Alternative zur Hydraulik: Elektrische Linearaktuatoren in Land- und Baumaschinen

Die augenfälligste Eigenschaft elektrischer Linearaktuatoren ist deren einfaches Funktionsprinzip: Ein Elektromotor treibt über ein Getriebe eine Trapez- oder Kugelgewindespindel an, deren Mutter eine Kolbenstange ein- und ausfährt. Dieses Prinzip bewährt sich seit Jahrzehnten in zahlreichen Maschinen, Anlagen und Geräten, die in nahezu allen Industriebereichen zum Einsatz kommen. Im Gegensatz dazu steht die relative Komplexität eines hydraulischen Antriebssystems, das aus zahlreichen Komponenten wie Pumpen, Schläuchen, Verbindungskupplungen, Ventilblöcken, Ausgleichssystemen und weiteren Komponenten besteht. Diese Fülle an Bauteilen bedingt oft eine Reihe von Nachteilen: die Systeme sind kostspielig in der Anschaffung, Planung und Installation, erfordern aufwendige Wartungsmaßnahmen, sind bedingt effizient sowie nicht zuletzt fehleranfällig. Elektrische Antriebe dagegen sind kompakt und leicht. Sie lassen sich an jeder Position innerhalb der Maschine einbauen, sind als rundherum geschlossene Einheiten wartungsfrei, bieten ein hohes Energie-Einsparpotenzial. Es liegt demnach oft nahe, dass sich Konstrukteure von Land- und Baumaschinen immer häufiger für eine elektromechanische Lösung entscheiden, um lineare Bewegungen zu realisieren. Es wird hier bereits bei der Planung von den Vorzügen dieser Technologie profitiert: Da die gekapselten Linearantriebe im Normalfall ohne Wartung auskommen und für ihren Antrieb anstelle von Schläuchen oder Rohrleitungen lediglich ein Kabel zugeführt werden muss, können sie auch an unzugänglichen Stellen innerhalb der Maschine platziert werden – genau dort, wo die Bewegung ausgeführt werden muss. Ein aufwendiges Gestänge, das Platz benötigt und überdies Energieverluste mit sich bringt, kann daher entfallen. Vereinfachte Konstruktion Eine derartige Vereinfachung bei der Planung und Konstruktion, ebenso wie bei der späteren Montage der Maschine, führt zu messbaren Zeitvorteilen. Damit sparen Maschinenhersteller bereits in der Planung, erreichen eine schnellere Markteinführung und können in den übrigen Phasen bis zur Endmontage Kostenvorteile verbuchen – die sie an ihre Kunden weitergeben können, um so ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. Ein weiterer Faktor, der angesichts rasant steigender Kraftstoffpreise ganz oben auf der Wunschliste der Käufer von Arbeitsmaschinen steht, ist die Effizienz, also die Wirtschaftlichkeit eines Radladers oder eines Traktors. Auch hier lassen die elektrischen Systeme ihre \’hydraulische Konkurrenz\‘ hinter sich. Ihre Effizienz verdanken Linearaktuatoren dem Umstand eines fehlenden Puffermediums, durch das zugeführte Energie verloren gehen kann. In der Hydraulik ist das die Hydraulikflüssigkeit, in der Pneumatik die Druckluft. Durch dieses Puffermedium sinkt der Wirkungsgrad solcher Systeme oft merkbar. Ein direkter Antrieb, wie er im Linearaktuator realisiert ist, erzeugt dagegen aus einer geringeren Antriebsleistung dieselbe oder sogar eine höhere Arbeitsleistung. Und selbst im Stillstand spart ein elektrischer Aktuator noch Kraftstoff. Denn während ein Hydrauliksystem durchgehenden Druck von der Pumpe benötigt, um eine Komponente an einer bestimmten Position zu halten, verbraucht die elektrische Variante nur dann Energie, wenn die Bewegung durchgeführt wird. Im Stillstand hält die Spindel exakt die Position und verhindert nebenbei das für hydraulische Systeme typische, langsame Driften. Für den Anwender bedeutet dies: Mehr Leistung mit weniger Kraftstoff, und damit eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit seiner Maschine – und mehr Sicherheit durch die zuverlässige Haltung einer Position. Eine Sicherheit, die bei hydraulischen Systemen nur durch zusätzliche sogenannte Schlauchbruchsicherungsventile oder mechanische Verriegelungen herzustellen ist. Robust und energieeffizient Seit 1967 beliefert Thomson verschiedene Hersteller von landtechnischen Maschinen mit Linearaktuatoreinheiten. Im Laufe der Jahre konnte Thomson durch gesammelte Erfahrungen z.B. Einheiten mit verstärkter Vibrationsfestigkeit entwickeln, die im Land, Forst und Baumaschinenbereich zum Einsatz kommen. Ihren hohen Wirkungsgrad erreichen die Aktuatoren aufgrund des mechanischen Grundkonzeptes, das auf effizienten Komponenten basiert. Im Unterschied zur Kombination aus Schneckengetriebe und Trapezgewindetrieb anderer Systeme erfolgt die Kraftübertragung in den Aktuatoren mithilfe verlustarmer Stirnradgetriebe und Kugelgewindetriebe. Damit ist bei identischer Primärleistung ein höheres Kraft-Geschwindigkeitsverhältnis realisierbar, was sich wiederum in einem besseren Wirkungsgrad und damit geringerem Energieverbrauch kostensenkend niederschlägt. Der geringere Energieverbrauch bedeutet darüber hinaus, dass niedrigere Ströme benötigt werden, das heißt die Elektrik und Elektronik können nicht nur kostengünstiger ausgeführt werden, sondern die Belastungen im Bordnetz werden minimiert. Mit der Electrak-Baureihe bietet Thomson eine umfangreiche Produktpalette in diesem Segment an. Das reicht vom kompakten Electrak 1, der sich als Ersatz ähnlich dimensionierter Hydraulikzylinder eignet, bis zum Electrak LA14: einem serienmäßig in Schutzklasse IP65 ausgeführten Modell für raue Einsatzbedingungen mit zahlreichen Ausstattungsoptionen wie Endlagenschaltern und Feedback Systemen. Darüber hinaus werden Thomson-Aktuatoren in besonders robusten Ausführungen angeboten, die speziell für den Einsatz in mobilen Maschinen entwickelt wurden und gegen extreme Umgebungsbedingungen geschützt sind. Während eine hohe Schutzklasse mit Wasser- und Staubfestigkeit mittlerweile als Standardspezifikation gilt, sind die Einheiten beispielsweise zusätzlich gegen Salz geschützt, was sie in einem 96-stündigen Salzsprühtest unter Beweis stellen müssen. Eingesetzt werden die elektrischen Aktuatoren von Thomson in nahezu allen Maschinentypen, die in landwirtschaftlichen Betrieben oder auf Baustellen zu finden sind. Im Bereich der Landwirtschaft sind das u.a. klassische Mähdrescher, selbstfahrende Häcksler und Ballenpressen, Feldspritzen, Sämaschinen, Rasenmäher und Weinbaumaschinen. Eine Anwendung ist die sogenannte Spaltverstellung am Dreschkorb eines Mähdreschers. Die Öffnung dieses Dreschspaltes an der Unterseite der Maschine, muss je nach zu erntendem Korn und sonstigen Bedingungen wie der Feuchtigkeit eingestellt werden. Durch diesen Spalt geht beim Erntevorgang das gesamte Dreschgut, inklusive Erde, Steinen bis hin zu großen Ästen. Daher ist die gesamte damit verbundene Mechanik einschließlich der Verstelleinrichtungen immens hohen Kräften durch Schläge und Vibrationen ausgesetzt. Hinzu kommen je nach äußeren Bedingungen zusätzliche Belastungen durch Staub, Schmutz, Schlamm, Hitze und Wasser. Auf der anderen Seite müssen die Aktuatoren die Stellung der Spaltöffnung halten, das heißt die Selbsthemmung darf durch die einwirkenden Vibrationen nicht beeinträchtigt werden. Ebenso darf die Elektronik zur Lagerückmeldung nicht ausfallen. Hersteller realisieren diese Vorrichtung zunehmend mit Thomson-Linearaktuatoren. Bei Baumaschinen, vom Kompaktradlader und Minibagger bis zur schweren Straßenwalze, stellt sich die Entwicklung genauso dar: Die Ansteuerung einer Drosselklappe zur Regulierung der Motordrehzahl, die Betätigung eines sogenannten Schnellwechslers zur Umrüstung von einem Anbaugerät auf ein anderes, das motorgetriebene Öffnen und Schließen von schweren Abdeckungen zu Wartungs- und Reparaturarbeiten oder die Ansteuerung der Kolbenventile für Ausleger- und Kippzylinder – sämtlich Einsatzbereiche für elektrische Linearantriebe. Immer mehr Einsatzfelder Elektrische Linearantriebe werden mehr und mehr hydraulische und pneumatische Lösungen in vielen Einsatzbereichen mobiler Arbeitsmaschinen verdrängen. Sie bieten den Herstellern wie den Maschinenbesitzern Vorteile, angefangen bei einer einfacheren Planung und Montage über geringere Herstellungskosten und eine höhere Wirtschaftlichkeit bis hin zu mehr Sicherheit und Komfort für die Fahrer.