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Konzeption und Analyse einer magnetisch-elektrisch leistungsverzweigten Umlaufgetriebestufe zum Einsatz in einem landwirtschaftlichen Fahrzeug
Lang, Matthias
In landwirtschaftlichen Fahrzeugen haben sich in den letzten Jahren neben den manuellen Schaltgetrieben und den Lastschaltgetrieben auch die Stufenlosgetriebe etabliert. Diese ermöglichen eine Anpassung der Fahrzeuggeschwindigkeit unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und nutzen dafür üblicherweise ein kontrollierendes Element zur Drehzahlüberlagerung. Stand heute ist dieses kontrollierende Element eine mechanische Umlaufgetriebestufe, deren Abtriebsdrehzahl durch zwei Eingangsdrehzahlen, konkret die des Verbrennungsmotors und die eines variablen Antriebs, üblicherweise ein Hydromotor, bestimmt wird. Es ist absehbar, dass die Hydromotoren in diesen Anordnungen zukünftig durch Elektromotoren ersetzt werden können. Zusätzlich haben Forschungsergebnisse der jüngsten Vergangenheit gezeigt, dass das Getriebeelement zur Drehzahlüberlagerung nicht nur mechanisch, sondern auch magnetisch ausgeführt werden kann und ein gegebenenfalls vorhandener Elektromotor direkt in dieses Element integriert werden kann, was zu einer signifikanten Reduktion der Teilezahl führt. Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war es, der Frage nachzugehen, ob ein Konzept für ein stufenloses, elektrisch leistungsverzweigtes Getriebe mit magnetischer Umlaufgetriebestufe und darin integrierter elektrischer Maschine für den Einsatz in einem landwirtschaftlichen Fahrzeug theoretisch existiert und ob dieses Konzept konstruktiv, technisch und wirtschaftlich sinnvoll in Traktorgetriebe der aktuellen und fiktiver zukünftiger Generationen integriert werden kann. In dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass ein solches Konzept existiert und vielfältige Potenziale bietet, bei der Neukonstruktion von Getrieben dezidierte Schwerpunkte zu setzen und sich daher zum Einsatz in bestimmten Leistungs- und Ausstattungsklassen von Traktoren eignet. Diese Erkenntnis steht insofern konform zur bisherigen Lehrmeinung, als dass das Konzept des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Getriebes große Parallelen zu existierenden Getrieben aufweist, die mit mechanischer Umlaufgetriebestufe und Hydromotor realisiert sind. Weiterhin sind in der Automobilindustrie Bestrebungen und Entwicklungen zu erkennen, magnetische Umlaufgetriebestufen für den Einsatz in Hybridfahrzeugen zu ertüchtigen, was deren grundsätzliche Einsatzmöglichkeit in Fahrzeuggetrieben unterstreicht. Besonders für zukünftig zu erwartende Entwicklungen im landwirtschaftlichen Bereich, die darauf abzielen, dass eine immer größer werdende Anzahl an Traktoranbaugeräten elektrifiziert und vom Traktor mit elektrischer Leistung versorgt werden müssen, stellen die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Konzepte attraktive Lösungen dar. Ein Aspekt, der noch weiterer empirischer Untersuchungen bedarf, ist die detaillierte Untersuchung der im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigten Alternativkonzepte, da sich die durchgeführten Messungen zunächst auf ein einzelnes ausgewähltes und dann konstruktiv umgesetztes Konzept beschränken.
Continuously variable transmissions have been established in agricultural vehicles besides manual and power shiftable transmissions within the last few years. With continuously variable transmissions, the vehicle speed can be adjusted independent from the speed of the combustion engine, usually making use of a controlling element for superpositioning of speed. As of today, this controlling element usually is formed by a mechanical circumferential gearbox unit whose output speed is controlled by two independent input speeds, specifically the one of the combustion engine and the one of a variable drive, usually a hydraulic motor. The hydraulic motors in these arrangements are expected to be replaced by electric motors in the future. Furthermore, scientific research in the last few years has shown that circumferential gearbox units can not only be realized using a mechanical principle but also using a magnetic one. Additionally, a possibly present electrical motor in these arrangements can be integrated directly into a magnetic circumferential gearbox unit, leading to a significant reduction in part count. The goal of this work was to provide answers to the question, whether there is a concept for an electric power split transmission with a magnetic circumferential gearbox unit and inbuilt electrical machine and whether this concept can be integrated in tractor transmissions of current and fictitious future tractor generations in terms of technical feasibility, space claim and economics. Within the scope of this work, it could be shown that there is such a concept, providing diverse opportunities to emphasize dedicated design goals when designing new transmissions which is therefore suitable for application in certain power and technology classes of tractors. These results are compliant to the current state of the art regarding engineering research, as the transmission that was developed within this work shows many similarities to existing power split transmissions that are equipped with mechanical circumferential gearbox units and hydraulic motors. There is a tendency in automotive to qualify magnetic circumferential gearbox units for application in hybrid power trains, underlining their basic usage potential. Especially for expected future developments in agriculture regarding electrification of mounted implements that need to be powered by the tractor, the transmission concepts drafted within the scope of this work provide attractive solutions. One part requiring additional empiric research is the detailed investigation of the alternative concepts developed in this work, whereof a single one was selected, built and studied.
