Radlader 101 – Die Mechanik der Knicklenkung und der Schaufelgestänge

Trotz seines schlichten Äußeren – Reifen vorne und hinten – verfolgt der Radlader eine Konstruktionsphilosophie für Wendemanöver und Grabarbeiten, die sich von der des Hydraulikbaggers und der Planierraupe unterscheidet. Die „Knicklenkung“, bei der sich Vorder- und Hinterteil des Aufbaus wie ein Scharnier einklappen lassen, und die „Ladeeinheit“, die die Frontschaufel mittels Hydraulikzylinder und Gestänge anhebt, prägen den Charakter dieser Maschine.

Trotz seines einfachen Erscheinungsbildes – Reifen vorne und hinten – verfolgt der Radlader eine Konstruktionsphilosophie für Wendemanöver und Grabarbeiten, die sich von der des Hydraulikbaggers und der Planierraupe unterscheidet.

Ein Radlader im Einsatz

Bild: Volvo L90G Lader auf einer Baustelle in Palo Alto (Grendelkhan, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Nicht die im Text besprochene WA-Serie von Komatsu – ein repräsentatives Beispiel für die Funktionsweise der Knicklenkung und die Anordnung der Schaufelgestänge.

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Abbildung 1 – Die Z-Gestänge-Bauart nutzt einen Winkelhebel, um die Kraft umzuleiten und eine hohe Schubkraft zu erzielen. Die Parallelgestänge-Bauart hält den Schaufelwinkel auch bei vertikalen Bewegungen nahezu konstant. Der untere Abschnitt zeigt den Knickwinkel der Knicklenkung.

0. Zusammenfassung (30 Sekunden)

• Die meisten Radlader verwenden eine Knicklenkung, bei der sich Vorder- und Hinterrahmen in der Mitte klappen. Durch Aus- und Einfahren der Lenkzylinder wird der Knickwinkel erzeugt und somit die Richtung des gesamten Aufbaus geändert.
• Die Schaufelgestänge gibt es in zwei Ausführungen: die Es gibt zwei Arten von Ladern: den Z-Gestänge-Typ (Z-Link), der die Kraft mithilfe eines Umlenkhebels umleitet, und den Parallel-Gestänge-Typ, der mit einem Viergelenk-Parallelgestänge den Schaufelwinkel nahezu konstant hält. Beide unterscheiden sich in ihrer Balance aus Zugkraft, Sichtverhältnissen und Transportleistung.

Die Ausbrechkraft (die an der Schaufelschneide erzeugte Kraft) entspricht der Kraft, mit der der Schub des Schaufelzylinders über den Hebelarm des Gestänges übertragen wird. Sie variiert mit dem Gestängewinkel, selbst bei gleichem Hydraulikdruck. SAE J732 bietet eine gemeinsame Terminologie für Laderspezifikationen zum Vergleich dieser Kennzahl.

Der Hydraulikbagger vereint Graben und Laden in einer einzigen Maschine, der Bulldozer dient dem Schieben und Planieren, während der Radlader für Schaufeln, Laden und Transport optimiert ist. Unterschiede im Arbeitsradius und Bodendruck spiegeln diese Aufgabenverteilung wider.

Die WA-Serie von Komatsu veröffentlicht Motorleistung, Schaufelkapazität und Ausbrechkraft von der Mini- bis zur Mittelklasse und bietet damit eine Grundlage für die Analyse von Laderdaten. Zur Modellauswahl.

1. Die Kinematik der Knicklenkung

Anstatt die Vorderräder zu lenken, verwenden viele Radlader eine Knicklenkung. Dabei klappt der Fahrzeugaufbau in der Mitte zwischen Vorder- und Hinterrahmen zusammen. Zwei Lenkzylinder (links und rechts) bewegen ein vertikales Gelenk zwischen Vorder- und Hinterrahmen und erzeugen so einen Knickwinkel \gamma.

Sei a der Abstand vom Gelenk zur Vorderachse und b der Abstand vom Gelenk zur Hinterachse. Ein vereinfachtes Modell, das bei niedriger Geschwindigkeit (reines Rollen) vernachlässigbaren Reifenschlupf annimmt, ergibt den Wendekreis an der Gelenkposition ungefähr zu

Je größer der Knickwinkel, desto kleiner der Wendekreis. Dadurch verringert sich die Anzahl der benötigten Rangiermanöver auf engem Raum. Andererseits gilt: Je größer die Überlappung zwischen Vorder- und Hinterrahmen, desto größer der Wendekreis. Kompromiss zwischen minimalem Wendekreis und Radstand. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Vorderradlenkung ändert sich bei knickgelenkten Maschinen die Beziehung zwischen Schwerpunkt und Bodenkontaktpunkt in Kurven deutlich stärker. Eine enge Kurve mit voll beladener Schaufel erhöht die Kipp- oder Überschlagsgefahr. Dies ist eine spezifische Herausforderung für die Stabilitätskonstruktion von Radladern und unterscheidet sich vom kettengetriebenen Kurvenverhalten von Hydraulikbaggern oder Bulldozern.

2. Die Schaufellenkung: Z- und Parallellenker

Am Ende des Hubarms bewegt sich die Schaufel über einen Schaufelzylinder und ein Gestänge (Umlenkhebel) auf und ab, schaufelt Material ein und entlädt es. Die beiden gängigen Typen sind:

Z-Lenker (Z-Gestänge): Ein Umlenkhebel ist mittig am Hubarm angebracht und leitet die Bewegung des Schaufelzylinders über ein Z-förmiges Gestänge an die Schaufel weiter. Da ein großes Übersetzungsverhältnis möglich ist, … Durch diese Bauweise lässt sich bei gleichem Zylinderschub leichter eine hohe Auszugskraft (Schaufelmoment) erzielen, was sich für Arbeiten mit Schwerpunkt auf Aushubarbeiten eignet. Andererseits neigt der Löffelwinkel bei hohen Hubarmpositionen dazu, sich zu ändern, was die Sicht und die Kontrolle des Auskippwinkels etwas erschwert.

Parallellenker-Bauweise: Ein parallel zum Hubarm verlaufender Hilfslenker stützt den Löffel, und ein Viergelenkgetriebe hält den Löffelwinkel nahezu konstant, selbst wenn sich der Hubarmwinkel ändert. Diese Bauweise eignet sich für Arbeiten wie das Beladen eines Lkw, bei denen Lagestabilität und Sicht in großen Höhen erforderlich sind. Im Allgemeinen wird angenommen, dass die Auszugskraft der Parallellenker-Bauweise geringer ist als die der Z-Lenker-Bauweise, und die beiden Bauweisen werden je nach Anwendung unterschiedlich eingesetzt. Komatsu veröffentlicht in seinen technischen Publikationen auch Forschungsergebnisse zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Arbeitsmaschinen mit Parallellenker-Bauweise.

Bei beiden Bauweisen wird der Schub des Löffelzylinders F_{cyl}=\Delta p\,A_{cyl} über das Gestänge in ein Drehmoment um die Drehachse des Löffels umgewandelt. Da sich der Hebelarm r_m(\phi) mit dem Gestängewinkel ändert. \phi, die an der Schaufelspitze erzeugte Ausbrechkraft, hängt sowohl vom Zylinderschub als auch von der Geometrie des Gestänges ab:

wobei r_{edge} der Abstand vom Drehpunkt der Schaufel zur Schneide ist. Die in einem Katalog angegebene „maximale Ausbrechkraft“ ist typischerweise ein Wert, der in der Nähe der Schaufelstellung gemessen wird, die dieses Verhältnis maximiert. Dieselbe Kraft wird im realen Betrieb nicht in jeder Stellung erzeugt.

3. Ausbrechkraft und Lesen der Spezifikationen

Die Ausbrechkraft ist definiert als die Kraft, die an der Schneide entsteht, wenn eine Last aufgebracht wird – vom Eingraben der Schaufel in den Boden bis zum Entlastungsdruck des Zylinders. SAE J732 ist ein Standard, der die Terminologie der Laderspezifikationen einheitlich definiert und einen gemeinsamen Rahmen für den Vergleich von Werten wie Ausbrechkraft und Schaufelkapazität verschiedener Hersteller bietet. Da sich die Bedeutung eines Wertes jedoch mit den Messbedingungen (Schaufelstellung, Hubarmwinkel und primärer Zylinder) ändert, Es ist notwendig, vor einem Vergleich zu prüfen, ob die Katalogwerte unter denselben Testbedingungen ermittelt wurden.

In den öffentlichen Spezifikationen von Komatsu wird die maximale Ausbrechkraft der Schaufel des WA40-8 mit 29,4–29,9 kN (3000–3050 kgf) angegeben. Selbst innerhalb derselben Baureihe steigt die Ausbrechkraft mit der Maschinengröße aufgrund der Kombination aus Zylinderbohrung, Hydraulikdruck und Untersetzungsverhältnis.

4. Aufgabenverteilung bei Hydraulikbagger und Planierraupe

Der an anderer Stelle auf dieser Website beschriebene Hydraulikbagger und die Planierraupe dienen primär dem „Abtragen und Planieren des Geländes“. Der Radlader ist anders optimiert – zum „Aufnehmen von Erde, Schotter oder Zuschlagstoffen und deren Verladen auf ein Transportfahrzeug oder einen Lagerplatz“.

Radlader sind mit Reifen ausgestattet, da sie sich auf öffentlichen Straßen oder planiertem Gelände innerhalb der Baustelle oft selbst antreiben, schneller als Ketten sind und ihre Verschleißteile leichter ausgetauscht werden können. Andererseits sind sie Kettenmaschinen in der Traktion auf weichem oder unebenem Untergrund und in der engen Manövrierfähigkeit einer gegenläufigen Drehung unterlegen. Auf Baustellen ist eine gängige Arbeitsteilung zu beobachten, bei der ein Hydraulikbagger gräbt und schüttet. Erde wird mit einem Radlader auf einen Muldenkipper verladen.

5. Die in aktuellen Produkten verwendeten Radlader

Leistung und Schaufelinhalt verhalten sich annähernd proportional. Da die Ausbrechkraft jedoch auch vom Übersetzungsverhältnis und der Zylinderbohrung abhängt, weicht der Trend ab. Selbst innerhalb derselben Leistungsklasse spielen Hersteller und Modell eine Rolle. Bei der Modellauswahl müssen neben Leistung und Schaufelkapazität auch die Art der Lenkung (Z- oder Parallellenker) im Hinblick auf die erforderliche Ladehöhe und die Sichtverhältnisse auf der Baustelle berücksichtigt werden.

6. Zusammenfassung

Die Leistung eines Radladers lässt sich nicht allein an Motorleistung und Schaufelkapazität messen. Entscheidend für die tatsächliche Leistungsfähigkeit sind die Geometrie der Knicklenkung, die für optimale Manövrierfähigkeit sorgt, und das Übersetzungsverhältnis der Lenkung, das den Zylinderschub in Kraft an der Schneide umwandelt. Die Wahl zwischen Z- und Parallellenker ist ein Kompromiss zwischen Grabkraft und Stabilität/Sicht in der Höhe. Die Auswahl eines Modells unter Berücksichtigung der Aufgabenverteilung mit Hydraulikbagger und Bulldozer bestimmt die Gesamtproduktivität auf der Baustelle.

Referenzen

• Komatsu Kundendienst – Produktinformationen WA100-8
• Komatsu Kundendienst – Produktinformationen WA30-6E0
• Komatsu – Technische Daten des Mini-Radladers WA40-8

• Komatsu Technischer Bericht – Anwendung von DSS zur Leistungsoptimierung von Radladern mit Parallellenkerachse

• SAE International – J732: Spezifikationsdefinitionen – Lader