Verbrennungsmotor-vergleichbare Leistung und umweltschonender Betrieb

Dipl.-Ing. Reinhold Mannel

Jetzt droht den verbrennungsmotorischen Gabel- staplern zusätzlicher Wettbewerb aus dem Elektrobereich. Denn es zeichnet sich ab, daß ihre bisherigen Vorzüge wie höhere Fahr- und Hubgeschwindigkeit, bessere Beschleunigung und mehr Steigvermögen zukünftig nicht mehr halten. Auch bei der längeren Einsatzdauer schmilzt der Vorsprung.

Zum Konkurrenten der „Verbrenner“ im mittleren und zukünftig wohl auch im oberen Leistungsbereich werden die batterieelektrisch betriebenen Gabelstapler mit robusten frequenzgeregelten Drehstrom-Asynchronmotoren. Sie bringen neben erheblichen Kosteneinsparungen bei Service und Instandhaltung auch eine deutlich bessere Nutzung der Batteriekapazität: Solche Flurförderzeuge sind bei Normalbetrieb mehr als zehn Stunden ohne Batteriewechsel oder Ladezyklus nutzbar, halten also eine volle Schicht durch.

Die Investition in einen Drehstromstapler ist teurer als in ein Gleichstromgerät, das ohnehin schon mit Mehraufwand für Batterieladegerät, einer oder mehreren Batterien, Hubsystem zum Batteriewechsel und Ladestation belastet ist. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß die Markteinführung der Drehstromstapler erst begonnen hat: 1994 wurde der weltweit erste Gabelstapler vorgestellt, dessen Drehstrom-Asynchronmotor durch Frequenzumwandler gesteuert war. Zwei Jahre später drangen solche Flurförderzeuge in den 8- und 10-Tonnen-Bereich vor. Nicht alle Hersteller sind bislang in diese Technik eingestiegen, viel Entwicklungsarbeit ist noch zu leisten.

Aus diesem Grund sind Gabelstapler der neuen Technik vorerst vor allem dort interessant, wo die Vorteile von Elektrostaplern mit Robustheit, Leistungsvermögen und der langen Betriebsdauer von Verbrennungsmotor-Staplern zusammentreffen müssen.

Batteriebetriebene Gabelstapler sind sauber im Gebrauch, leistungsstark und laufruhig. Da es Emissionen ebensowenig gibt wie Zündungen, dürfen Elektrostapler in Lebensmittelbetrieben ebenso eingesetzt werden wie in Bereichen, in denen entzündliche Materialien gehandhabt werden.

Antriebsbedingt lassen sich Elektrostapler leicht mit moderner elektronischer Steuerungstechnik ausrüsten. Daher kann der Fahrer günstigste Leistungsparameter für bestimmte Tätigkeiten wählen und/oder den Energieverbrauch optimieren, so daß die Batteriekapazität für einen Großteil oder gar für die ganze Schicht ausreicht.

Nachteilig ist, daß das Aufladen einer Batterie bis zu acht Stunden dauern kann. Und die Stromkosten dürfen keinesfalls ignoriert werden: Abhängig von der Ampère-Stundenleistung der Batterie, der Stärke der Stromversorgung und der Art des verwendeten Ladegerätes, ist für das Aufladen der Batterie eines durchschnittlichen Gabelstaplers etwa 50 kW Strom erforderlich. Da ist schon wichtig, ob man mit teurem Tag- oder billigem Nachtstrom laden kann!

Außerdem hängt die mögliche Einsatzdauer der Bleiakkus von mehreren Faktoren ab. Sie sollten möglichst nicht unter 20% ihrer Restkapazität entladen werden, da sie andernfalls schneller verschleißen und die Ladefähigkeit verringert wird. Batterien müssen auch abkühlen können und sollten nicht häufiger als einmal täglich aufgeladen werden. Sind sie längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt, so verringert sich ihre Lebensdauer drastisch.

Bei Elektrostaplern mit Drehstrom-Antriebstechnik erfolgt der Vortrieb durch einen oder zwei asynchrone Fahrmotoren, und auch der Hubmotor arbeitet asynchron. Alle AC-Motoren werden durch einen Frequenzumformer gesteuert.

Das Magnetfeld von Drehfeldmotoren wird durch eine Leistungselektronik (Inverter) erzeugt und nicht mehr mechanisch durch einen Stromwender (Kommutator). Durch zyklisches Durchschalten der Pulsation auf drei Phasen entsteht der sinusförmige Drehstrom der Antriebsmotoren. Über die Steuerung der Frequenz, voreilend oder nacheilend zur mechanischen Motordrehzahl, wird ein Antriebs- bzw. Bremsmoment erzeugt und somit die Fahrgeschwindigkeit erhöht oder vermindert.

Grundsätzlich gibt es zwei Betriebsbereiche von AC-Motoren: Zum Aufrechterhalten eines konstanten Drehmoments wird die Motorspannung proportional zur Frequenz gefahren und somit der Strom konstant gehalten. Im Feldschwächebereich dagegen hält man die Motorspannung zur Frequenzveränderung konstant. Strom und Moment werden mit zunehmender Frequenz kleiner.

AC-Motoren sind also Antriebsmotoren ohne Kollektor und Bürsten, mit hohem Wirkungsgrad und großer Leistung. Sie sind robust gegenüber Umgebungseinflüssen, haben weite thermische Grenzen und erfordern keine kostenintensiven Wartungsarbeiten wie Bürstenwechsel, teilweise mit Kollektorbearbeitung verbunden. Da die Motoren außerdem keine gepulste Ansteuerung benötigen, arbeiten sie sehr leise.

Werden AC-Fahrmotoren als integraler Bestandteil einer Fahrachse mit Lamellenbremse eingesetzt, entfallen Wartungsarbeiten an verschleißbehafteten Bremsen. Denn die Betriebsbremse wird über den Hydraulikkreislauf gespeist, so daß Bremsflüssigkeit und Behälter entfallen. Durch den Wegfall der Richtungsschütze und des Fahr-/Bremsschützes (bei Rückspeisung) herkömmlicher Gleichstromstapler gibt es keine Wartung verschleißender Schütze, auch keine Schaltgeräusche. Außerdem werden durch Fehlen von Schütz-Schaltzeiten Unterbrechungen in der Fahrdynamik vermieden. Da Fahr- und Hubantriebe mit einem Frequenzumrichter betrieben werden können, entsteht eine kompakte Einheit mit wenig Verdrahtungsaufwand.

Wer in eine Technologie investiert, die sich in der Einführung befindet, erwartet handfeste Vorteile. Erwähnt wurde die längere Batteriestandzeit, die aus einem höheren Energierückgewinnungsgrad sowie aus dem besseren Wirkungsgrad des Asynchronmotors resultiert. Eine Energierückgewinnung ist übrigens nicht nur beim Fahrantrieb, sondern auch beim Absenken des Hubmastes möglich.

Mit Hilfe der Drehstromtechnik ist ein übergangs- und ruckfreier Wechsel zwischen Fahren und Bremsen, zwischen Vor- und Rückwärtsfahrt erreichbar. Es tritt dabei ein Fahrverhalten zutage, das dem hydrostatischer Antriebe ähnelt. Im Rahmen der Geschwindigkeitsregelung erhält der Frequenzumrichter seine Frequenz- bzw. Drehzahlvorgaben mit Hilfe des Fahrpedals. Es wird also kein Drehmoment vorgegeben, wie das bei den DC-Steuerungen der Fall ist. Wird das Fahrpedal nicht betätigt, dann bedeutet dies, daß man Stillstand des Staplers wünscht.

Erhebliche Vorteile zeigt der Drehstromantrieb beim Fahren auf Steigungs- und Gefällstrecken, beispielsweise auf Rampen. Mittels eines Drehzahlsensors mit Drehrichtungserkennung (Encoder) ist die Steuerung in der Lage, innerhalb der thermischen Möglichkeiten des AC-Antriebes einen Stillstand auszuregeln. Erst danach muß eine Federspeicherbremse das Stillstandsmoment erzeugen. Auch bei Abwärtsfahrten wird die Geschwindigkeit auf dem vom Fahrpedal vorgegebenen Wert gehalten. Bei manchen Staplermodellen ist eine Geschwindigkeitsbegrenzung programmierbar.

Zur Steigerung der Umschlaggeschwindigkeit lassen sich, bedingt durch den Wegfall des Kollektors, deutlich höhere Drehmomente fahren. Dies gilt auch für den Hubbereich. Fußbremse und mechanische Bremse müssen nur im Notfall betätigt werden.

Anwender eines Drehstromstaplers können mit einem deutlich geringeren Wartungs- und Inspektionsaufwand rechnen. Weiterhin notwendig sind lediglich die regelmäßigen Kontrollen sicherheitsrelevanter Bauteile des Gabelstaplers, entsprechend den gesetzlichen Vorschriften.

Dagegen fällt die Kontrolle von Kollektoren und in der Regel auch von Bremsbelägen vollständig weg. Schmutz in der Nähe dieser Bauteile muß auch nicht mehr ausgeblasen werden, und es sind keine Bremsbeläge mehr zu wechseln. Der Vergangenheit gehört auch das Überarbeiten der Kollektoren und der Bürstenwechsel an, ebenso bei den Schützen der Kontaktwechsel.

Einige wenige Arbeiten, die in mittleren Zeitabständen durchzuführen sind, kann der Fahrer selbst erledigen. Dazu zählen das Abschmieren von Lenkachs- und Neigezylinderlagern, das Fetten der Hubmastkette und der Rollen sowie das Reinigen des Fahrzeuges. Der Servicetechniker kommt einmal jährlich, um die UVV-Abnahme durchzuführen, um das Hydrauliköl zu prüfen und den Hydraulikfilterwechsel zu erledigen. Bei dieser Gelegenheit ist ein Parameter-Check des Bordcomputers sinnvoll, um die volle Funktionstüchtigkeit des Gabelstaplers zu überprüfen.

Vergleicht man die möglichen Fahrgeschwindigkeiten beider Stapler, so ist der AC-Stapler unbeladen nur etwa 5% schneller. Während beim DC-Stapler die Fahrgeschwindigkeit im beladenen Zustand auf 88% der Geschwindigkeit im unbeladenen Zustand sinkt, ist beim AC-Stapler sogar ein Wert von 107% zu beobachten. Das bedeutet: Der AC-Stapler ist unbeladen 5% schneller und beladen 21% schneller.

Beim effektiven Energieverbrauch (45 Spiele/h gemäß VDI 2198) zeigt sich, daß der AC-Stapler gut 15% weniger verbraucht. Die Umschlagleistung des AC-Staplers ist gut 20% höher.

Auch bei der Hubgeschwindigkeit ist die AC-Technik überlegen. Sie ist ohne Last etwa ein Drittel größer, mit Last etwa 27%. Ein Mittelwert aus Hub- und Senkgeschwindigkeit, mit und ohne Last, zeigt den AC-Stapler mit 8% im Vorteil.

Im Vergleich der Energiekosten bietet die AC-Technik einen Vorteil von etwa 20%. Bildet man eine Summe aus den gerätespezifischen Kosten (mit Ersatz- und Verschleißteilen) und den Energiekosten (ohne Betrachtung der Lade- und Stillstandskosten), wird ein Vorteil des AC-Staplers von etwa 40% deutlich. í

DC-Stapler werden von Gleichstrommotoren mit Reihenschluß bzw. mit Fremderregung getrieben. Bei Reihenschlußmotoren gelangt der Strom durch die Kohlebürsten zum Anker und zu den rotierenden inneren Teilen. Da der gesamte Strom durch die Kohlebürsten zugeführt werden muß, hängt die erreichbare Motorleistung von der Größe und vom Verschleißzustand der Bürsten ab.

Bei zunehmendem Verschleiß sinkt die Bremskraft des Motors, ehe die Bürsten ausgetauscht werden. Neuere Fahrzeuge haben Verschleißanzeiger. Belastend für die Wartungskosten ist auch die Tatsache, daß der Anker verschleißbedingt ebenfalls regelmäßig bearbeitet werden muß.

Gleichstrommotoren mit Fremderregung, also mit separater Stromzufuhr für Stator und Anker, lassen eine getrennt steuerbare Erregung von Nebenschlußfeld und Anker zu, wodurch die Motorleistung exakter einstellbar ist.

Bei vielen Dreiradstaplern werden heute alle Funktionen mikroprozessorgesteuert: Es wird nur soviel Energie aus der Batterie abgerufen, wie man für die aktuelle Funktion gerade benötigt. Eine Fahr- und Hydraulik-Impulssteuerung in MOSFET-Technik mit mikroprozessorüberwachten Leistungstransistoren bringt dabei mehrere Vorteile: So ist ein sanftes, ruckfreies Heben, Neigen und Lenken ohne durchdrehende Antriebsräder möglich. Das Lenken geht zudem geräuscharm vor sich. Für ruckfreies Anfahren tritt eine automatische Leistungsverstärkung in Aktion.

DC-Stapler-Fahrantriebe werden mit einem oder mit zwei Motoren realisiert. Bei einem Zweimotoren-Vorderradantrieb werden die Motoren abhängig vom Lenkeinschlag mit dem richtigen Drehmoment beaufschlagt. Bis 30° Lenkeinschlag erhalten beide Motoren die gleiche Leistung, bis 70° wird die Energie proportional vom kurveninneren auf das kurvenäußere Rad umgelenkt und bis 90° wird der kurveninnere Motor in seiner Drehrichtung umgeschaltet und proportional wieder auf seine volle Leistung hochgeregelt.

Diese technische Ausführung ergibt eine große Wendigkeit, hohe Dreh- und Schubkräfte, ist reifen- und antriebsschonend. Man kann schnelle Arbeitstakte ausführen, auch an Steigungen. Beim Bremsen und Reversieren wird Motorenergie in die Batterie rückgespeist. Möglich sind Energierückgewinnungsgrade von etwa 15%. Zur Schonung der Batterie trägt auch bei, wenn ab einem Entladegrad von 80% die Hub- oder aber auch die Fahrgeschwindigkeit herabgesetzt wird.

Zu den bereits erwähnten Vorteilen der Drehstromtechnik wie weniger Wartung, mehr Komfort und höhere Leistung kommen für Elektrostapler in explosionsgeschützter Ausführung weitere hinzu.

Bei solchen Staplern müssen alle elektrischen Teile besonders gekapselt sein, damit sie nicht zur Zündquelle werden. Hierzu wird im allgemeinen die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“ (Kennbuchstabe d) angewandt, bei der eine besondere Gehäusebauart den Austritt von Zündfunken verhindert. Da Drehstrom-Asynchronmotoren ihre Energie kontaktlos auf den Rotor übertragen, fällt eine Zündquelle weg.

Für den Explosionsschutz sind Mindestwiderstände zwischen spannungsführenden Teilen wie Batterie- und Motoranschlüssen und dem Fahrzeugchassis einzuhalten. Der Abriebstaub von Kohlebürsten kann nach einiger Zeit eine leitende Verbindung herstellen, so daß der Mindestwiderstand unterschritten wird. Die regelmäßige Säuberung herkömmlicher DC-Motoren ist bei druckfester Kapselung zeitaufwendig und kann bei Drehstrommotoren wegen der fehlenden Kohlebürsten ganz entfallen.

Das nicht existierende Bürstenfeuer bringt auch Vorteile im Rahmen der EMV-Störaussendung. Somit bleiben bei Drehstrommotoren nur Motorteile mit hoher Temperatur als Zündquelle übrig. Daher bevorzugt man auch bei Asynchronmotoren die druckfeste Kapselung.

Günstig für das Ex- und EMV-Verhalten von Drehstrommotoren ist außerdem der Wegfall von Feldregler, Überbrückungs- und Umkehrschützen. Das Rotorfeld wird über Ströme in den Statorwicklungen oder Drehdifferenz zwischen Rotor und Statorfeld erzeugt. Die dafür notwendige Elektronik ist im Hauptregler integriert, der auch für den Frequenzumrichter zuständig ist.

Nachteil der Asynchrontechnik ist die Tatsache, daß durch das schnelle Takten der Leistungs-MOSFETs EMV-Störimpulse entstehen. Diese können die Elektronik des Staplers beeinflussen, überschreiten vor allem die zulässigen Störaussende-Grenzwerte. Außerdem behindert die druckfeste Kapselung die Wärmeabgabe der Drehstrommotoren. Neben schaltungstechnischen Abhilfemaßnahmen greift man daher wohl oder übel auf das aufwendige Schirmen der betroffenen Kabel zurück.

Der folgende Vergleich soll die wesentlichen Unterschiede zwischen AC- und DC-Gabelstaplern und deren Auswirkungen transparent machen.

DC-Stapler Antrieb und Steuerung

Antriebsachse mit DC-Motor

Im Ölbad laufendes Differential mit Untersetzungsgetriebe und Trommelbremsen

Reihenschluß-Antriebsmotor

Programmierbare Mikroprozessor-Thyristorsteuerung für Fahr- und Hubantrieb.

Ohne das Bremspedal zu betätigen, kann die Fahrtrichtung umgeschaltet werden. Die Elektronik bewirkt das sanfte Abbremsen und progressive Beschleunigen.

Mit programmierbarer Rollbremse läßt sich der Stapler ausschließlich über das Fahrpedal steuern: Bei Zurücknahme des Pedals verzögert das Fahrzeug automatisch. Durch Anfahrhilfe ist das Anfahren an Steigungen problemlos.

Selbstnachstellende, hydraulisch betätigte Trommelbremsen.

Mechanisch betätigte Feststellbremse. Mit ihrem Betätigen wird auch der Fahrstrom unterbrochen.

Mikroprozessor-Steuerung kontrolliert Hydraulikleistung; erforderliche Ölmenge kann exakt auf die Einsatzanforderungen abgestimmt werden.

Drehzahlgeregelter Hydraulik-Pumpenmotor in Reihenschlußtechnik, geschützt im Gegengewicht untergebracht.

Schnelles, einfaches Lenken durch bedarfsgesteuertes, elektronisch geregeltes Lenksystem.

Der Bordcomputer überwacht Verschleißteile wie Kohlenbürsten während des Betriebs ständig. Ein Display informiert den Fahrer über irreguläre Betriebszustände.

Es gibt drei Schütze, davon zwei für die Vorgabe der Fahrtrichtung und ein drittes für die Energierückgewinnung.

Bei Verringern der Fahrgeschwindigkeit wird automatisch Energie in die Batterie zurückgespeist.

Antriebsachse mit integriertem AC-Motor,

Lamellenbremse, Differential und Enduntersetzung.

Sechspoliger Fahrmotor mit 72 Nuten in Drehstromtechnik. Spezielle Nutformen in Anker + Stator bewirken günstigen Magnetfeldverlauf, höhere Laufruhe und optimales Drehmoment bei geringer Stromaufnahme.

Invertersteuerung in MOSFET-Technik für Fahr- und Hubantrieb. Durch Frequenzumformer werden Geschwindigkeit und Drehrichtung der AC-Motoren vorgegeben. Durch die hohe Taktfrequenz von 8 kHz arbeitet das System nahezu geräuschlos.

Wie beim hydrostatischen Antrieb „hängt“ der Stapler am Gaspedal. Vom feinfühligen bis zum kraftvollen Beschleunigen läßt sich alles über das Fahrpedal steuern.

Nur über die Pedalstellung erfolgt die Geschwindigkeitsregelung mit variabler Beschleunigung.

Das Bremspedal dient ausschließlich zur Gefahrenbremsung.

Verschleißfreie, in der Antriebsachse integrierte, im Ölbad laufende Lamellenbremse, die bei allen Betriebs- bedingungen mit gleichbleibend hohem Wirkungsgrad arbeitet. Wärme wird direkt vom Öl aufgenommen und abgeführt; keine separate Bremsflüssigkeit erforderlich, da das Bremssystem am Hydraulikkreislauf angeschlossen ist.

Elektrohydraulische Lamellenspeicherbremse als Stillstandsbremse. Wartungs- und Nachstellarbeiten entfallen.

Wie der Fahrmotor ist auch der geräuscharme AC-Pumpenmotor drehzahlgeregelt. Eine Mikroprozessor-Steuerung paßt die Motorleistung automatisch an die Anforderungen der Arbeitshydraulik an. Der Energieverbrauch wird optimiert.

AC-Motor mit Hydraulikpumpe unterhalb des Fußraums; dadurch kurze Schlauchverbindungen und geringe hydraulische Verluste. Durch AC-Technik arbeitet das System nahezu geräuschlos.

Die hydraulische Lenkung arbeitet mit gesteuertem Prioritätsventil. Die benötigte Lenkleistung wird in Abhängigkeit vom geregelten AC-Motor bereitgestellt.

Durch AC-Technik werden Bürstenhalter, Kohlebürsten und Kollektor überflüssig. Gleiches gilt für Wartung, Reinigung und Instandsetzung. Ein Bordcomputer mit Diagnosesystem überwacht alle wesentlichen Betriebszustände.

Für Fahrtrichtungsumschaltung und Energierückgewinnung werden keine Schütze benötigt. Ein einziges Schütz dient als Sicherheitsschütz zur Notabschaltung.

Bei der AC-Technik wird bis nahe der Nulldrehzahl deutlich mehr Energie in die Batterie zurückgespeist: Die beim Bremsen in Wärme umgewandelte Energie wird genutzt, Batteriestandzeit wird deutlich länger.