komplex med fler moder och det kan vara önskvärt att und-
Fig. 4: Simuleringsresultat för fyra moder
vika flera modbyten i ett snävt hastighetsintervall, på grund
av den begränsade snabbheten på hydraulmaskinerna. Fler
täristisk för input-coupled power-split och består av en fas
moder innebär fler kopplingar och kugghjul, vilket gör att
med cirkulerande effekt och en fas med summerande effekt.
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Topparna visar hastigheterna då all effekt överförs mekaniskt, detta sker i mitten av två modskiften. Transmissionen
är dimensionerad med grundsamband för hastigheter och
moment, så att hydraulmaskinernas arbetsområden utnyttjas maximalt i varje mod. Frihetsgraden ligger i placeringen
av modskiftena vshi f t,i i hastighetsområdet. Utaxlarna måste
vara synkroniserade i samtliga modskiften, men planetväxlarnas utväxling tillåter ändå att modskiftena förhåller sig
till varandra med en viss kvot. I detta koncept används två
planetväxlar vilket möjliggör två kvoter enligt (1):
vshi f t,4
vshi f t,2
=
= ...
vshi f t,1
vshi f t,3
vshi f t,3
vshi f t,5
x2 =
=
= ...
vshi f t,2
vshi f t,4
x1 =
(1a)
(1b)
Fig. 5: Lastkaraktäristik för hjullastaren
3
Optimering
på ηgear = 99%.
Transmissionsdesignen är alltså förenklad till att beslutet
om placeringen av modskiftena på hastighetområdet. Detta
kommer direkt att påverka hur verkningsgraden förändras i
• Den slutliga utväxlingen i0 , som även inkluderar differentialen, antas ha en konstant verkningsgrad på
olika arbetspunkter. Det förändrar också hur stora hydraul-
η f inalgear = 95%.
maskinerna behöver dimensioneras för att övervinna maximalt lastmoment på hjullastaren. Indata till dimensionering-
• Hydraulmaskinernas effektförluster är beroende av
en är hjullastarens lastkaraktäristik och dieselmotorns varv-
tryck, varvtal och ställtal och följer en map som är gi-
tal, som i denna studie antas konstant.
ven av tillverkaren.
• Varje transmission antas ha en matarpump som är 22%
3.1
Lastkaraktäristik
av deplacementet på Unit 1 och motsvarande effektför-
För att designa transmissionen krävs alltså information om
lust blir därmed konstant.
den nödvändiga dragkraften som måste åstadkommas vid
hjulen på fordonet. Fig. 5 visar en klassisk lastkaraktäristik
3.3
Målfunktion
för hjullastaren i heldragen linje. Den maximala dragkraf-
Målfunktionen för optimeringen ges av (2) där Etot är den
ten Fmax och maxhastigheten vmax varierar med storleken på
totala energiförlusten för körfallet, Dtot är det totala hydrau-
fordonet. Innanför den maximala lastkaraktäristiken visas
liska deplacementet och e1 och e2 är viktningskonstanter.
så kallade bubbeldiagram på två vanliga körcykler. Storle-
Kvoterna x1 och x2 är variablerna för optimeringen.
ken på bubblorna visar hur ofta hjullastaren befinner sig i
min f (x1 , x2 ) = e1 · Etot + e2 · Dtot
den arbetspunkten. I blått visas en kort lastarcykel och i rött
(2)
en längre lasta-bär cykel, båda inspelade för en hjullastare
Optimeringsalgoritmen som använts är Complex RF som är
med en maskinvikt på 31 ton.
närmare beskriven i [7].
3.2
4 Resultat
Simulering
Det betraktade konceptet är modellerat med statiska model-
Fig. 6 visar optimeringar för en hjullastare med maskinvikt
ler för komponenterna i transmissionen. Effektförlusterna
31 ton och en motoreffekt på 275 kW. Optimeringarna är
är sedan beräknade utifrån det givna lastfallet med bakåtbe-
gjorda för två lastfall:
räkningar. Följande modeller för effektförluster har använts:
• Varje kuggingrepp antas ha en konstant verkningsgrad
• Acceleration från 0 till vmax med maximalt lastmoment.
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
• Körcykler motsvarande 70% kort lastarcykel och 30%
lasta-bär, som ska representera typiska arbetsförhål-
4
3.5
landen för den aktuella storleken på hjullastare.
3
1
2.5
0.95
2
0.9
1.5
0.85
1
3
0.8
4
5
6
0.75
Fig. 7: De svarta markörerna motsvarar optimeringen mot
0.7
0.65
400
maxlast och de röda motsvarar optimeringen mot körcykler
500
600
700
800
900
(a) Optimering mot maxlast
som effektförlusterna ska vara som lägst och hur detta ska
1
vägas mot det installerade deplacementet. En mer avance-
0.95
rad funktion för transmissionens är möjligt att inkludera i
optimeringen. Denna funktion kan exempelvis innehålla
0.9
skattning av växellådans vikt och hydraulmaskinernas pris.
0.85
Från optimeringsresultaten är det tydligt att lågt de-
0.8
placement och hög energieffektivitet ibland kan vara en
0.75
gemensam målfunktion. Detta beror delvis på att större hydraulmaskiner kräver större matningspump vilket
0.7
0.65
400
500
600
700
800
900
därmed ökar parasitförlusterna för transmissionen. Verkningsgraderna för hydraulmaskinerna spelar också en stor
(b) Optimering mot körcykler
roll i hur transmissionen bör dimensioneras. En design med
stora hydraulmaskiner arbetar i lägre transmissionstryck,
Fig. 6: Resultat för design av transmissionen för hjullastare
vilket riskerar att den hydraulmekaniska verkningsgraden
med 275 kW motor
sjunker betydligt. Denna effekt blir ännu tydligare när opti-
Vid varje optimering ändrades viktningsvariablerna e1 och
e2 för att väga målfunktionen mot minimalt deplacement
respektive minimala energiförluster. Fig. 7 visar de resulterande kvoterna x1 och x2 som är optimala för lägst energiförbrukning för varje val av antal moder:
meringen körs mot inspelade lastarcykler än mot maxlasten.
Den optimala designen blir svår att hitta utan optimeringsverktyget, eftersom de optimala modskiftena inte
alltid sprids ut jämnt över hastighetsområdet. Den optimala designen skiljer sig något beroende på vilken
lastmodell som används i simuleringen. Det betraktade
5
Slutsats
exemplet använde endast två frihetsgrader för designen
En optimeringsmetod för designen av en komplex hydraul-
av transmissionen. Metoden kan däremot användas även
mekanisk växellåda av power-split typ har presenterats.
på mer avancerade designval. Fler frihetsgrader adderas
Metoden bygger på statiska bakåtberäkningar med relativt
exempelvis om separat styrning på dieselmotorn inkluderas
enkla förlustmodeller för de ingående komponenterna. Op-
och ytterligare frihetsgrader kommer till om ett energilager
timeringen hjälper till att bestämma i vilka arbetspunkter
används i transmissionen.
Hydraulikdagarna, Linköping, Sverige, 17-18 april 2012
Referenser
[1] Mikael Sannelius. On Complex Hydrostatic Transmissions - Design of a Two-Motor Concept using Computer Aided Development Tools. PhD thesis, Linköpings
Universitet, 1999.
[2] K Renius. Continuously Variable Tractor Transmissions. ASAE Distinguished lecture series Tractor Design, (29), 2005.
[3] Thomas Anderl, Jürgen Winkelhake, and Marcus Scherer.
Power-split Transmissions For Construction
Machinery. In 8th International Fluid Power Conference, pages 189–201, Dresden, Germany, 2012.
[4] Per Matsson. Continuously Variable Split-Power Transmissions with Several Modes. PhD thesis, Chalmers
University of Technology, 1996.
[5] Karl Pettersson. Comparative Study Of Multiple Mode Power Split Transmissions For Wheel Loaders. In
The Twelfth Scandinavian International Conference on
Fluid Power, Tampere, Finland, 2011.
[6] Friedrich Jarchow, Dietrich Haensel, Peter Döttger,
Ulrich Blumenthal, Ulrich Luning, and Bernhard
Bouche. Continuous-Acting Hydrostatic-Mechanical
Power-Shift Transmission With Toothed Clutches. US
Patent 5,052,986.
[7] Petter Krus and Johan Andersson. Optimizing Optimization for Design Optimization. In ASME 2003 Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Chicago, Illinois, USA, 2003.