Hydrostatisk drivlina för terrängmaskiner – så dimensionerar du pump, motor och utväxling

Hydrostatisk drift finns i nästan alla mobila terrängmaskiner: skotare och skördare, redskapsbärare, kompakta lastare, vältar, gruv- och tunnelfordon. Kraftkällan är oftast en dieselmotor, men den kan lika gärna vara en elmotor. Samma princip används också industriellt och marint, till exempel i vinschar och annan däcksutrustning, och där är elmotorn ofta det naturliga valet. Principen är enkel, men det är i dimensioneringen som en drivlina blir bra eller dålig. Pump, motor, utväxlingar och kraftkälla måste passa ihop, annars får maskinen för lite dragkraft, för låg toppfart, en dieselmotor som tjuvstannar i backen eller en olja som kokar efter en timmes körning.

Den här artikeln visar hur vi brukar bygga upp och räkna på en klassisk hydrostatisk-mekanisk drivlina för en åttahjulig terrängmaskin. Alla siffror i räkneexemplet är schablonvärden för att visa metoden. Din maskin får egna siffror. Räkneexemplet utgår från en dieselmotor. Med en elmotor är metoden densamma, det är bara effekt- och momentkurvan som ser annorlunda ut. Längst ner finns en checklista med de uppgifter vi behöver för att ta fram ett första förslag åt dig.

Så är drivlinan uppbyggd

Drivlinan består av en hydrostatisk del och en mekanisk del:

1. Hydrostatisk del: pump och motor. Diesel- eller elmotorn driver en variabel axialkolvpump, hydrostatpumpen, i ett slutet system. Pumpen skickar olja till en enda variabel hydraulmotor. Det ger steglös hastighetsreglering i båda riktningarna och full dragkraft redan från stillastående. Mellan kraftkällan och pumpen kan man vid behov sätta en pumpväxel. Den gör att pumpvarvtalet kan väljas fritt i förhållande till diesel- eller elmotorns varvtal.
2. Mekanisk del: fördelningslåda. Hydraulmotorn är flänsad mot en fördelningslåda, ofta med två mekaniska steg (hög/låg). Därifrån går kardanaxlar till fram- och bakvagnen.
3. Differentialer. Kraften går in i axlarna via en vinkelväxel med kronhjul och pinjong, normalt med mekanisk differentialspärr.
4. Boggilådor. Ytterst sitter boggilådorna. I dem fördelar en kugghjulstransmission drivkraften från axeln ut till båda hjulen på boggin. Med två boggilådor fram och två bak drivs alla åtta hjulen mekaniskt och synkroniserat.

Den totala utväxlingen från hydraulmotor till hjul är produkten av de tre stegen: i_tot = i_f · i_d · i_b (fördelningslåda · differential · boggi).

Varför en central motor och mekanisk fördelning?

• Hög verkningsgrad. All effekt passerar bara en pump och en motor. Resten av vägen till hjulen är kugghjul, som har betydligt lägre förluster än flera hydraulmotorer ute i hjulnaven med tillhörande ledningar och flödesdelning.
• Mekanisk synkronisering. Hjulen tvingas hålla samma hastighet i förhållande till varandra, särskilt med diffspärrarna ilagda. Ett hjul som tappar greppet kan inte spinna loss, vilket sparar både underlaget och däcken. Med individuella hjulmotorer krävs i stället flödesdelare eller elektronisk antispinn.
• Robust och beprövat. Boggilådor med kugghjul tål de mycket stora vridmoment som uppstår när en fullastad maskin klättrar över stubbar och sten.

Hjulmotorer har sina fördelar: ingen kardan, fri placering och enklare midjestyrning. De är ett bra val när utrymmet styr. När verkningsgrad, dragkraft och pris väger tyngst är lösningen med en pump och en motor ofta svår att slå.

Det slutna systemet: det som håller drivlinan frisk

I ett slutet system går huvudflödet i en krets mellan pump och motor (ledning A och B). Pumpen kan svänga över centrum, så flödesriktningen och därmed körriktningen byts steglöst. Några funktioner är avgörande för livslängden:

• Matarpump och backventiler. En matarpump på pumpens genomgående axel suger olja från tanken och håller lågtryckssidan trycksatt, typiskt 20–30 bar. Den ersätter läckaget och förhindrar kavitation. Matarflödet går genom ett filter och in via backventiler till den sida som för tillfället är lågtryckssida.
• Högtrycksbegränsning och tryckavskärning. Högtrycksventiler på A- och B-sidan skyddar mot tryckspikar. Tryckavskärningen (pressure cut-off) svänger tillbaka pumpen när maxtrycket nås, så att effekten inte bränns av i ventilerna.
• Spolventil i motorn. Motorn är ofta flera gånger större än pumpen och blir varm vid tung belastning. Spolventilen (flushing valve) tar ut ett delflöde varm olja från lågtryckssidan via motorhuset till kylare och tank. Matarpumpen ersätter det med kall, filtrerad olja. Utan spolning cirkulerar samma olja runt i kretsen och blir allt varmare.
• Kylning och filtrering. Dränage från pump- och motorhus samt spololjan går via kylaren tillbaka till tanken. Som grov schablon blir 20–25 % av den hydrostatiska effekten värme vid tung körning. Kylaren dimensioneras därefter, men bara kring drivlinans andel om kranen eller andra funktioner har egen kylning.

Val av pump och motor

Ett vanligt och väl beprövat val i den här effektklassen är en variabel axialkolvpump för slutna system, till exempel Bosch Rexroth A4VG, ihop med en variabel motor med böjd axel, till exempel A6VM. Motsvarande enheter finns hos flera tillverkare. Principerna nedan gäller i stort oavsett märke, med ett undantag: DA-regleringen är en Rexroth-specifik funktion.

Pumpens reglering

• DA, varvtalsberoende reglering (automotive). Pumpens deplacement följer dieselmotorns varvtal. Gaspedalen blir körpedal, ungefär som i en bil, och pumpen backar automatiskt när dieseln trycks ner i varv. Det ger ett naturligt skydd mot att motorn stannar. Det är enkelt och robust och kräver ingen elektronik. Observera att DA är en specialfunktion i Rexroths drivlinor och inte finns hos andra tillverkare. Vill man ha samma körbeteende med ett annat fabrikat får det lösas elektroniskt via EP och en styrenhet.
• EP, elektroproportionell reglering. Deplacementet styrs av en strömsignal från en styrenhet. Det ger full frihet att programmera körbeteende, ramper, farthållare, ekoläge och lastberoende varvtalsbegränsning. Det kräver en styrenhet och mjukvara.
• HD och HW, hydraulisk proportionell styrning med pilottryck respektive mekanisk spak. De används när man vill hålla det helt hydrauliskt.

Motorns reglering

• EZ, elektrisk tvåpunktsreglering. Två fasta lägen, till exempel max deplacement för dragkraft och min deplacement för transportfart. Distinkt och enkel.
• HA, högtrycksautomatik. Motorn reglerar sig själv efter arbetstrycket. Högt tryck ger stort deplacement och mer moment. Lågt tryck ger litet deplacement och högre fart. Många utföranden har elektrisk eller hydraulisk övermanövrering som låser motorn i max deplacement. Det ger maximal motorbroms i nedförsbacke och fullt moment vid precisionskörning.
• EP och HP, elektriskt respektive hydrauliskt proportionell reglering, när motorn ska styras steglöst från en styrenhet eller ett pilottryck.

Storleksförhållandet pump/motor

Att kombinera en liten pump med en betydligt större motor (till exempel 56 cm³ pump och 160–200 cm³ motor, ett förhållande på ungefär 1:3–1:3,5) ger högt startmoment från en liten och priseffektiv pump. Priset är lägre motorvarvtal per liter olja och mer värme i motorhuset. Därför är spolventilen i motorn i praktiken obligatorisk i den kombinationen. En större motor (200 i stället för 160 cm³) ger 25 % mer moment vid samma tryck. Fördelningslådan kan då ha lägre utväxling, men toppfarten per liter olja blir lägre.

Räkneexempel med schablonvärden

Exemplet gäller en åttahjulig terrängmaskin i 55 kW-klassen, ungefär som en mindre skotare. Värdena är valda för att visa metoden och avser ingen specifik maskin.

Steg 1: Flöde och moment

Pumpflöde: Q = V_g · n / 1000 · η_v = 56 · 2 200 / 1000 · 0,93 ≈ 115 l/min.

Motormoment vid max deplacement: T = V_g · Δp / (20π) · η_hm = 160 · 375 / 62,8 · 0,94 ≈ 898 Nm.

Steg 2: Dragkraft i lågväxeln

Moment på hjulen = 898 Nm · 2,5 · 0,97 · 20 · 0,92 ≈ 40 050 Nm. Dragkraften blir 40 050 / 0,50 ≈ 80 kN, alltså strax under greppgränsen. Det är precis där man vill hamna. Mer hydraulisk dragkraft än vad däcken kan överföra ger bara spinn och slitage.

Steg 3: Effektgränsen, den viktigaste insikten

Vid 375 bar och 115 l/min skulle pumpen behöva cirka 72 kW hydraulisk effekt och över 350 Nm från dieseln, som bara har 55 kW och 240 Nm. Full dragkraft går därför bara att ta ut i krypfart, upp till cirka 1,6 km/h. Därefter måste pumpregleringen begränsa effekten. Med ungefär 50 kW tillgängligt och 70 % total verkningsgrad från dieselaxel till hjul återstår cirka 35 kW vid hjulen. Det är den hyperbel som syns i figur 3.

Här brister många första utkast. Om pumpen inte har effekt- eller varvtalsberoende begränsning (DA eller elektronisk anti-stall vid EP) kommer dieseln att tryckas ner och stanna så fort maskinen tar i.

Steg 4: Hastighet och växelsteg

I lågväxeln vid fullt motordeplacement blir farten cirka 2,7 km/h. När motorn sedan svänger ner till 45 cm³ blir den cirka 10 km/h. I högväxeln (1,0:1) räcker samma flöde till cirka 24 km/h, med motorn och kardanaxlarna på cirka 2 550 rpm. Högväxeln ger fortfarande cirka 32 kN dragkraft, vilket räcker gott för transportkörning.

Varför behövs två steg? Maskinen ska kunna köra med full effekt från cirka 1,6 km/h (full dragkraft) upp till 24 km/h, alltså ett omvandlingsområde på cirka 15 gånger. En hydrostat med variabel pump och variabel motor klarar i exemplet cirka 6 gånger. Den mekaniska hög/låg-växeln (2,5 / 1,0 = 2,5) täcker resten. Därför har nästan alla terrängmaskiner av den här typen en tvåstegs fördelningslåda. Ett alternativ är att acceptera lägre toppfart eller lägre dragkraft.

Steg 5: Kontrollera gränserna

• Motorvarvtal mot databladets gräns vid aktuellt deplacement. En variabel motor tål normalt högre varvtal vid reducerat deplacement än vid fullt.
• Kardan- och axelgränser. Maxvarvtal samt kontinuerligt och intermittent moment från axel- och boggileverantören.
• Bromsning. I ett slutet system bromsar hydrostaten när pumpen svänger tillbaka. Bromseffekten tas då upp av dieselmotorn, vars motorbroms är begränsad. Vid långa nedförsbackar med full last måste man räkna på att dieseln inte övervarvar. Lösningar är att låsa motorn i max deplacement, att använda mjuka ramper och vid behov en kompletterande färdbroms.
• Värme. Med cirka 20–25 % förlust av 50 kW blir kylbehovet för drivlinan cirka 10–12 kW vid tung körning.

Så har vi löst det i tidigare projekt

Vi har levererat den här typen av drivlina till tillverkare av kompakta terrängmaskiner, från de första skisserna till prototypenheter. Några erfarenheter:

• Elektronisk pumpreglering i prototypfasen. I ett projekt valde vi en elektroproportionellt styrd pump (EP) och en motor med hydraulisk deplacementstyrning. Kunden kunde då prova fram körbeteendet i mjukvara på prototypen innan seriekonfigurationen låstes. Att byta reglering på en pump i efterhand är dyrare än att byta en parameter.
• Utväxlingen på fördelningslådan är den fria variabeln. Axlar och boggilådor är ofta givna av en underleverantör. Fördelningslådan och en eventuell pumpväxel är de ställen där man kan justera så att pump och motor arbetar i sina bästa områden.
• Riktpris för både prototyp och serie. Konceptval avgörs ofta av seriekostnaden. Därför räknar vi gärna på båda nivåerna direkt, så att konceptet kan bedömas ekonomiskt innan man detaljstuderar lösningen.
• Planera för ledtiden. Kundspecifikt konfigurerade axialkolvenheter har ofta betydligt längre ledtid än lagerförda standardvarianter. Beställ prototypenheter tidigt.

Det här behöver vi från dig för ett första förslag

Med uppgifterna nedan kan vi ta fram ett första förslag med principschema, komponentval med typkoder, beräknad dragkraftskurva och riktpris. Allt behöver inte vara exakt. Uppskattningar räcker gott i första skedet, och vi hjälper gärna till att fylla i luckorna.

Maskin och körning

• Maskintyp och användningsområde (t.ex. skotare, redskapsbärare, gruvfordon)
• Tjänstevikt och maxlast, alternativt total vikt
• Antal drivna hjul/axlar och typ av hjulupphängning (boggi, stela axlar, midjestyrning)
• Hjulens ytterdiameter eller dynamiska rullradie samt däcktyp
• Önskad toppfart vid transport och önskad hastighet i arbetsläge
• Önskad max dragkraft, eller max lutning och typ av underlag
• Körcykel: andel tid med tung drift, transport respektive tomgång

Kraftkälla

• Diesel- eller elmotorns effekt- och vridmomentkurva (eller fabrikat och modell)
• Tomgångs- och nominellt varvtal samt rotationsriktning
• Anslutning för pumpen: SAE-fläns, koppling, eventuell pumpväxel eller PTO
• Andra hydraulfunktioner på samma pump (kran, styrning, fläkt) och deras effektbehov

Mekanik

• Utväxlingar i axlar, differentialer och boggilådor eller navreduktioner
• Om det finns en fördelningslåda eller växellåda, eller om utväxlingen ska tas fram (hög/låg?)
• Max tillåtet varvtal och moment, kontinuerligt och intermittent, på kardan och axlar
• Tillgängligt utrymme och monteringsläge för pump och motor

Styrning och funktioner

• Önskad körkänsla: pedal och ”bilkörning” (automotive), joystick eller helt elektronisk styrning
• Befintligt styrsystem (CAN/J1939, egen styrenhet) eller önskan om att vi föreslår ett
• Funktioner: farthållare, inchning, parkeringsbroms, nödstopp, motorbroms i nedförsbacke

Miljö och system

• Omgivningstemperatur, min och max
• Oljetyp, tankvolym och befintlig kylning/filtrering
• Livslängdskrav (drifttimmar) och eventuella särskilda krav eller standarder

Volym och tidplan

• Antal prototyper och när de behövs
• Förväntad seriemängd per år och planerad seriestart
• Eventuella önskemål om specifika produkter

Vad du får tillbaka

När vi har underlaget återkommer vi med ett första förslag som innehåller:

• principschema för drivlinan
• förslag på pump, motor och reglering med typkoder
• beräknad dragkraft och hastighet per växelsteg samt kontroll mot dieselmotorns och mekanikens gränser
• riktpris för prototyp och för serievolym
• bedömning av ledtid.

Därifrån tar vi det vidare tillsammans: detaljdimensionering, ventiler och styrning, prototypleverans och inställning vid idrifttagning.

Har du en maskin på ritbordet? Skicka uppgifterna ovan till oss. Det går lika bra med en handskiss med några siffror på, det är ofta så de bästa projekten börjar. Du kan också fråga Pascal direkt här på sajten.