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Einsatzmöglichkeiten elektrischer Antriebe für

1. 1 3 Motivation Ziel des Maschineneinsatzes in der Landwirtschaft ist nach KUTZBACH und SCH N ET AL die Verbesserung von Wirtschaftlichkeit Produktionsertrag und Arbeitserle digung 3 4 Vor diesem Hintergrund bedarf es bei der Weiterentwicklung der Kombination aus Traktor und Ger t demnach einer L sung die einer m glichst gro en Zahl folgender Optimierungsziele gerecht wird e Verringerung des Verbrauchs an Betriebsstoffen darunter o Kraftstoff Schmier und Hydraulik l o Wirkmittel D nger Pflanzenschutzmittel e Steigerung des Ertrags e Minimierung des Anbaurisikos e Optimierung des Arbeitsaufwands o Anteil der Nebenzeiten o Zahl der Arbeitskrafte e Sicherheit und Komfort in der Bedienung e Umweltvertraglichkeit 4 Einleitung Diese Entwicklungsziele in Kombination mit zunehmendem Wettbewerb in der Landwirtschaft und steigendem Interesse an nachwachsenden Rohstoffen erfor dern dass die klassischen Arbeits und Produktionsverfahren auf den Pr fstand gestellt werden Zur Einordnung dieser Entwicklungsziele lassen sich drei gro e Bereiche der Wei terentwicklung beschreiben Es handelt sich hierbei um die Bereiche Hardware Software und Kommunikation Unter der Pr misse dass es beim technischen Fortschritt einer ganzen Produktgruppe nicht zu einem revolution ren Umbruch sondern eher zu einer evolution ren Weiterentwicklung kommt vollzieht sich die ser Fortschritt in mehreren Stufen Dabei ist ein gleichzeit
2. 61 oO hydr Streuer am Steuerger t hydr Streuer am Powe mechanischer Streuer elektrischer Streuer z a kW 2 3 40 a 2 o 30 7 o QOQ 20 6 10 Scheibenmoment M 14 18 22 Nm 26 Bild 41 Vom Dieselmotor je nach Antriebsart zu erbringende Leistung Ergebnisse 103 Diese Leistungen k nnen an das Modell des Dieselmotors bergeben werden womit dann der Kraftstoffverbrauch errechnet werden kann Dieser h ngt aller dings auch von der eingestellten Drehzahl am Dieselmotor ab Au er der mecha nischen Variante lassen alle anderen Varianten das Absenken der Dieselmotor drehzahl zu weshalb sich in Bild 42 f r den mechanisch angetriebenen D nger streuer lediglich ein Punkt bei 1480 1 min Dieselmotordrehzahl und kein Verlauf ergibt 16 l h 14 hydr Streuer am Power Beyond hydr Streuer am Steuerger t 12 10 Kraftstoffverbrauch B Ni elektrischer Streuer mechanischer Streuer 8 900 1300 1700 1 min 2100 Dieselmotordrehzahl ny Bild 42 Kraftstoffverbrauch f r den Betrieb mit D ngerstreuervarianten in Abh n gigkeit von der Dieselmotordrehzahl F r die Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs wurde eine mittlere Streuscheibenbe lastung von 16 Nm angenommen die bei 900 1 min Scheibendrehzahl zu einer Gesamitstreuleistung von ca 3 kW f hrt Der Antrieb Uber die Zusatzsteuerger te ist nachteilig Die Haupturs
3. E Motor Wechselrichter 1 a Controller f r aptop Wechselrichter CAN Karte E Motor 27 _ Wechselrichter born z GS Benutzer Greenstar 5 Ss Schnittstelle Display 5 ke l l ISO Bus Zio ow LO Leistungs Disol Benutzer Schalt St inheit elektronik Spay Schnittstelle Modu customer it l l ji l Traktor CAN Motor Getriebe Haupt Steuerung steuerung Steuereinheit i I l Antriebsstrang CAN Sensoren Controller eee f r Messung Aktoren zus tzlich installiert Bild 44 Schema des Messaufbaus ver ndert nach 77 Untersuchungen von SCHUTTE ET AL zeigen dass der Kraftstoffverbrauchswert der vom Motorsteuerger t zur Verf gung gestellt wird nur wenig vom gravimet risch bestimmten Wert abweicht 111 Deshalb wird auf eine gesonderte Messung des Verbrauchs mittels zus tzlicher Sensorik verzichtet Um die Umweltauswir kungen der Versuche zu minimieren wurde w hrend den Versuchen Kornkali als D ngemittel ausgebracht Dieses stammte s mtlich von einem Hersteller und wurde beim Einf llen auf Homogenit t berpr ft vorhandene Klumpen wurden zerst rt Der F llstand des D ngerstreuers wurde ber die Versuche so konstant wie m glich gehalten um den Einfluss der sich ndernden Gesamtmasse auf den Rollwiderstand zu minimieren Alle Versuche fanden auf einem ebenen 110 Ergebnisse gemulchten Wiesenst ck statt Vor allen Messfahrten wurden Leerfahrten durch gef hrt um St rgr en wie
4. 67 Als Vorteil aus dem stufenlosen Klimakompressorantrieb ergibt sich dass die K lteleistung bedarfsgerecht angepasst werden kann und dies auch mit Verdich tern mit konstantem Hubvolumen Ferner kann der Kompressor nun frei platziert werden wodurch der Aufwand f r Verschlauchung reduziert wird 68 3 1 2 Erweiterung des Systems 3 1 2 1 Vor berlegungen zum Ger teantrieb Allen berlegungen zum Ger teantrieb sei vorangestellt dass die Traktor Ger te Kombination auf Grund ihrer Rekonfigurierbarkeit besondere Anforderungen an die Antriebstechnik und die zugeh rigen Steuerungen stellt 25 Wie in Kapitel 2 2 3 beschrieben beinhaltet 49 ein Konzept zum Antrieb von Anbauger ten mit tels einer in 12 beschriebenen Vorrichtung Dazu ist eine ffnung des Gleich spannungszwischenkreises zum Anschluss externer Verbraucher vorgesehen Zur Beschreibung dieses Entwurfes wird an dieser Stelle der Begriff Elektrisches Po wer Beyond eingef hrt Dieser beschreibt in Analogie zu bereits im Markt etab lierten hydraulischen Power Beyond die Versorgung eines Verbrauchers mit Leis tung die dieser zu Regelungszwecken dann selbst wandelt Diese Architektur bie tet den Vorteil dass zwischen Leistungsquelle und Verbraucher theoretisch kei nerlei Kommunikation ablaufen muss und die Regeleinheit auf dem Ger t stets optimal den Bed rfnissen desselben angepasst werden kann Allerdings bedarf jedes Ger t seiner eigenen Regeleinheit wodur
5. Abstand Sensor Aktor Maximaler Abstand Sensor an Traktorfront mit Aktor am Ger teheck Energieeinsatz le i Zuverl ssigkeit sowohl der Maschine an sich als auch Prozesssi cherheit Dokumentation Nachverfolgbarkeit Aus konomischer Sicht ist ein hoch effizienter zuverl ssiger und dennoch kos teng nstigen Antrieb erforderlich Dies bezieht sich sowohl auf die elektrische Ma schine als auch auf den Umrichter Hierzu sind bereits heute Ans tze aus der Au tomobilindustrie bekannt und mit wachsender Durchdringung dieses Marktes ist mit einer allgemeinen Kostenreduzierung zu rechnen Doch bereits auf heutiger Basis scheint eine Umstellung auf elektrische Antriebe in bestimmten F llen durchaus lohnend Es ist wahrscheinlich dass diese Umstellung auf neue Techno logien zun chst auf gro en Betrieben und im Bereich der Lohnunternehmer ein setzt wie das Beispiel des precision farming bereits zeigt 118 Die vorstehenden Annahmen basieren auch auf einer umfassenden Studie zum Thema precision farming unter H ndlern f r Pflanzenbaubedarf in den USA Einerseits unterstreicht sie die Bedeutung der D ngerapplikation andererseits weist sie auf die noch nicht zu quantifizierenden Einfl sse der ausgeweiteten Biokraftstoffproduktion und der Volatilit t der D ngerpreise hin 119 134 Ausblick Damit Elektromotoren von Umrichtern einwandfrei betrieben und geregelt werden k nnen m ssen ei
6. H 4 S 244 245 e Grad K Zur Steuerung und Regelung des Allradantriebs bei Traktoren Fortschritt Berichte VDI Reihe 14 Nr 82 D sseldorf VDI Verlag 1997 e Brenninger M Stufenlos geregelter Allradantrieb f r Traktoren Fort schritt Berichte VDI Reihe 12 Nr 526 D sseldorf VDI Verlag 2003 154 Literatur 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 e Stegensek M Kraftwirkung beim Schlepper mit einachsigem Trieb achsanh nger Fortschritt Berichte VDI Reihe 14 Nr 15 D sseldorf VDI Verlag 1971 Hahn K und H D Kutzbach Triebachsanh nger Landtechnik 58 2003 H 5 S 300 301 GT170 Firmenschrift 03 08 2000 Grimme Landmaschinenfabrik GmbH amp Co KG Damme Deutschland 2000 Traubenvollernter LS Traction Firmenschrift ERO Ger tebau GmbH Niederkumbd Deutschland Stanger S Ermittlung von Messgr en an einem Fahrzeuggespann Studienarbeit HS 615 S 2005 Universit t Hohenheim Institut f r Agrar technik unver ffentlicht e Kleppmann W Taschenbuch Versuchsplanung 5 Auflage M nchen Wien Carl Hanser Verlag 2008 Schutte B L Herrmann M Schreiber und H D Kutzbach Die Kartie rung des Kraftstoffverbrauchs Landtechnik 59 2004 H 3 S 152 153 Ha C und J Schueller Reduced order estimation and pole placement for speed control of a centrifugal sprayer pump ASAE Paper No 94 1587 Anthonis J J
7. INHALT IEINLEILUNG stat SH Er Aa ohne caste nace ears nmap ty rece ites ere 1 ahs Pets 11a 01 alae e e en RAN 1 1 2 Problemstellung ae rennen 2 1 3 Motivation 2 2 2 A A T 3 2 STAND VON FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG nnnennnsansnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn T 2 1 Bestandsaufnahme Traktor Ger te Verbund eee eee eee eee eeeeereeteees 7 2 1 1 Schnittstellen zur Leistungs bertragung eee eee eeeeeeeeeeee 7 2 1 2 Datenschnittstelle urnunsnunsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 9 2 2 Elektrische Antriebe en 2 2 1 Grundlagen elektrischer Antriebe 2 2 2 Elektrische Antriebe in Fahrzeugen 2 2 3 Elektrische Antriebe in Landmaschinen 2 3 Reifen Boden Kontakt uneesseensnssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnen SETRAKTOR SA tea fase cuneate sans nina atvessentsvaast E i avendeeeesee ATT 27 3 1 Fahrzeugarchitekt r 2 22 22 22 2882ER alas wield 27 3 1 1 D 8 Basisf hrzeug 2e 4 amp 2a 27 3 1 2 Erweiterung des Systems uusuaursnnssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 29 3 2 Bedienkonzept uuemeesnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnnnnnnnnnnnenn rennen 35 3 2 1 Funktionale Ebenen 22 22002220220en nn ennenennesnnnonennonennnnoneeonen 36 3 2 2 Definition der Identifikation 20u 444440444nennnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnn 38 3 2 3 Bedienung durch
8. e Bedarfsangepasste Regelung des Volumenstroms mittels der Pumpen drehzahl e Hohe Regelg te des Volumenstroms e Uberdrehzahlschutz f r die Pumpe e Einstellbare Durchmischung e Kurze Bef llzeit e Beibehaltung aller am Basisfahrzeug verf gbaren Funktionen 5 3 2 Aufbau Versuchstrager f r die aufzubauende Feldspritze mit elektrischem Pumpenantrieb ist eine Anhange Pflanzenschutzspritze John Deere 840i dargestellt in Bild 34 Tabelle 15 beschreibt die wichtigsten technischen Daten Tabelle 15 Technische Daten Versuchsfahrzeug Pflanzenschutzspritze Feldspritze John Deere 840i Baujahr 2007 Tankvolumen Haupttank 4000 Klarwassertank 400 Fahrzeugleergewicht 4240 kg Anhangung Untenanhangung Kugelkopf 80 mm Knickdeichsel Gestange 27 m doppelte Faltung 9 Teilbreiten 6 D sen Teilbreite Bereifung Kleber Traker 520 85 R38 Pflanzenschutzspritze 85 soe es a f Onn a pia N T A e D he er 7 uf nd n oO Bild 34 Feldspritze John Deere 840 Werkbild John Deere Die Feldspritze ist ein ISOBUS kompatibles Ger t und verf gt ber eine automati sche Gest ngef hrung sowie ein Vakuum Rezirkulations System zur Gest ngereinigung Aus den in Kapitel 5 3 1 aufgestellten Forderungen ergeben sich Anforderungen an den Aufbau des Versuchsfahrzeugs Der elektrische Antrieb der Pumpe an sich f hrt unmittelbar zu einer Drehzahlregelung des Pumpenantrie
9. e wie Fahrgeschwindigkeit oder Ausbringmenge scheint daher empfehlenswert Schlie lich kommt mit Ebene 5 noch die Leistungsversorgung in Form des elektri schen Power Beyond dazu F r dieses sind wiederum zwei L sungen vorstellbar Erstens ein offenes Gleichspannungsnetz wie in 12 und zweitens Wechselspan nungsnetze verschiedener Auspr gung Ein solches k nnte grunds tzlich mit der bereits erw hnten netzartigen Spannung und Frequenz identisch sein und w rde sich von dieser nur durch den Grad der Kommunikation zwischen den Netzteil nehmern unterscheiden Nachteilig w re aber eine eingeschr nkte Leistungsdich te gegen ber Spannungen mit rechteckf rmigem Verlauf und h heren Frequen zen Dies kommt besonders zum Tragen wenn diese Spannung mittels Transfor matoren gewandelt werden soll Als Beispiel hierf r sei die 400 Hz Technik er w hnt die in Flugzeugen und f r handgef hrte Elektrowerkzeuge Verwendung findet Tabelle 9 und ihre Erl uterung zeigen auch dass eine weitere Verallgemeinerung m glich ist So k nnen zumindest die Ebenen 2 3 und 4 unter einem Oberbegriff wie Ansteuerung eines Motors zusammengefasst werden F r sie muss grund s tzlich die Funktion der drehzahlvariablen Ansteuerung in der Umrichtersoftware vorgesehen werden Bei einer ersten Produkteinf hrung besteht somit kein Zwang alle bekannten M glichkeiten des Zugriffs ob und wie der Anwender auf die Drehzahl einwirkt bereitzustellen
10. und Pflegearbeiten im Ackerbau nach wie vor von landwirtschaftlichen Traktoren und durch sie getragene oder gezogene Ger te abgedeckt 1 Einen weiteren Einsatzbereich der Traktoren stellen Arbeiten in der Innenwirtschaft dar auch hier dienen sie ausnahmslos dem Bewegen und oder Antreiben von Arbeitsger ten Es kann also folgendes Paradoxon aufgestellt werden der Traktor ist zum einen die wichtigste Maschine des Landwirts zum andern beinhaltet er f r sich alleine genommen keinerlei Wert Es ist die Kombination aus Traktor und Ger t die der Durchf hrung der im landwirtschaftlichen Unternehmen anfallenden Arbeitsaufga ben dient Zur Erledigung dieser Aufgaben bedarf es dar ber hinaus noch der In teraktion zwischen Bediener und Maschine welche sich in Hauptzeit also die tats chliche Durchf hrung der Aufgabe und Nebenzeiten wie zum Beispiel Wartungs und R stzeiten gliedern Dieser Aspekt soll an sp terer Stelle noch mals aufgegriffen werden Die hier betrachteten Maschinenkombinationen sind also ein Verbund eines Trak tors und eines Arbeitsger ts Diese Konstellation stellt in vielerlei Belang ein Al leinstellungsmerkmal dieser Maschinen dar Das routinem ige An und Abkup peln der Ger te an die Grundmaschine findet sich in hnlicher Weise auch zum Beispiel bei Baumaschinen die Verschiedenheit der Ger te ist jedoch deutlich geringer bei gleichzeitig h herem Spezialisierungsgrad der Grundmaschine Fol gend
11. Auch noch nicht bekannte Arten des Zu 38 Traktor griffs sollten in dieser Betriebsart zu einem sp teren Zeitpunkt hinzugef gt werden k nnen In Erweiterung von Tabelle 9 entsteht Tabelle 10 mit drei Betriebsarten Tabelle 10 Betriebsarten und funktionale Ebenen Betriebsart Ebene Bezeichnung Steckdose 1 Steckdose Motor 2 Drehzahleinstellung 3 Gekoppelte Drehzahl 4 Systemgesteuerte Drehzahl Elektrisches Power Beyond 5 Elektrisches Power Beyond Aus berlegungen der Bediensicherheit ist es vorstellbar eine automatische Iden tifikation zumindest f r manche dieser Ebenen zwingend vorzuschreiben Das fol gende Kapitel definiert den Begriff der Identifikation n her 3 2 2 Definition der Identifikation Im vorliegenden Kontext beinhaltet der Begriff Identifikation zwei Bestandteile Erstens beschreibt er das Erkennen des Anbauger tes nach seinem Hersteller und Typ sowie der von ihm bereitgestellten Funktionen Zweitens ist auch eine Identifikation der elektrischen Last nach ihren zur Umrichterparametrierung rele vanten Eigenschaften Bestandteil der Identifikation Diese ist zum sicheren Betrieb wechselnder Lasten zwingend erforderlich aber auch die Ableitung von Drehmo menten aus gemessenen Str men erfordert eine Kenntnis der angeschlossenen Last Damit wird zus tzlich auch ein erhebliches Problem der Traktor Ger te Automatisierung adressiert Heutige Systeme k nnen zwar mit Hilfe des ISO
12. Firmenname DSP Digital Signal Processing ECU Electronic Control Unit el elektrisch EMV Elektromagnetische Vertr glichkeit ESCV Electronic Selective Control Valve elektronisches Zusatzsteuer ger t ggf gegebenenfalls H Heft Hrsg Herausgeber hyd hydraulisch IEC International Electrotechnical Commission IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Bipolartransistor mit isolierter Gate Elektrode XIV Verzeichnisse ISO International Organization for Standardization LTC Low Temperature Circuit Niedertemperatur Kreislauf des K hl systems mech mechanisch No Number Nr Nummer OECD Organisation for Economic Co operation and Development OSI Open System Interconnection Verbindung offener Systeme PB Power Beyond PflSchG Pflanzenschutzgesetz PfISchMGV Pflanzenschutzmittelverordnung PKW Personen Kraft Wagen pp Pages RFID Radio Frequency Identification Funk Identifikation S Seite SAE Society of Automotive Engineers SCV Selective Control Valve Zusatzsteuerger t TU Technische Universit t U Umdrehung USA United States of America vgl vergleiche z B zum Beispiel ZF Zahnradfabrik Friedrichshafen AG Firmenname Einleitung 1 1 EINLEITUNG 1 1 Einf hrung Seit Jahrzehnten wird die landwirtschaftliche Praxis vom Maschineneinsatz domi niert In einzelnen Bereichen insbesondere in der Erntetechnik haben sich zwar selbstfahrende Arbeitsmaschinen durchgesetzt doch wird das Gros der Bestell
13. bei kleinstm glicher Untersetzung mit der bersetzungsstufe 1000E Dies ist jedoch mit einem hohen Fehlerpotenzial behaftet da hierbei sehr leicht zu hohe Drehzahlen eingestellt werden k nnen z B wenn beim Abfahren nach dem Bef llen vergessen wird eine niedrigere Untersetzung zu w hlen F r die Zapfwel leng nge 1000 und 540E w re die ben tigte Drehzahl dahingegen 1053 respekti ve 1779 1 min Hieran wird deutlich dass sich bei einem Traktor mit solcher Zapf wellengetriebeausr stung die Problematik der berdrehzahl an der Pumpe noch zus tzlich versch rft Insbesondere bei einem handgeschalteten Getriebe ist es ann hernd unumg nglich dass die Maximaldrehzahl von 540 1 min bei Stra en fahrt berschritten wird Es ist daher f r den Transport sinnvoll sofern vorhanden die 540er Stufe des Zapfwellengetriebes zu verwenden da nur diese die Pumpe weitgehend vor berdrehzahlen sch tzt 7 3 3 Transport Spritzen Die in Kapitel 5 3 4 3 vorgestellte Regelstrategie wurde in Versuchen evaluiert Es zeigt sich dass mit Steigerung der Fahrgeschwindigkeit um 1 m s zun chst die Applikationsrate sinkt und analog der Durchflussmengenfehler steigt Die Rege lung reagiert darauf durch Erh hung der Pumpendrehzahl wodurch zun chst auch die Mischmenge steigt Diese wird 5s nach Beginn der Fahrgeschwindig keits nderung zur ckgeregelt und erreicht nach weiteren 5 s wieder den Sollwert Die Ausbringmenge erreicht dahingegen schon 2 5 s nac
14. den kann da der Schlupf die 20 Marke nur knapp berschreitet Der Anh nger soll den Traktor im Normalbetrieb keinesfalls schieben da dies zu gef hrlichen Fahrsituationen f hren kann Aus dieser Forderung ergibt sich mit der 0 Schlupf Linie eine weitere Grenze Bez glich der Bodenschonung gilt f r den Schlupf am Traktor or Gleiches wie f r den Anh nger Auch beim Traktor soll der Schlupf die 20 Marke nicht bersteigen Es ergeben sich somit drei Grenzen welche zusammen mit den Koordinatenachsen ein Ziel Polygon umschlie en in nerhalb dessen der Anh ngerantrieb idealerweise betrieben werden sollte Das nachfolgende Bild 52 zeigt wiederum exemplarisch die Ergebnisse f r mittle ren Reifen Boden Kontakt die Ergebnisse zu allen anderen Stufen des Reifen Boden Kontakts finden sich im Anhang 20 COL amp Re S os VAR 16 S Y Ss RS P i CH si g nal gt Cc P x ggl A dp Se 4 Y o MSS O l gt 0 5 10 15 20 kNm 25 Nabenmoment Einzelrad Mann Bild 52 Iso Schlupf Linien und Zielpolygon bei mittlerem Reifen Boden Kontakt Ergebnisse 121 Das Diagramm ist in diesem Beispiel so zu lesen dass bei gegebenem Reifen Boden Kontakt und einer Steigung von 14 bei ausgeschalteter oder nicht vor handener Triebachse und daher 0 kNm Nabenmoment sich ein Schlupf von 100 einstellt Das Gespann bewegt sich also nicht fort Werden dagegen an den bei den R dern der Triebachse jewe
15. der den zum Anbauen ben tigten Abstand zwischen Traktor und Ger t beinhaltet Aus der somit vorge gebenen Kabell nge ergibt sich nach Gleichung 15 dann der Abrei winkel Ah 15 Aus konstruktiven Gr nden kann Ah vorgegeben sein wodurch sich bei gegebe ner Kabell nge ein Abrei winkel einstellt der nicht komplement r zum Anbrin gungswinkel a ist Soll dies erreicht werden muss die optimale Kabell nge lopt durch Umstellung von Gleichung 15 zu Gleichung 16 ermittelt werden Ah r 90 lt 1 flr 90 a gilt lm en Kann das Kabel aus Gr nden der Praktikabilit t z B nicht lang genug ausgelegt werden sind die Bedingungen aus Gleichung 16 nicht erf llt Dadurch treten am Steckverbinder w hrend des Abrei vorgangs Querkr fte auf und die resultierende Kraft wird gr er als die von der R ckhaltevorrichtung und Ziehkr ften vorgege bene Kraft Somit ist der Steckverbinder auch f r diese Querkraft und die Zugent lastung am Kabel auf die Resultierende auszulegen wobei der Fehlerwinkel y stets so klein wie m glich gehalten werden sollte D ngerstreuer 63 4 D NGERSTREUER 4 1 Einf hrung Im Ackerbau werden D ngerstreuer zum Ausbringen von Wirkstoffen zur Boden strukturverbesserung und von Pflanzenn hrstoffen darunter in erster Linie Stick stoff Phosphor und Kalium verwendet Die Ausbringung von Pflanzenschutzmit teln spielt eine untergeordnete Rolle Es ist zu unterscheide
16. jedoch die Leistung um den Faktor V3 steigt wodurch bei gleicher Leistung die Leiterquerschnitte kleiner sind Dar ber hinaus werden die Leiter zu einem Kabel verseilt wobei die Ausnutzung der Querschnittsfl che eines Rundkabels steigt Flachbandkabel erscheinen nur in sehr vereinzelten Anwendungen ber haupt einsetzbar da ihre Biegesteifigkeit in verschiedenen Richtungen stark un terschiedlich ist und das Ankoppeln wie auch der Betrieb der Anbauger te Bewe gungen zwischen Traktor und Ger t um alle drei Achsen des Koordinatensystems hervorrufen k nnen Dies alles gilt allerdings nur f r den Fall dass keine Einzellei ter verlegt werden was f r die Ger teanwendung ung nstig erscheint und daher nicht betrachtet werden soll Der Kommunikation zwischen den verwendeten Bauteilen kommt eine erhebliche Bedeutung zu Kommunikation beschreibt in diesem Kontext zum einen die Mensch Maschinen Schnittstelle auf die an sp terer Stelle nochmals eingegan gen wird Zum anderen auch die Kommunikation zwischen Leistungsquelle Traktor und Leistungssenke Ger t ebenso wie zwischen den Komponenten Umrichter und Motor So m ssen in der Konfiguration Umrichter auf dem Fahrzeug Motor auf dem Ger t auch noch Informationen zur Umrichterparametrierung bertragen werden zumindest wenn der Anwender diese nicht von Hand eingeben soll Dazu kommen wenn keine sensorlose Regelung realisiert wird noch Drehzahl oder Rotorlageinformationen die zur Regelung i
17. o Reduzierung von Nebenzeiten o Sichere einfache und komfortable Bedienung 5 2 1 Vorteile in der Maschinenkonstruktion F r den Hersteller von Anh ngefeldspritzen ergeben sich aus dem Antrieb ber die Gelenkwelle verschiedene konstruktive Zw nge So muss die Pumpe nahe am Traktorheck platziert werden um ohne weiteren Antriebsstrang von der Zapfwelle angetrieben werden zu k nnen Dies f hrt automatisch zu einer Pumpenposition an der Maschinenvorderseite Daraus ergeben sich verschiedene Konsequenzen Zun chst muss die Pumpe so platziert werden dass sie auch bei Kurvenfahrt oder Fahrt durch h geliges Gel nde angetrieben werden kann Dies erfordert eine im Wesentlichen mittige und im Verh ltnis zum Zapfwellenstummel hnliche hohe Anbringung an der Spritze H ufig werden die Pumpen daher auf der Deichsel selbst montiert In jedem Fall aber d rfen Deichsel und Gelenkwelle nicht kollidie ren obwohl sie sich im gleichen Bauraum befinden Zus tzlich erschwerend kommen die verschiedenen Anh ngungsarten Oben und Untenanh ngung ver schiedene Abst nde in x und z Richtung zwischen Zapfwelle und Anh ngepunkt hinzu Es finden sich daher entweder eine Vielzahl von Deichselbauformen oder aber Universaldeichseln zur Adaptierung an verschiedenste Gegebenheiten Bild 32 und Bild 33 zeigen eine solche Universaldeichsel einer John Deere Feldspritze der Serie 700 f r Oben respektive Untenanh ngung Pflanzenschutzspritze 77 Bild 3
18. r das Kontaktelement gegen ber den Werkzeugkosten f r den Kon takttr ger in den Hintergrund treten Am h chsten ist jedoch der Vorteil f r den Anwender zu bewerten auf keine Kompatibilit tsprobleme zu sto en Als Ansatz zur Festlegung einer angemessenen Leistungsf higkeit des Steckver binders wird ein Quotient der elektrischen Leistung ge definiert der das Verh ltnis Traktor Fe zwischen installierter elektrischer Leistung Pe und Verbrennungsmotorleistung Pvm beschreibt Gleichung 12 By 12 Bei steigender Motorleistung des Traktors kann dieser Quotient sinken da ober halb einer bestimmten unscharfen Grenze die Motorleistung haupts chlich in Zugleistung umgewandelt wird und nur ein geringerer Anteil an Ger te abgegeben wird Es erscheint dabei sinnvoll dass bis zu dieser Grenze die volle Motorleistung ber einen Steckverbinder abgegeben werden kann Bild 15 zeigt einen exempla rischen Verlauf f r den Quotienten qe ber der Leistung des Traktor Verbrennungsmotors sowie die auf dieser Basis ben tigte Zahl der Steckverbinder zur bertragung der vollen Motorleistung f r zwei unterschiedlich leistungsf hige Steckverbinder 100 kW Stecker T l 1 5 ae 150 kW Stecker E ya 7 J Zahl der Stecker n Quotient q ro 0 5 7 Pa Quotient q 0 100 200 300 kW 400 Dieselmotorleistung Py Bild 15 Quotient der elektrischen Leistung und Zahl der ben tigten S
19. sicher und weisen einen gleichm igen F rderstrom auf 3 89 dessen Vorteil in Kapitel 5 2 2 4 erl utert wurde Auf Grund dieser berlegungen wurde der Ver suchstr ger mit einer Kreiselpumpe ausger stet Sie wird ber eine Ausgleichs kupplung von einem Industrieelektromotor direkt angetrieben Tabelle 17 beinhal tet dessen wesentlichen technischen Daten Tabelle 17 Technische Daten elektrischer Pumpenantrieb 99 Parker MH145 56 15 Alle Werte f r S1 Betrieb Nennspannung 400 V Nennstrom 11 94 A Nenndrehzahl 5600 1 min Nennmoment 10 82 Nm Masse 17 5kg 5 3 4 Steuerstrategie Auch die Steuerstrategie l sst sich in die in Kapitel 5 2 2 dargestellten Unterfunkti onen gliedern wobei Bef llen und Reinigen zusammengefasst werden k nnen Das hydraulische System des Basisfahrzeugs verwendet den Mischkreis um alle Funktionen des Bef llens und Reinigens darzustellen Die Eingangs aufgestellte Forderung nach einer separaten Regelung des Mischkreises steht dem zwar nicht im Wege wirft aber Fragen bzgl der Bedienung auf im Fall des Bef llens w rde dies eine manuelle Erh hung des Mischstroms erfordern der dann statt zu den Mischd sen direkt zum Tank geleitet werden m sste Dieses Konzept ist f r den Bediener jedoch wenig anschaulich und w rde dar ber hinaus eine M glichkeit zur Fehlbedienung er ffnen Diese tr te dann ein wenn z B nach dem Bef llen Pflanzenschutzspritze 89 d
20. so dass Ger te mit gleichem Zweck jedoch unterschiedlicher L sung der Antriebs aufgabe existieren Als Beispiel k nnen hierf r D ngerstreuer oder Heuwender genannt werden Gerade in der Leistungsbereitstellung f r Nebenantriebe und Anbauger te sehen SZAJEK ET AL ein gro es Potenzial zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Fahrzeugs 49 Dieses Konzept beinhaltet neben einem offenen Hochspannungs netzwerk 12 auch einen Vorschlag zu einem elektrisch mechanisch leistungsver zweigten Fahr Getriebe 50 hnlich den bekannten hydrostatisch mechanisch leistungsverzweigten Getrieben die bei Traktoren verschiedener Hersteller AGCO Claas CNH John Deere im Einsatz sind Bei diesem Konzept handelt es sich um einen leistungsverzweigten Aufbau gem der Definition in Kapitel 2 2 2 1 Ein serielles Konzept findet sich in 49 Bei dem ausgef hrten Prototyp handelt es sich um einen elektrischen Direktantrieb f r einen Standardtraktor Eine Stand von Forschung und Entwicklung 19 Mischform stellt 52 dar da hierbei ein serielles Konzept zum Antrieb der Vorder achse ber den Boden eine Leistungsverzweigung mit dem konventionellen Hinterachsgetriebe herstellt RENIUS unterscheidet zwei Hauptfunktionen des Fahrantriebs und gibt einige Bei spiele f r Maschinen die zur jeweiligen Gruppe geh ren 53 Diese Einteilung wurde zwar ausschlie lich f r hydrostatische Antriebe vorgenommen kann jedoch auch auf elektrische Variant
21. teantrieb stattfindet Erstere sind das Hubwerk ISO 730 und die Vielzahl der Anh ngevorrichtungen bei letzteren han delt es sich um die Hydraulikanschl sse und die Zapfwelle Derzeit einzige Schnittstelle zur bertragung elektrischer Nutzleistung ist die so genannte ISOBUS Schnittstelle deren prim re Aufgabe jedoch eher in der Bereitstellung einer Kommunikationsschnittstelle zu sehen ist Eine Schnittstelle zur bertragung gr erer elektrischer Leistungen existiert heute nicht Nachfolgende Tabelle 3 zeigt eine bersicht ber die vorhandenen Schnittstellen ihre maximalen Leistun gen sowie die einschl gigen Normen Tabelle 3 berblick ber Schnittstellen zur Leistungs bertragung Schnittstelle Leistung ungef hr Norm Hydraulik Kupplungen 19 kW f r Gr e 12 5 ISO 5675 5 29 kW f r Gr e 20 19 kW f r Gr e 12 5 ISO 16028 6 42 kW f r Gr e 19 63 kW f r Gr e 25 Zapfwelle 60 kW f r Typ 1 540 1 min ISO 500 7 92 kW f r Typ 1 1000 1 min 115 kW f r Typ 2 275 kW f r Typ 3 ISOBUS 0 72 kW ISO 11783 8 Lediglich die Zapfwelle kommt als Ubertragungsweg f r h here Leistungen in Fra ge Da heutige Traktoren in Standardausf hrung jedoch nur ber eine Motorzapf welle verf gen ihre Drehzahl also starr an die Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt ist ist die Anwendbarkeit der Zapfwelle gewissen Einschr nkungen un 1 blicherweise verwendet f r Zusatzsteuerge
22. 263 Literatur 151 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 Neumann O Zwei neue E Premium Traktoren der Baureihe 7030 aus Mannheim Firmenschrift JD 31 07 Deere amp Company Mannheim Deutschland 2007 Neumann B S Lintz und W Nietschke Hybrid Hype oder technologi sche Chance MTZ Sonderausgabe Dezember 2006 S 36 40 Teichmann J G Bernhardt H Coenen K Coenen M glichkeiten und Anforderungen elektromechanischer Antriebssysteme an mobile Arbeits maschinen Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Halle Saale 2002 VDI Berichte Nr 1716 2002 S 87 92 Bernhard B und V Schlotter Electric drives for combine harvesters Proceedings of the International Conference on Crop Harvesting and Processing Louisville KY USA 2003 ASAE Publication No 701P1103e 2003 Nurkka P Study in usability evaluation in the field of agricultural engi neering Proceedings of the 5th European Conference on Precision Agri culture ECPA Implementation of Precision Agriculture Uppsala Swe den 2005 Haapala H Usability as a challenge in precision agriculture Proceed ings of the 4th World Congress Conference Computers in Agriculture and Natural Resources Orlando FL 2006 ASABE Publication No 701 P0606 2006 pp 89 93 Flottmann T Hochvolt Bordnetzsystem mit integrierter Sicherheitsfunkti on ATZ elektronik 2007 H 1 S 62 65 SAE J 2030 Heavy du
23. Bauweise als sehr wichtig angesehen werden und Energie 20 Stand von Forschung und Entwicklung verluste weniger stark ins Gewicht fallen 53 Vergleichende Untersuchungen von BERNHARD ET AL an einem M hdrescher haben gezeigt dass hier elektrische An triebe Vorteile im Wirkungsgrad bieten 54 Zu sehr hnlichen Ergebnissen kom men GALLMEIER UND AUERNHAMMER f r den Einsatz elektrischer Antriebe in einem Feldh cksler 55 wobei in 56 auf noch erheblichere Vorteile gegen ber offenen Hydrauliksystemen mit mehreren Abnehmern pro Pumpe hingewiesen wird AUMER ET AL vergleichen elektrischen und hydraulischen Antrieb f r einen M h drescher und gehen von einem im Mittel etwa 23 besseren Wirkungsgrad des elektrischen Antriebs aus Sie sehen den hydraulischen Antrieb aber im Vorteil in Bezug auf Masse und Kosten 57 Stromaggregate und zapfwellengetriebene Generatoren stellen eine weitere be reits in vielfaltigem Einsatz befindliche Anwendung elektrischer Antriebe in der Landwirtschaft dar Ihre Verwendung reicht von der Bereitstellung elektrischer Energie f r Werkzeuge z B S gen Schwei ger te und station re Ger te z B F rderb nder gebl se abseits der Netzversorgung bis hin zur Notstromversor gung an der Hofstelle Auf Grund des gro en potentiellen Schadens in der Tierhal tung bei l nger andauernden Stromausf llen 58 ist letztere Anwendung beson ders interessant 59 liefert Ansatzpunkte zur Bestimmung der notw
24. D ngerstreuer Auf Grund der vergleichsweise geringen Leistungen der untersuchten Ger te be tr gt das Mehrgewicht der Gelenkwelle lediglich 10 kg wobei sich dieses aller dings in der Regel im traktorseitigen Teil der Welle konzentriert da sich dort das Weitwinkel Kreuzgelenk befindet sofern vorhanden Bild 39 Koppelebene Traktor D ngerstreuer 100 Ergebnisse Im Gegensatz zu den Schnellkupplern der Hydraulik m ssen sowohl Gelenkwelle als auch Steckverbinder nicht nur koaxial sondern auch in der richtigen Orientie rung aufgesteckt werden Eine h here Anzahl von Keilen bzw Z hnen auf der Zapfwelle erleichtert diesen Vorgang grunds tzlich Jedoch ist beim Steckverbin der auf Grund der Beweglichkeit in allen sechs Freiheitsgraden eine optische berpr fung der korrekten Lage einfach und das richtige Ansetzen kann dar ber hinaus durch F hrungen und Markierungen unterst tzt werden Eine Einhandbedienung ist dabei vorstellbar Versuche mit der Feldspritze haben dar ber hinaus gezeigt dass auch das Kup peln der Hydraulikschnellkuppler f r Power Beyond mit erheblichem Kraftaufwand und h ufig auch mit Leckage einhergeht Je nach Situation k nnen diese Kr fte so hoch werden dass ein Kuppeln vom Boden aus sehr schwierig wird so dass der Bediener auf die Deichsel des Ger ts steigen muss um besser eine koaxiale Kraft aus ben zu k nnen Im Gegensatz dazu waren die elektrischen Leistungsstecker stets gleichbleibe
25. De Baerdemaeker H Ramon Application techniques for crop protection In Munack A Hrsg CIGR Handbook of Agricultural Engineering Volume VI Information Technology St Joseph MI ASABE 2006 pp 289 291 Antischaummittel in der Agrochemie Wacker Chemie AG http www wacker com internet noc Industries l_LifeScience l_Agro A_An tifoam 19 03 08 Lenhardt M Wirkungsgradoptimierung einer einzelradgetriebenen Trak tor Anh nger Kombination Diplomarbeit 2006 Fachhochschule Dar mstadt Fachbereich Maschinenbau unver ffentlicht Wiesehoff M und K K ller Alternativen zur schlupffreien Geschwindig keitsmessung bei der Drillsaat Tagungsband VDI MEG Tagung Land technik Hannover 2003 VDI Berichte Nr 1798 2003 S 143 149 Literatur 155 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 Schutte B Bestimmung von Bodenunterschieden durch Zugkraftmes sung bei der Bodenbearbeitung Dissertation Universit t Hohenheim 2005 Forschungsbericht Agrartechnik der VDI MEG Nr 429 Reichardt M and C Juergens Precision farming in Germany adoption since 2001 Proceedings of the 4th World Congress Conference Comput ers in Agriculture and Natural Resources Orlando FL 2006 ASABE Publication No 701P0606 2006 pp 157 161 Whipker L and J Akridge 2007 Precision Agricultural Services Dealer ship Survey Results Department of Agricultural Economics Purdue Uni ver
26. Getriebe eingestellt da eine Modulation der Netzfrequenz nicht m glich ist Schleifringl ufer sind jedoch wartungsintensiv und weisen einen geringeren Wirkungsgrad als K figl ufer auf Getriebe gew hrleisten f r gew hnlich keine Stufenlosigkeit und eli minieren ebenfalls die Vorteile Wartungsarmut und Umweltfreundlichkeit Beide Ans tze sind daher f r einen technisch wie wirtschaftlich sinnvollen Einsatz in ver Stand von Forschung und Entwicklung 13 stellbaren Antrieben ungeeignet Es bleibt somit der Frequenz Umrichter zur Drehzahlregulierung Umrichter bestehen in der Grundform aus vier Bauteilen siehe auch Bild 3 e Gleichrichter e Gleichspannungs Zwischenkreis e Wechselrichter e Steuerkreis Netzstromrichter Zwischen Maschinen Gleichrichter kreis stromrichter Wechselrichter Energiespeicher SR Maschi Arbalts TAAR ea ARSON Maschine 1 Steuerelektronik Steuerung Regelung Uberwachung Bild 3 Schematischer Aufbau eines Frequenzumrichters 29 Das Funktionsprinzip des Umrichters basiert auf der Gleichrichtung des Drehstro mes des Versorgungsnetzes oder des Generators Dabei erzeugt der Gleichrichter eine pulsierende Spannung Diese wird durch den Zwischenkreis bertragen und dabei gepuffert Durch den Wechselrichter wird dann mit Hilfe von Halbleiterele menten IGBTs ein Drehstrom mit beliebiger vom Steuerkreis kommandierter Frequenz erzeugt Dabei zeichnen sich IGBTs
27. L fterdrehzahl und K hlsystemtemperaturen zu ver einheitlichen und alle f r die folgende Messfahrt notwendigen Einstellungen zu t tigen 7 2 2 3 Ergebnisse Nach Durchf hrung der Messungen und der Regressionsanalyse steht das Modell zur mathematischen Beschreibung der Abh ngigkeit des Kraftstoffverbrauchs von Dieselmotordrehzahl Schieberposition und Fahrgeschwindigkeit zur Verf gung BRITSCH konnte zeigen dass das Bestimmtheitsma R f r das Gesamtmodell 0 96 betr gt dieses also sehr gut mit den Messwerten in bereinstimmung ist 77 Bei einer frei vorgew hlten Dieselmotordrehzahl muss die Getriebe bersetzung verandert werden um die Zielfahrgeschwindigkeit zu erreichen Diese Uberset zungs nderung f hrt auch zu einer Ver nderung des Getriebewirkungsgrades dessen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hier nicht Gegenstand der Untersu chungen war aber zur korrekten Modellbildung dennoch ber cksichtigt werden musste Daher wird auf den Einfluss der Fahrgeschwindigkeit nicht n her einge gangen Um die Eigenschaften des Ger teantriebs besser beurteilen zu k nnen wird der Einfluss der Motordrehzahl n her betrachtet Dazu wird ein Vergleich des Kraftstoffverbrauchs bei zwei unterschiedlichen Dieselmotordrehzahlen und einer Fahrgeschwindigkeit von 12 km h angestellt Bild 45 Ergebnisse 111 12 l h 10 Versuch bei 1300 1 min Kraftstoffverbrauch B Versuch bei 1100 1 min 120 240
28. Typische Ausbringmengenregelungen nach Stand der Technik regeln nur den Vo lumenstrom im Spritzzweig der Anlage Diese Regelung basiert auf einer Verstel lung des Widerstandsbeiwertes im Spritzkreis wobei bei positiver Reglerabweichung des Volumenstroms dieser erh ht wird wodurch bei gegebe nem Gesamtvolumenstrom der Mischvolumenstrom ansteigt Die Pumpendrehzahl und damit auch der Volumenstrom k nnten zu diesem Zeitpunkt reduziert werden was jedoch nur erfahrene Anwender tun Bei wechselnder Fahrgeschwindigkeit oder Teilbreitenabschaltung stellt dies jedoch einen nicht mehr zu beherrschenden Prozess dar Insbesondere weniger qualifizierte Anwender neigen aus diesem Grund dazu die Pumpendrehzahl auf hohem Niveau einzustellen um sicherzuge hen dass stets ein ausreichender Volumenstrom zur Verf gung steht auf Grund dessen es aber auch zur berm igen Durchmischung und Schaumbildung kom men kann Die Steuerung der verschiedenen Funktionen der Feldspritze soll weitestgehend automatisiert ablaufen einzige Benutzereingaben sind die gew nschte spezifische Ausbringmenge und der Volumenstrom zur Durchmischung Indirekt ist nat rlich auch die Fahrgeschwindigkeit und die D senauswahl eine durch den Bediener bestimmte Gr e Anhand von Bild 36 wird die angestrebte Regelung der einzel Pflanzenschutzspritze 91 nen Stellglieder erl utert Die Darstellung ist rein qualitativ und aus Visualisie rungsgr nden wurde bewusst eine niedrig
29. Untersuchung der Verz gerungszeiten von Direkteinspeisungssystemen f r die teilschlag spezifische Applikation von Herbiziden Agrartechnische Forschung 12 2006 H 1 S 14 18 Hahn K Kraftmessvorrichtung an der Anhangerdeichsel Landtechnik 60 2005 H 2 S 88 89 Rohr T Aufbau einer Kraftmesseinrichtung an der Anhangerdeichsel Bachelorarbeit B 87 H 2004 Universitat Hohenheim Institut f r Agrar technik unver ffentlicht Wiegandt M und H H Harms Traktoren automatisch bremsen Land technik 58 2003 H 4 S 248 249 Ahonkas J and S Kosonen Dynamic behaviour of a tractor trailer com bination during braking Biosystems Engineering 85 2003 H 1 S 29 39 Pettersson O Experiences of expensive breakdowns in hydraulic and transmission systems coursed by contaminated oil Tagungsband CIGR World Congress Agricultural Engineering Bonn 2006 VDI Berichte Nr 1958 2006 S 115 116 Niem ller B H H Harms and N Erasmy A method for measuring and analysing the cutting process in a disc mower Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Hannover 2007 VDI Berichte Nr 2001 2007 S 417 423 Hahn K berladewagen European Patent Application EP 1914114 A1 2008 Hahn K Futtermischwagen Deutsches Patent DE 10345322 BA 2006 Gesetz zum Schutz der Kulturpflanzen Pflanzenschutzgesetz PflSchG Bekanntmachung vom 14 Mai 1998 BGBl S 971 1527 3512 ge ndert durch Artikel 1 des Gesetze
30. cos be r cksichtigt werden da der Steckverbinder die Scheinleistung Ps nach Gleichung 13 und nicht nur die Wirkleistung Pw bertragen muss In einem dreiphasigen 480 V System ergibt sich unter Ber cksichtigung eines Wirkfaktors von 0 72 eine erforderliche Stromtragf higkeit f r die Kontaktelemente von 250 A um eine Wirk leistung von 150 kW zu erreichen P Ww 0080 13 Abgesehen von den Kontaktelementen zur Leistungs bertragung sollte der Steck verbinder auch noch weitere Funktionen bereitstellen Zur Vermeidung von Licht b gen sollte ein Ziehen unter Last verhindert werden auch wenn dies bei Wech selspannung als weniger kritisch als bei Gleichspannung angesehen werden kann Dazu bedarf es einer Erkennung des Vorgangs des Steckerziehens Wird dieser Vorgang erkannt muss bevor ein Lichtbogen entstehen kann der Kontakt span nungsfrei geschaltet werden Die entsprechenden Kontaktelemente m ssen daher Traktor 45 den Leistungselementen beim Ziehen voreilend sein So k nnen sie auch dazu verwendet werden ausschlie lich korrekt und vollst ndig gesteckte Verbinder zu bestromen Werden diese Kontakte in ein System zur Isolations berwachung ein gebunden entsteht ein sehr sicheres System bei dem Sch den an der Kabeliso lation erkannt werden k nnen Lichtb gen an Steckverbindern oder die Zug ng lichkeit von Spannung an nicht gesteckten Verbindern sind somit ebenfalls ausge schlossen 73 Zum Zwecke der
31. den Anwender 220442444404444n nen nnnnnnnnnnennnnnnn 39 3 3 Entwurf f r ein Leistungs bertragungssystem eeeuessnssnnnnnnnnennnnnn 41 3 4 Sim l tionsmod ll A i n HR a lee 47 3 4 17 Einflussgr en sens naseneneienbaehe sine 48 3 4 2 Grunds tzlicher Aufbau des Modells 044444404Her nn 49 3 4 3 Ausf hrung des Modells 20u42444400444H nn nen nnnnnnennnnnnennnn 54 3 57 Versuchsf hrzeugn ana anne 57 3 51 Bassf OT a Ta a sued a a a leas acentresuoteaecuscteeeense 57 3 5 2 Hinzugef gte Komponenten ssssseresrssrrsrsrresrrrnernsrnrrnsrnrrnsrnnee 57 4 DUNGERSTREUERS airasia a r S a E Et 63 AA a i0 a1 aS 1a 1S DEEE S E E TOTT 63 4 2 Simulationsmodell Kraftstoffverbrauch sesessssesrssrrerrresrnsrseresrnernernne 68 4 2 1 Mechanisch angetriebener D ngerstreuer ee eee nennen 69 4 2 2 Hydraulisch angetriebener D ngerstreuer 4 2 3 Elektrisch angetriebener D ngerstreuer 4 3 Versuchsmaschine 2n release VIII Verzeichnisse 5 PELANZENSGHUTZSPRITZE misii done Nails a A ain 75 5 1 Einf hrung iennet rieni vandie e ieai 75 5 2 Entwicklungsziele f r einen elektrischen Pumpenantrieb 75 5 2 1 Vorteile in der Maschinenkonstruktion uersennnnnennenennen 76 5 2 2 Vorteile in der Anwendung 2 244s400444nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnen 78 5 3 Versuchsfahrze
32. die Fahrdynamikregelung eine gr ere Rolle spielt In wie weit der Antrieb jedoch als eine Traktionshilfe f r den Einsatz im Ge l nde oder als ber den gesamten Geschwindigkeitsbereich einsetzbarer Fahran trieb ausgef hrt wird ist nicht zuletzt auch eine Frage der installierten Leistung und damit von Kosten Gewicht und Bauraum Letztlich l uft diese Frage auf wirt schaftliche Kriterien hinaus kann jedoch auch von gesetzlichen Rahmenbedin gungen massiv beeinflusst werden Summary 143 11 SUMMARY Tractor Implement Systems are a vital component of agricultural mechanization Their replacement by self propelled machines seems unlikely in the foreseeable future At the same time rising needs for food high cost of energy and a limited workforce require continuing increases in productivity However this should not have a negative impact on the environment Technological progress is therefore of outstanding importance Looking for trends in neighboring domains an increase in the utilization of electric drives can be observed The research presented in this thesis shows that electric drives offer various benefits for agricultural tractors and implements the most important advantages being efficiency controllability and the possibility to distribute components Yet to fully utilize what electric drives have to offer it is necessary to pay close attention to system architecture as well as operator control concepts to make them work
33. durch niedrige Durchlassverluste bei gleichzeitig hoher Eingangsimpedanz aus was sie f r den Einsatz in der elekt ronischen Antriebstechnik pr destiniert 31 Ein gro er Vorteil der elektrischen Antriebe ist in ihrer Regelbarkeit zu sehen Mo derne Umrichter verf gen ber feldorientierte Regelung bei denen das Drehfeld anhand eines rotorfesten Koordinatensystems geregelt wird Diese bietet gro e Regelbereiche f r Drehzahl und Drehmoment erreicht zus tzlich eine h here Drehzahlkonstanz als U f Regler und erm glicht das Anlaufen unter Last Die feld 14 Stand von Forschung und Entwicklung orientierte Regelung verwendet zur Regelung der Drehzahl einen Kaskadenregler Bild 4 geregelt wird letztlich das Drehmoment als Funktion des Stromes und wird solange erh ht bis die Solldrehzahl anliegt I er Strom gt _ Regelung d i Bild 4 Kaskadenregler f r feldorientierte Regelung 32 Der in Bild 4 dargestellte Regler ist ein Pl Drehzahlregler f r eine permanentmag neterregte Synchronmaschine Wird dieser um einen Lageregler erweitert erh lt man einen Servoantrieb Die feldorientierte Regelung setzt bei der Asynchronma schine einen Drehzahlsensor bei der Synchronmaschine einen Rotorlagegeber voraus Sollen diese zur Kostensenkung und Zuverl ssigkeitserh hung eingespart werden k nnen zur Stromeinpr gung ohnehin vorhandene Sensoren f r Strom und Spannung herangezogen werden wod
34. es bei Neuentwicklung unumg nglich die Eigenschaften der elektrischen Antriebe zu ber cksichtigen Dies gilt insbesondere bei der Durchf hrung der unver nderli chen Grundverfahren wie z B Zerkleinern F rdern oder Dosieren Das Ziel dieser Grundverfahren kann in aller Regel mittels verschiedener technischer L sungen oder Verfahrensweisen erreicht werden Diese Verfahren m ssen auf den Ge samtprozess hin betrachtet optimal das hei t prozesssicher mit wirtschaftlichem Aufwand an Ressourcen also schlicht produktiv ausgef hrt werden Hierzu m s sen die Verfahrensweisen grunds tzlich in Frage gestellt werden so zum Beispiel ob ein Gut mechanisch oder pneumatisch gef rdert werden soll und welche Art des Antriebes daf r jeweils optimal ist Besteht dabei hinsichtlich anderer Rah menbedingungen wie Arbeitsqualit t und Energieaufwand eine grunds tzliche 140 Ausblick Wahlm glichkeit so ist dann das den Eigenschaften der elektrischen Antriebe am ehesten entsprechende zu w hlen da so etwa gro e Getriebeuntersetzungen an der elektrischen Maschine vermieden werden k nnen Gesondert sei hier noch eine weitere Besonderheit der elektrischen Energie be trachtet Im Gegensatz zur mechanischen und hydraulischen Energie ist die elekt rische Energie aus station ren Netzen auf die an vielen Stellen problemlos zuge griffen werden kann verf gbar Hier ergibt sich dann ein Vorteil f r den Anwender wenn ein Arbeitsgang der bis dah
35. h 1100 0 6 1 3 0 87 1300 0 4 0 8 0 58 7 3 Pflanzenschutzspritze 7 3 1 Maschinenkonstruktion und Reinigen des Ger ts F r die in Kapitel 5 3 3 beschriebene Kreiselpumpe mit zugeh rigem Elektromotor wurde ein Bauraum gefunden der der Forderung eines m glichst tiefen und heck nahen Anbauorts gerecht wird Dieser befindet sich unterhalb des Tanks am Fahr zeugrahmen und dort zwischen den Aufh ngungspunkten der L ngslenker der gefederten Achse Bild 48 114 Ergebnisse Elektromotor Bild 48 Einbauraum elektrischer Pumpenantrieb Der elektrische Antrieb ist um ca 7 kg leichter als der konventionelle mechanische Antrieb Unter Ber cksichtigung der Gelenkwelle und der Kabel erh ht sich der Unterschied auf 17 kg Durch das Anlagenkonzept entf llt die Ventilgruppe an der linken Tankvorderseite da deren Funktionen entweder nicht mehr ben tigt berdruckventil oder von den Kugelventilen bernommen werden In Kombination mit dem neuen Einbauort der Pumpe reduziert sich die L nge der Verschlauchung um 6 m Der Anteil der saug seitigen Leitungen daran betr gt etwa 37 Diese Leitungen haben einen Innen durchmesser von 60 mm die restlichen druckseitigen Leitungen einen Innen durchmesser von 35mm Dadurch reduziert sich das Volumen der Verschlauchung um 9 881 was einer Reduzierung der technischen Restmenge des Basisger ts ohne Gest nge von ann hernd 23 entspricht Inklusive des hier verwendeten Gest n
36. in the special environment of agricultural machinery A concept was developed that is building on the ISOBUS idea of distributed control systems For instance the controller i e the inverter was placed on the tractor whereas the actuator i e the motor is on the imple ment Given the frequent reconfiguration of the machines the inverter thus be comes a multi purpose component Easy safe comfortable and profitable use is achieved by a high degree of standardization of the connector which includes automatic identification and configuration Analytical models as well as prototype machinery of a fertilizer spreader a spray er and a trailer with a propelled axle yielded a multitude of benefits These include reduced fuel consumption for the spreader less residual volume for the sprayer and better traction and vehicle dynamics for the propelled trailer The good control lability of electric drives proved to be especially beneficial for those implements usually associated with precision farming spreader and sprayer Unproductive times for coupling and filling can be reduced A propelled trailer helps to reduce soil compaction The systems presented here are however in an early phase of development The benefits of decoupling implement drivelines form the tractor s engine speed could be proven Due to their superior efficiency under partial loads electric drives are 144 Summary especially advantageous in applications that co
37. master shield and clearance zone Genf ISO 2004 S 2 8 ISO 11783 1 Tractors and machinery for agriculture and forestry serial control and communications data network part 1 general standard for mobile data communication Genf ISO 2007 9 ISO 17567 Agricultural and forestry tractors and implements Hy draulic power beyond Genf ISO 2005 S 3 146 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Literatur Schreiber M Kraftstoffverbrauch beim Einsatz von Ackerschleppern im besonderen Hinblick auf CO2 Emissionen Dissertation Universit t Ho henheim 2006 Forschungsbericht Agrartechnik der VDI MEG Nr 442 Stroppel A Die stufenlose Regelzapfwelle bei Traktoren Agrartechni sche Berichte 22 1991 Grimm M H K nig E Kemmler und M Saller Mobile high voltage net work European Patent Application EP 1306955 A3 2006 Pickel P Konzept f r leistungsverzweigte Getriebe Landtechnik 60 2005 H 4 S 190 191 Gugel R und N Tarasinski Infinitely variable PTO transmission Ta gungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Hannover 2009 VDI Berichte Nr 2060 2009 S 441 444 Thomas R and D Buckmaster Relative safety of traditional agricultural tractor power take off PTO drivelines compared to fluid power a re view Journal of Agricultural Safety and Health 9 2003 No 3 pp 241 250 ISO 11786 Agricultural tractors and machinery tr
38. t steuert Traktor Breitbandige Kommuni 3 Abl ufe ment ber Maschi Regelung von Abl u kation hoher Integrit t u nengrenzen hinweg fen auf der Maschinenkom bination _ zT Drahtlose Ubertragung Ww mittlerer Reichweite und D Bandbreite Prozess In den vernetzten Prognose Planungs Breitbandige Kommuni 5 Automatisie Betrieb eingebette und Uberwachungs kation hoher Integrit t 5 run te Maschinen werkzeuge auch zwischen Maschi a g Geregelte Landwirt nen schaft Drahtlose Kommunika tion gro er Reichweite und Bandbreite Wie sich hieraus erkennen l sst stellt die Kommunikationstechnik die Datenkan le zur notwendigen Informations bertragung zur Verf gung Sie stellt somit im en geren Sinne keine Funktionalit t zur Verf gung sondern erm glicht Funktionen Daher wird in der folgenden vereinfachten Tabelle 2 eine Einordnung verschie dener Effizienzen und Produktivit ten vorgeschlagen Tabelle 2 Vereinfachte Bereiche Stufen Matrix Hauptbereiche Hardware Software Erweiterter Betrieb Antriebseffizienz Pers nliche Produktivit t Automatisierte Abl ufe Systemeffizienz Taktische Produktivit t Stufen Prozessautomatisierung Anlageneffizienz Operative Produktivit t Die in einer logischen Kette an die operative Produktivit t anschlie ende strategi sche Produktivit t also die Entscheidung f r bestimmte Produktionsverfahren oder ric
39. teilweise Wegfallen des Multi Pass Effekts an Somit erh ht sich bei Kurvenfahrt auf wei chen B den automatisch die ben tigte Triebkraft und mit ihr der Schlupf an allen angetriebenen R dern Durch die Abwinkelung der Deichsel entsteht eine Kraft komponente in Traktor Querrichtung die der Lenkf higkeit aus zwei Gr nden ent gegen wirkt Zum einen sinkt bei Zug die Vorderachslast und dadurch die an den Vorderr dern bertragbaren Seitenkr fte Zum anderen entsteht ein Moment um die Hochachse das zu einem Schwimmwinkel f hrt Bei geeigneter Ansteuerung k nnte durch eine Erh hung des Antriebsmoments des Anh ngerantriebs diese Kraft weitgehend kompensiert werden Eine einfache Erh hung der Antriebsmo mente muss jedoch sehr dosiert vorgenommen werden da diese z B das f r his torische Triebachsanh nger charakteristische und gef hrliche Schieben hervorru fen kann Dieses ist jedoch auf jeden Fall zu vermeiden Eine hnliche Situation entsteht auch bei Bergabfahrten So zeigen von STANGER durchgef hrte Messun gen auf einer kurvenreichen Gef llstrecke dass die am Anh ngepunkt wirkende Kraft zu einem starken Untersteuern des Traktors f hren kann 109 Inwieweit eine Kraftmesseinrichtung an der Anh ngerdeichsel wie aus 128 129 als geeig neter Sensor f r eine Antriebsstrangregelung dienen kann oder ob andere Kon zepte daf r besser geeignet sind muss untersucht werden Untersuchenswert erscheint dar ber hinaus eine einseiti
40. the World Congress of Computers in Agricul ture and Natural Resources Iguacu Falls Brazil 2002 ASAE Publication No 701P0301 2002 pp 555 560 Gustafson R and M Morgan Standby power units In Fundamentals of Electricity for Agriculture 3rd Edition St Joseph MI ASAE 2004 pp 351 361 Hill P Independence Day Industrial Vehicle Technology International 2009 H November S 29 33 Belarus 3023 Firmenschrift Minsk Traktorny Sawod Minsk Belarus 2009 Gre enko A Einfl sse auf die Kraft bertragung von Ackerschlepperreifen Agrartechnisches Kolloquium 1989 Steinkampf H und G Jahns Betriebseigenschaften von Ackerschlepperreifen bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen Numeri sche Beschreibung der Betriebseigenschaften von Ackerschlepperreifen Landbauforschung V lkenrode Sonderheft 80 1986 Kutzbach H D Ein Beitrag zur Fahrmechanik des Ackerschleppers Rei fenschlupf Schleppermasse und Fl chenleistung Grundlagen der Land technik 32 1982 H 2 S 42 e Holm Chr Das Verhalten von Reifen beim mehrmaligen Uberfahren einer Spur auf nachgiebigem Boden und der Einflu auf die Konzeption mehrachsiger Fahrzeuge Fortschritt Berichte VDI Reihe 14 Nr 14 D s seldorf VDI Verlag 1972 Hahn K and H D Kutzbach A new concept for a trailer with propelled axle drive strategies and customer value Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Dresden 2004 VDI Berichte Nr 1855 2004 S 257
41. trockenes unverklumptes Gut nur eines Herstellers sichergestellt In der Anschlussart Zusatzsteuerger t k nnten die Verluste durch Reduzieren des bereitgestellten Volumenstroms verringert werden In der Praxis ist dies schwierig und mit einem Risiko behaftet da ein steigender lbedarf vom Anwender erkannt und entsprechend nachgeregelt werden m sste Es ist daher davon auszugehen dass der Anwender eher einen zu hohen Volumenstrom am Steuerger t einstellt um stets ausreichend hydraulische Leistung vorzuhalten hnliches gilt f r den Betrieb an der Zapfwelle wo die Wahl der Getriebe bersetzung gro en Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat Hier wurde f r die Simulation mit der Zapfwellen schaltstufe 540E die g nstigst m gliche bersetzung gew hlt Die Durchf hrung der Feldversuche mit den Methoden der statistischen Versuchplanung brachte die erwarteten Vorteile insbesondere die Reduzierung 126 Diskussion des Versuchsaufwandes Die nat rlichen Stufenwerte f r Dieselmotordrehzahl Schieberstellung und Fahrgeschwindigkeit wurden dabei nach unterschiedlichen Kriterien ausgew hlt F r die Dieselmotordrehzahl wurde ausschlie lich der Be reich niedriger Drehzahlen betrachtet da es sich hierbei um den bez glich der Kraftstoffeinsparung interessantesten Bereich handelt F r die Fahrgeschwindig keit wurden dahingegen praxis bliche Werte f r die Schieberstellung aber den Verstellbereich voll aussch pfende Werte eingesetz
42. und Traktorheck und dort insbesondere den Hinterr dern nur sehr wenig Ab stand bleibt Daraus resultierende Probleme beim Anbauen des Ger tes werden idealerweise durch den Einsatz spezieller weit teleskopierbarer Gelenkwellen ge l st die es erlauben die Gelenkwelle anzubauen bevor Traktor und D ngerstreuer zum Anbau an das Hubwerk n her zusammengebracht werden In weniger vorteilhaften F llen kriecht der Anwender zum Verbinden der Gelenk welle mit der Zapfwelle zwischen oder unter das Ger t wenn diese bereits am Kraftheber angebaut ist Diese Problematik ist beim hydraulisch oder elektrisch angetriebenen D ngerstreuer nicht gegeben da auf Grund der berl nge der Lei tungen schon vor dem mechanischen Verbinden des Ger tes mit dem Kraftheber alle notwendigen Anschlussarbeiten erfolgen k nnen vgl Kapitel 3 5 2 4 2 Simulationsmodell Kraftstoffverbrauch Im Simulationsmodell sollen die verschiedenen Antriebsarten f r einen D ngerstreuer hinsichtlich des aus ihrer Anwendung resultierenden Kraftstoffver brauchs untersucht werden Aus diesem Grund werden bestehende Serienma D ngerstreuer 69 schinen und ein Prototyp modelliert die ihrerseits an das in Kapitel 3 4 beschrie bene Traktormodell angeschlossen werden k nnen Dazu wurden die notwendi gen Schnittstellen bereits definiert Alle Varianten verf gen ber zwei austauschbare Wurfscheiben deren Soll Drehzahl 900 1 min betr gt Auf diese wird der
43. und pflanzt sich in Richtung auf den Dieselmotor fort Jeder der Bl cke multipliziert die Eingangswerte gem dem Wirkungsgrad mit einem Faktor und addiert die zum Fahrzeugbetrieb notwendige Leistung f r Nebenverbraucher wie beispielsweise Lenkung und L fterantrieb Der Betriebspunkt ergibt sich aus der Momentenanforderung und der Drehzahl Diese wird entweder passend zur an der Zapfwelle ben tigten Drehzahl oder da die Mo tor Getriebe Steuerung nicht mitmodelliert wurde auf die unter Ber cksichtigung aller stufenloser Antriebe niedrigst m gliche Drehzahl eingestellt Der Dieselmo torblock gibt als Resultat den Kraftstoffverbrauch aus 56 Traktor HYDRAULISCHES GER T E HYDRAULIK SYSTEM Anwendereinstellung Im betrachteten Geschwindigkeitsbereich unabh ngig von der Dieseldrehzahl NT DIESELMOTOR ELEKTRISCHES SYSTEM sy a ELEKTRISCHES GERAT MECHANISCHES GERAT Yt ZAPFWELLEN GETRIEBE n FAHRANTRIEB Bild 20 Schematische Darstellung des Simulationsmodells Boden zustand Traktor Be 3 5 Versuchsfahrzeug 3 5 1 Basisfahrzeug Basis f r das aufzubauende elektrische Ger teantriebssystem stellt ein Vor Se rientraktor dar dessen wichtigste technische Daten in Tabelle 11 zusammenge fasst sind Tabelle 11 Technisc
44. vermeiden da Inhomogenitaten des Terrains nur schwer als St rgr en erfassbar sind und auf gro e Fl chen mit erh hter Wahrscheinlichkeit auftreten Zielgr e des Versuchs ist der Kraftstoffverbrauch pro Zeiteinheit der von den Steuer und St rgr en wie in Tabelle 20 zusammengefasst bestimmt wird Tabelle 20 Einflussgr en bei der D ngerausbringung im Feldversuch Steuergr en St rgr en e Drehzahl des Verbrennungsmo e Umgebungstemperatur tors e Temperatur der K hlkreisl ufe e Fahrgeschwindigkeit e L fterdrehzahl e Arbeitsbreite Scheibendrehzahl e Steigung e Schieberposition Scheibendreh e Bodenbeschaffenheit moment e Fahrzeugmasse incl D nger e D ngersorte streuer Die Steuergr en Arbeitsbreite und D ngersorte werden konstant gehalten Somit bleiben zur Bestimmung der Zielgr e Kraftstoffverbrauch B als Faktoren die Drehzahl des Verbrennungsmotors np die Fahrgeschwindigkeit v und die Schie berposition ps brig Diese ist eine Funktion der eingestellten Ausbringmenge Ab Ergebnisse 105 h ngig von Arbeitsbreite und Fahrgeschwindigkeit regelt das Steuerger t des D ngerstreuers die Schieber ffnung wodurch sich in Abh ngigkeit von Dichte und Flie verhalten des D ngers letztlich das Drehmoment an der Scheibe einstellt Von all diesen Gr en ist jedoch nur die Schieber ffnung einstellbar und wird da her als Steuergr e verwendet Somit sind drei nicht linear gekoppel
45. vorgestellten Konzepte 132 9 1 1 D ngerstre er nenn ernennen ernennen 134 9 1 2 Pflanzensch tzspritze u ueeneeenenseeen 135 9 1 3 Triebachsanh nger r2s0nrsnrsnnennnnnnnnnnnnnnnenonnnnnnnennrnennnarnnne 137 9 2 Neue Maschinenkonzepte 20um44nnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 138 10 ZUSAMMENFASSUNG GH SEE nr 141 11 SUMMARY SER AN E a E EEE SRE 143 Verzeichnisse IX 12 LITERATUR aaa een isn arte Sock Case bdea aden teed 145 13 ANHANG ET ai Bassisten ken 158 Verzeichnisse FORMELZEICHEN bakt CA CE Fa Fr Fre Fri Fr Fu Fz Imin opt Manh kg h m m s m s ZZ o Z Z 2 2 ZZ I N 3 n N gt gt 333333 3 Nm kNm St ndlicher Kraftstoffverbrauch Aktive Arbeitsbreite Str mungsgeschwindigkeit am Auslass Str mungsgeschwindigkeit am Einlass Kraft Gewichtskraft Rollwiderstand Externer Rollwiderstand Interner Rollwiderstand Triebkraft Umfangskraft Kraft in z Richtung hier Radaufstandskraft Eulersche Zahl Wert 2 7183 Frequenz Erdbeschleunigung Wert 9 81 Dynamische F rderh he Geod tische F rderh he Statische F rderh he Verlust F rderh he druckseitig Verlust F rderh he saugseitig H he Strom Strom in der rotorbezogenen g Koordinate bersetzungsverh ltnis bersetzungsverh ltnis des Zapfwellengetriebes Zahl der Faktoren L nge Minimale L nge Optimale L nge Moment Nabe
46. 20 VAC my 25 100 o 650 VDC 16 D S 75 2 2 2 On 5 10 ow o 50 oz 4 ga 25 3 1 O O 0 0 1 1 10 kW 100 electric power P Bild 11 Zusammenhang zwischen Strom und Leistung f r unterschiedliche Spannungen 70 Niedrige Gleichspannungen ebenso wie einphasige Wechselstromsysteme sind f r den erwarteten Leistungsbereich von wenigen Kilowatt bis zu deutlich ber 100 kW ungeeignet da die Leistungsdichte zu gering ist Im Folgenden wird daher stets von einem dreiphasigen Wechselstromnetz oder einem Gleichstromnetz h herer Spannung ausgegangen Vergleicht man vor diesem Hintergrund also Glei chung 9 f r Gleichspannung und Gleichung 10 f r ein dreiphasiges System wird deutlich dass bei letzterem die den Leiterquerschnitt bestimmenden Str me bei gegebener Leistung P geringer sind solange die Spannungen U nicht mehr als um den Verkettungsfaktor 3 auseinander liegen Poo U 9 Pac U 1 43 10 Frequenzumrichter erzeugen durch Pulsweitenmodulation aus der Zwischenkreis spannung Upc die Phasen Spitzenspannung Us Daher besteht zwischen der Zwischenkreisspannung und dem Effektivwert der Spannung Uer der Zusammen hang aus Gleichung 11 se Traktor Upc Us U p V2 11 Auch wenn ein dreiphasiges Wechselstromsystem zwingend einen Leiter mehr erfordert als ein Gleichspannungssystem sollte die Leistungsdichte besser sein da die Spannung im Wechselspannungssystem zwar um den Faktor 2 kleiner ist
47. 3 Untenanh ngung einer Feldspritze Werkbild John Deere 78 Pflanzenschutzspritze Aus diesem durch den mechanischen Antrieb ber die Gelenkwelle vorgegebenen Anbauort ergibt sich f r die die Spritzbr he f hrende Verschlauchung die Notwen digkeit vom Tank zur Pumpe und von dort wieder vorbei am Tank zum Ge st nge gef hrt zu werden Dies f hrt abgesehen vom Mehraufwand f r die Verschlauchung an sich zu einer technischen Restmenge an Spritzbr he Diese kann nicht produktiv genutzt werden und verursacht einen h heren Druckabfall auf Grund der gr eren Leitungsl nge Fallen diese konstruktiven Zw nge durch die Verwendung eines elektrischen Antriebs weg kann die Pumpe in einer g nstige ren Position i e zwischen Tank und Gest nge platziert werden wodurch sich technische Restmenge und Druckabfall verringern Zus tzlich entfallen alle weite ren konstruktiven Lasten f r die Deichsel die nun auf die Funktion bertragung von Kr ften und ggf Lenkung reduziert werden kann Die Verringerung der technischen Restmenge bewirkt neben der Kostenersparnis durch weniger Wirkmittel auch eine Verringerung des mitzuf hrenden Klarwasser volumens zu Sp lzwecken da die Restmenge in vorgeschriebenem Ma verd nnt werden muss bevor sie auf der Fl che zur ckgelassen werden darf 5 2 2 Vorteile in der Anwendung Um potenzielle Vorteile in der Anwendung zu ermitteln wird der Prozess der Pflanzenschutzmittelausbringung zun c
48. 360 E 480 Schieberposition p Bild 45 Kraftstoffverbrauch ber Schieberposition bei unterschiedlichen Motor drehzahlen Die unterschiedlichen Steigungen der beiden Kurven erkl ren sich durch das Kennfeld des Verbrennungsmotors Bei niedrigeren Drehzahlen und steigenden Lasten wird der Motor in Bereichen h herer Last betrieben wodurch der spezifi sche Verbrauch insgesamt sinkt Gleichzeitig nimmt die Elastizit t also die Aus wirkungen einer inkrementellen nderung hier der Last des Kraftstoffverbrauchs ab da der Motor bereits in einem flacheren Gebiet des Kennfeldes siehe hierzu Bild 19 betrieben wird Zum Vergleich von Simulation und Versuch wird die Schieberstellung im Folgen den in ein Drehmoment umgerechnet Unver ffentlichte Versuche der Hersteller firma des D ngerstreuers best tigen die Annahme dass zwischen Drehmoment und Schieber ffnung ein fast vollst ndig linearer Zusammenhang besteht Die Simulation des Kraftstoffverbrauchs ber der Drehzahl des Dieselmotors bei mittlerem Scheibenmoment von 16 Nm und einer mittleren Fahrgeschwindigkeit von 12 km h Bild 46 liegt f r sehr guten Reifen Boden Kontakt zwischen 0 25 112 Ergebnisse und 0 9 l h ber den Messungen f r guten Reifen Boden Kontakt ist der Fehler gr er Die vorgefundenen Bodenverh ltnisse fester trockener Boden entspre chen den Annahmen zum sehr guten Reifen Boden Kontakt eher Daher werden im Weiteren nur noch die Simulationsergebnisse
49. 6 mit k als Zahl der Faktoren und no als Zahl der Versuche im Zentrum nach Gleichung 27 Ny 2 25 N 2 2k n 26 a 1 JN Ny Ny 27 Tabelle 21 Zentral zusammengesetzter Versuchsplan syst Nr Np Ps v Erkl rung 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 1 1 4 1 1 1 7 be Abe i W rfel vollst ndig faktoriell 5 1 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 8 1 1 1 9 q 0 0 10 a 0 0 11 0 a 0 12 0 z 0 Stern jeder Faktor getrennt 13 0 0 a 14 0 0 a 15 0 0 0 2 2 9 2 Zentrum 17 0 0 0 18 0 0 0 Ergebnisse 107 Da hier drei Faktoren vorliegen und f r das Zentrum eine Zahl von vier Versuchen gew hlt wird ergibt sich f r a ein Wert von V2 Tabelle 22 enth lt nun f r alle drei Faktoren die nat rlichen Stufenwerte sowie die daraus errechneten Werte Tabelle 22 Normierte Stufenwerte und nat rliche Werte der Faktoren Normierter Wert zu 1 0 1 yE no 1 min 1017 2 1100 1300 1500 1582 8 ps 45 5 120 300 480 554 5 v km h 6 3 8 12 16 17 7 Diese Werte werden in Tabelle 21 eingesetzt Dazu werden die beiden Bl cke W rfel und Stern beibehalten und diesen jeweils zwei Zentrumspunkte hinzuge f gt Innerhalb dieser Bl cke wird die Reihenfolge randomisiert um den Einfluss eines Trends zu verringern Die neu entstehende Tabelle 23 gibt den Versuchsab lauf wieder die nat rlichen Werte werden auf ei
50. Allerdings muss bei Zapfwellenantrieb auf Grund der starren Kopplung an die Drehzahl des Verbrennungsmotors an die sem eine hohe Drehzahl eingestellt werden was zu erh htem Kraftstoffverbrauch und L rmbelastung f hrt Betrachtet man vor diesem Hintergrund m gliche Pum penklassen so ist die Kreiselpumpe den Kolbenpumpen bez glich der erreichba ren Volumenstr me klar berlegen 91 Nach dem Bef llen wird das konzentrierte Spritzmittel in einer Einsp lschleuse durch Wasser in den Haupttank eingesp lt und dort weiter verd nnt Viele dieser Schleusen verf gen ber Vorrichtungen zum Aussp len des Spritzmittelbeh lters Das nun anschlie ende Homogenisieren der Spritzfl ssigkeit durch Mischen findet gr tenteils w hrend des Transports zum Einsatzort statt 5 2 2 2 Transport W hrend des Transports zum Feld und zwischen Feldern wird die Spritzfl ssigkeit st ndig durchmischt Je nach Wirkmitteleigenschaften w rden andernfalls inho mogene Mischungen entstehen k nnen so zum Beispiel kann sich Wirkmittel am Tankboden absetzen Hierdurch k me es zu einer Schichtung der Wirkmittelkon zentration im Tank die die mit der Aufwandmenge ausgebrachte Wirkmitteldosie rung an der Pflanze dann stark unterschiedlich ausfallen lie e Abgesehen von der energetisch unsinnigen berm igen Durchmischung weist der Mischvorgang noch eine weitere Dimension auf So kann es durch ein zu star kes Mischen zur Schaumbildung kommen die aus anwend
51. Anwender mit weniger als 1 8 m K rper gr e e Fl ssigkeit kann abflie en sollte sie in den Innenraum eingedrungen sein Diese Anordnung bietet des Weiteren den Vorteil dass im Falle eines Abrei vor gangs wie dargestellt in Bild 24 die Querkr fte auf den Steckverbinder verringert werden was das Trennen von Stecker und Buchse erleichtert Dies gilt unter der Traktor u Pr misse dass das Kabel am durch Unfall oder Unachtsamkeit nicht mehr ver bundenen Ger t unterhalb der Steckerh he angeschlagen ist Bild 24 Geometrische Verh ltnisse beim Abrei vorgang Die minimale Kabell nge min ergibt sich nach Gleichung 14 aus dem H henun terschied zwischen Steckverbinder und Anschlagpunkt Ah und deren horizontalem Abstand s hier s4 lyin VS Ah 14 Diese minimale Lange kann bei angeh ngten Ger ten unter Vernachl ssigung andere Anforderungen eingehalten werden allerdings nur so lange der Steckver binder gleich weit oder weiter vom ger teseitigen Anschlagpunkt entfernt ist als der Anh ngepunkt da andernfalls bei Kurvenfahrt das Kabel zu kurz ist Bei an gebauten Ger ten ist diese Vorgehensweise wenig vorteilhaft da diese unter Um st nden angeschlossen werden sollen bevor sie mechanisch gekuppelt werden 62 Traktor Die minimale Kabell nge l sst sich auch f r diesen Fall mittels Gleichung 14 er mitteln wobei nun statt s der Abstand s2 eingesetzt wird
52. BUS eine Ger teerkennung durchf hren eine Vollautomatisierung scheitert aber an der Unkenntnis ob und an welcher Stelle und in welcher Konfiguration Flussrichtung zum Beispiel Hydraulikschl uche eines einzelnen Antriebs mit dem Traktor ver bunden sind Eine nach dem Antrieb aufgel ste Identifikation bietet gegen ber einer festen Zuordnung eines Bedienelements zu einer Schnittstelle losgel st von seiner Funktion zus tzlichen Anwenderkomfort Sie erm glicht die Zuordnung einer Funktion zu einem Bedienelement z B Steuerger thebel 1 bedient stets Ger tefunktion 1 unabh ngig davon an welches Steuerger t diese angeschlos Traktor sen ist Dieser Ansatz deckt sich weitestgehend mit einer Studie von NURKKA in der sich Anwender einer ISOBUS Bedienoberfl che haupts chlich ber mangeln des Feedback ber den Systemstatus eine unzureichende Abbildung der Realit t im System System spricht nicht die Sprache des Anwenders aber auch ber das nicht vorhandene Erkennen statt Erinnern beschwerten 71 Zusammenfas send bietet die Identifikation somit sowohl ein erhebliches Einsparpotenzial bei den Nebenzeiten als auch einen Schritt in Richtung auf verbesserte Bedienbarkeit wie sie von HAAPALA gefordert wird der in der komplizierten Bedienung einen Hauptgrund f r die langsame Verbreitung von precision agriculture Anwendungen sieht 72 3 2 3 Bedienung durch den Anwender Zur Visualisierung des Bedienkonzepte
53. D nger ber eine Dosier ffnung aufgegeben Deren ber einen Schieber verstellbare ffnungsweite bestimmt die Durchflussmenge des D ngers und wird elektrisch in Abh ngigkeit von Fahrge schwindigkeit und gew nschter Ausbringmenge geregelt 4 2 1 Mechanisch angetriebener D ngerstreuer Als mechanisch angetriebene Variante wird ein D ngerstreuer vom Typ Axis der Firma Rauch betrachtet Bei diesem wird die Leistung von der Zapfwelle des Trak tors mittels einer Gelenkwelle an ein Verteilergetriebe abgegeben Dort zweigt sich die Leistung zur linken und rechten Scheibe auf wo sie nochmals mittels je eines Kegelradgetriebes um 90 umgelenkt wird Bild 28 zeigt ein Schema des mecha nischen Antriebsstrangs und gibt die bersetzungsverh ltnisse an Streuscheibe Bild 28 Schema des mechanischen Antriebsstrangs eines D ngerstreuers Rauch Axis Der Hauptteil der Verluste entsteht am Zahneingriff die in Form des Wirkungsgra des nz ber cksichtigt werden Auf Grund der konkreten Ausf hrung sind auch La 70 D ngerstreuer gerungs und Dichtungsverluste relevant weshalb sich aus deren Wirkungsgraden ne und np zusammen mit dem Wirkungsgrad des Zahneingriffs der Getriebewir kungsgrad jedes Kegelradgetriebes ger nach Gleichung 17 ergibt und nach 85 mit 92 angesetzt wird N er Nz N No 17 4 2 2 Hydraulisch angetriebener D ngerstreuer Zur Modellierung des hydraulischen Streuers wird ein D ngerstreuer vom Typ Axera de
54. Die se Schlagkraft wird erm glicht durch st ndig anwachsende Motorleistung bei den Maschinen die entweder in h here Fahrgeschwindigkeit oder gr ere Arbeitsbrei te umgesetzt wird wobei von einem stetigen Abwechseln der beiden Wachstums bereiche ausgegangen werden darf Zudem steigt der Grad an Automatisierung die die effiziente Erledigung komplexer Arbeitsaufgaben erm glicht Diesem Wachstum sind jedoch verschiedene Grenzen gesetzt Diese k nnen juristischer Natur Transportbreite umweltschutzbedingt Einsatz bestimmter Wirkstoffe und nicht zuletzt auch verfahrenstechnischer Natur sein Bodengef ge Insbesondere alle den Boden betreffenden Vorg nge wie berfahrten D ngung mechanische Bearbeitung Einflussnahme auf die Bodenfauna stellen dabei einen Grenzbereich zwischen rein wirtschaftlich verfahrenstechnischen berlegungen auf der einen Seite und juristisch gesellschaftlich getriebenen Gedanken auf der andern Seite dar In j ngster Zeit kommen hierzu noch berlegungen der Landschafts und Strukturpflege Der landwirtschaftliche Maschineneinsatz bewegt sich also in ei nem Spannungsfeld aus Gesellschaft Wirtschaft Technik und Umwelt Bild 1 In diesem Spannungsfeld sehen sich die Hersteller von Traktoren bei schrumpfen dem Marktvolumen einem Verdr ngungswettbewerb ausgesetzt Einleitung 3 N Ss f gt S amp Landmaschinen D 2 N produktion N Bild 1 Spannungsfeld der Landmaschinenentwicklung 2
55. Fakult t Agrarwissenschaften Institut f r Agrartechnik Universit t Hohenheim Grundlagen der Agrartechnik Prof Dr Ing S B ttinger Einsatzm glichkeiten elektrischer Antriebe f r landwirtschaftliche Maschinenkombinationen Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften vorgelegt der Fakult t Agrarwissenschaften von Klaus Hahn aus Heilbronn Baden W rttemberg 2010 Die vorliegende Arbeit wurde am 13 12 2010 von der Fakult t Agrarwissenschaf ten der Universit t Hohenheim als Dissertation zur Erlangung eines Doktors der Agrarwissenschaften angenommen Tag der M ndlichen Pr fung Studiendekan Berichterstatter 1 Pr fer Mitberichterstatter 2 Pr fer 3 Pr fer 14 01 2011 Prof Dr M Kruse Prof Dr Ing S B ttinger Prof Dr Ing P Pickel Prof Dr Dr h c mult K K ller Vorwort V VORWORT Diese Arbeit entstand w hrend meiner T tigkeit in der Abteilung Advanced Engi neering der John Deere Werke Mannheim von denen ich gut zwei Jahre am Insti tut f r Agrartechnik der Universit t Hohenheim t tig war Dies gab mir die Gele genheit Erfahrungen sowohl im universit ren Umfeld als auch in einem internatio nal t tigen Konzern zu sammeln Daf r bin ich Herrn Professor Kutzbach und Herrn Dr Tarasinski die beide die Arbeit anregten zu gro em Dank verpflichtet Ohne den mir gew hrten Freiraum und das mir entgegenbrachte Vertrauen h tte ich diese
56. Ger teantrieb an die Fahrgeschwindigkeit entsteht eine Funktion hnlich einer Wegzapfwelle In den seltensten F llen soll jedoch die Drehzahl selbst eingestellt werden tats chlich ist sie in aller Regel nur eine Stell gr e f r eine andere physikalische Gr e am angetriebenen Bauteil Beispielhaft hierf r sei der Druck des Gebl ses einer pneumatischen S maschine genannt Im Zuge einfacherer Bedienung w re es demzufolge w nschenswert der Anwender k nnte die gew nschte physikalische Gr e direkt einstellen was jedoch Kennt Traktor 37 nisse ber das angeschlossene Ger t als auch seine Bauteile erfordert in man chen F llen k nnte auch zus tzlich die Einbindung eines Sensors erforderlich sein Dieses w rde dann eine Regelung der gew nschten Gr e erm glichen wobei in vielen F llen eine Steuerung der Drehzahl ausreichen kann Dadurch entsteht Ebene 4 analog einer ISOBUS class 3 Regelstruktur Betrachtet man das Beispiel des Gebl ses so f llt eine Drift des eingestellten Wertes auf Grund sich erw rmenden Hydraulik les weg wodurch eine konstante Nachf hrung anhand einer Regelabweichung unn tig wird In allen F llen ist jedoch zu beachten dass weder hydraulische noch elektrische Schnittstelle eine f r den Anwender erfassba re Stellgr e wie die Drehzahl selbst aufweisen Eine Umrechnung der Stellgr en Durchflussmenge bzw Spannung und Frequenz in Drehzahl oder besser noch eine prozessbezogene Gr
57. Hierbei zeigt sich das Potenzial elektrischer Antriebe in Landmaschinen So zeigt WUNSCHE anhand eines Modells dass der Fahrwerkswirkungsgrad durch einen Einzelradantrieb mit elektrischen Maschinen gegen ber konventionellen Systemen 18 Stand von Forschung und Entwicklung mit starrer Drehzahlkopplung der Achsen und Differentialen verbessert werden kann 48 Hauptgrund hierf r ist der permanente Allradantrieb mit individuell an gepasster Drehmomentverteilung Ein weiterer Vorteil ist das Wegfallen mechani scher Belastungen auf Grund des verspannungsfreien Abrollens aller R der durch das stets gleiche Vorzeichen aller Drenmomente an den Antriebsmaschinen In einer eher grunds tzlichen Betrachtung sieht TARASINSKI 28 als Einf hrungs szenario f r elektrische Antriebe die Reihenfolge 1 Mehr Leistung im Fahrzeug f r Nebenantriebe 2 Ersatz von mechanischen Verteilgetrieben auf Ger ten und Ersatz der Zapfwelle bei Ger ten kleiner und mittlerer Leistung 3 Fahrantriebe Zu Punkt 2 dieser Reihenfolge sei angemerkt dass dieser bereits bei hydrauli scher Leistungsverteilung auf den Geraten angewendet wird Dies gilt insbesonde re dann wenn es um rotatorische Antriebe geht Es findet sich in ausgef hrten Produkten eine Vielzahl von Antrieben bei denen der hydraulische Antrieb seinen erheblichen Nachteil im Wirkungsgrad gegen ber mechanischen Antrieben auf Grund von Vorteilen in der Konstruktion und der Prozesssteuerung aufwiegt
58. Isolations berwachung sollte auch ein Potenzial ausgleichsleiter vorgesehen werden da insbesondere bei den landwirtschaftlichen Anbauger ten keine Kontinuit t der elektrischen Masse vorausgesetzt werden kann So kann ein Anbauger t durchaus elektrisch ber den Steckverbinder aber nicht oder nur schlecht elektrisch leitf hig mechanisch mit dem Traktor verbunden sein Letztlich ist noch davon auszugehen dass eine Niederspannungsversorgung 12 V ben tigt wird um auf dem Ger t vorhandene Elektroniken mit Energie zu versorgen In wie weit diese Anforderungen zu einem einzigen System kombiniert werden k nnen ist offen Dieses muss die Anforderungen an Bandbreite und elektromagnetische Vertr glichkeit erf llen und gleichzeitig mit vertretbarem Auf wand realisiert werden k nnen Abgesehen von diesen Forderungen bez glich der Leistungs und Signalleitung wird an einen Steckverbinder im landwirtschaftlichen Umfeld nat rlich noch eine Vielzahl weiterer Anforderungen gestellt Hier seien zun chst Zahl der m glichen Steckzyklen und Steckkr fte erw hnt Gute Anhaltswerte f r letztere liefert die ISO 5675 5 wobei im Unterschied zur Hydraulik ein Ziehen und Stecken unter Druck ausgeschlossen ist und auch kein nennenswerter Unterschied in der Kraft zwi schen den beiden Vorg ngen vorhanden sein sollte Die Kraft sollte daher f r bei de F lle um 200 N liegen Betrachtet man die Leistungsf higkeit des angestrebten Systems ist bei v
59. Leistung f r den L ftermotor angenommen die Klimaanlage bleibt ausgeschaltet ebenso wird eine erh hte Leistungsaufnahme am Luftkompressor ausgeschlossen Die am elektrischen System abgenommene Leistung bleibt daher konstant kann im Mo dell aber eingestellt werden 3 4 2 5 Dieselmotor Der Dieselmotor schlie lich stellt die von Fahrantrieb Ger teantrieb und K hlung ben tigte Leistung nebst allen bei der bertragung und Wandlung derselben auf tretenden Verluste zur Verf gung Die Summe aus Nutz und Verlustleitung wird in Form einer Drehzahl und eines Drehmomentes vom Motor bereitgestellt ber de ren jeweiligen Achsen spannt sich im Koordinatensystem das Verbrauchskennfeld auf in dem jedem Betriebspunkt ein Verbrauch an Kraftstoff zugeordnet werden kann Der Betriebspunkt wird wie folgt ermittelt Bei allen nicht stufenlosen Antrie ben muss meist eine genaue Drehzahl am Dieselmotor eingestellt werden um den Prozessanforderungen gerecht zu werden Der Betriebspunkt liegt in diesem Fall ne Traktor auf einer Vertikalen ber dieser Drehzahl Bei stufenlosen Antrieben ergibt sich der Betriebspunkt des Dieselmotors durch eine in Grenzen beliebige Kombination aus Drehzahl und Drehmoment Diese Grenze ist einerseits erreicht sobald ein Aggregat bei gegebener Drehzahl nicht mehr ausreichend Leistung zur Verf gung stellen kann Beispielsweise ist dies der Fall wenn eine Hydraulikpumpe bei ge gebener Drehzahl keinen ausreichenden
60. Planetengetr 7 ES 3 s S 8 planetary gear gt es Batterie battery Bild 5 Verschiedene Hybridstrukturen f r Fahrantriebe 35 Battene battery Generator 2 2 2 2 Personenkraftwagen In j ngster Vergangenheit scheinen sich elektrische Hybridfahrzeuge endg ltig im Markt etablieren zu k nnen Dabei wird wenn von Hybridfahrzeugen die Rede ist automatisch die Hybridisierung konventioneller Fahrzeuge mit einem Elektroan trieb unterstellt Entscheidender Faktor dieser Technologie ist die Speicherung der Energie die beim Bremsen sonst ungenutzt in W rme umgewandelt wird Man spricht hier vom rekuperativen Bremsen da diese Energie vermindert um den Systemwirkungs grad dem Vortrieb wieder zur Verf gung gestellt wird Auf Grund dieses Um standes scheint der Vorteil sich besonders im stop and go Betrieb der den inner st dtischen Verkehr kennzeichnet bemerkbar zu machen Entscheidendes Krite rium f r den Erfolg dieser Fahrzeuge ist dabei die Leistungsdichte des elektri schen Antriebsstranges die Lebensdauer und das Leistungsvolumen des Spei chermediums und m glicherweise am entscheidendsten berhaupt die Kosten Stand von Forschung und Entwicklung 17 2 2 2 3 Nutzfahrzeuge Im Gegensatz zum PKW wo parallele Hybride und Leistungsverzweigung domi nieren 36 ist der serielle Aufbau im Nutzfahrzeug die derzeit dominierende Vari ante Gem Definition handelt es ich hierbei jedoch mit Ausnah
61. Schaumbildung bei berm iger Durch mischung Diese kann durch eine wirkmittelspezifische und f llstandsangepasste Mischrate verhindert werden wodurch sich der Aufwand f r die Reinigung weiter verringern l sst In 90 wird dargestellt dass eine Reinigung zwischen Armatur und D se nicht zu erreichen ist Aus technischer Sicht muss dem widersprochen werden da ver schiedene Systeme im Markt diese Aufgabe erf llen Zum einen sind Feldspritzen mit Einzeld senabschaltung erh ltlich 94 zum anderen gibt es ein System das auf einer Unterdrucksp lung des Gest nges basiert 92 In beiden Varianten ist die Spritzleitung als Ringleitung ausgef hrt was ferner den Vorteil bietet dass schon vor Beginn des eigentlichen Spritzens Spritzbr he ins Gest nge gesp lt werden kann Dabei wird dem Umstand Rechnung getragen dass die D senk r per zur Verhinderung des Nachtropfens mit einer Membran versehen sind die ab einem definierten berdruck ffnen Dieser Druck darf beim Sp len nicht ber schritten werden was durch ein Sp len mit Unterdruck erm glicht wird Eine akti ve Abschaltung der D sen erlaubt allerdings eine berdrucksp lung erfordert aber entsprechende Aktorik 84 Pflanzenschutzspritze 5 3 Versuchsfahrzeug 5 3 1 Anforderungen an das Versuchsfahrzeug Zur Evaluierung m glicher Vorteile durch einen elektrischen Pumpenantrieb sollen folgende Forderungen erf llt werden e Reduzierung des Verschlauchungsaufwands
62. UR B cher sind mit e gekennzeichnet 1 Auernhammer H Off road automation technology in European agricul ture state of the art and expected trends Proceedings of the confe rence automation technology for off road equipment Kyoto 2004 ASAE Publication No 701P1004 2004 pp 10 23 2 e Meyer H J Eine Methodik zur kologieorientierten Produktentwicklung von Landmaschinen Fortschritt Berichte VDI Reihe 14 Nr 91 D ssel dorf VDI Verlag 1999 3 e Kutzbach H D Lehrbuch der Agrartechnik Band 1 Allgemeine Grund lagen Ackerschlepper F rdertechnik Hamburg Berlin Verlag Paul Parey 1989 4 e Sch n H H Auernhammer R Bauer J Boxberger M Demmel M Estler A Gronauer B Haidn J Meyer H Pirkelmann A Strehler und B Widmann Die Landwirtschaft Lehrbuch f r Landwirtschaftsschulen Band 3 Landtechnik Bauwesen Verfahrenstechnik Arbeit Geb ude Umwelt 9 Auflage M nchen BLV Verlagsgesellschaft 1998 5 ISO 5675 Agricultural tractors and machinery general purpose quick action hydraulic couplers Genf ISO 1992 S 1 3 6 ISO 16028 Hydraulic fluid power Flush face type quick action couplings for use at pressures of 20 MPa 200 bar to 31 5 MPa 315 bar Specifications Genf ISO 1999 S 5 7 ISO 500 1 Agricultural tractors rear mounted power take off types 1 2 and 3 part 1 general specifications safety requirements dimensions for
63. Volumenstrom zur Verf gung stellen kann In diesem Fall tritt ein dem gestuften Antrieb hnliches Verhalten auf Glei ches gilt auch f r den Dieselmotor im Betrieb auf der Volllastkennlinie unterhalb der Maximalleistung Der Dieselmotor beschr nkt sich in diesem Modell auf das Verbrauchskennfeld dynamische Betrachtungen werden nicht angestellt Bild 19 950 Nm 205 750 pa Cc E 550 E S E ON D as noA Razer Te A _ 350 220 25 2 220 225 Pr 235 225 230 235 240 245 Bs 3 a5 a 260 235 40 a 245 a am 245 2507 260 27098 150 1000 1200 1400 1600 1800 1 min 2200 Dieselmotordrehzahl Nym Bild 19 Kennfeld des spezifischen Verbrauchs in g kWh des Dieselmotors 3 4 3 Ausf hrung des Modells Entlang der im vorangegangenen Kapitel dargestellten Zusammenh nge wird ein Modell aufgebaut welches als Eingangsgr en Drehzahlen und Drehmomente an den einzelnen Antrieben aufweist und wo sinnvoll eine Auswahlm glichkeit von unterschiedlichen Getriebeschaltstufen oder Anschlussarten zul sst Die An Traktor 55 triebe werden dabei als Bl cke modelliert durch die von der Anforderung im jewei ligen Betriebspunkt ausgehend die Drehzahlen und Drehmomente bis zum Die selmotor durchgereicht werden Bild 20 veranschaulicht diesen Aufbau grafisch Der Leistungsbedarf wird hierbei von au en kommend durch das Terrain den Prozess und Anwendereinstellungen bestimmt
64. ache liegt im h heren erforderlichen Druck gegen ber der Anschlussart Power Beyond Dieser ist von der Hydraulikpumpe aufzubringen um die zus tzlich im Steuerblock des Anbauger tes zu berwindende Regel druckdifferenz sowie die erh hten Str mungsverluste im Zusatzsteuerger t aus zugleichen Zus tzlich werden die Str mungsverluste durch den gr eren Volu menstrom negativ beeinflusst 104 Ergebnisse 7 2 2 Ergebnisse des Feldversuchs 7 2 2 1 Versuchsplanung zum Feldversuch Um den Aufwand bei den durchzuf hrenden Feldversuchen zu minimieren wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung angewendet Diese ist f r Feld versuche besonders vorteilhaft Auf Grund der Vielzahl vorhandener Einflussfakto ren die zum Teil aus der Umwelt herr hren ist eine Abarbeitung eines Versuchs plans der alle Faktoren fein gestuft ber cksichtigt und jeweils nur einzeln variiert ann hernd unm glich Ziel der statistischen Versuchsplanung ist eine Verringe rung der Zahl an ben tigten Versuchen und der ben tigten Zeit Dies ist insofern von Bedeutung als dass die Schwankung klimatischer Bedingungen ber einen kurzen Zeitraum eher gering ist Relevant ist hier vor allem die Umgebungstempe ratur die als Einflussfaktor f r die K hlleistung den Kraftstoffverbrauch mit beein flusst Hinzu kommt der Fl chenbedarf f r die Versuche da nicht beliebig viel D nger auf eine kleine Fl che ausgebracht werden kann Gro e Fl chen sind zu
65. actor mounted sensor interface specifications Genf ISO 1995 Auernhammer H and H Speckmann Communication issues and inter net use dedicated communication systems and standards for agricultur al applications In Munack A Hrsg CIGR Handbook of Agricultural Engineering Volume VI Information Technology St Joseph MI ASABE 2006 pp 435 451 Fellmeth P CANopen Truck Gateway ist in greifoarer Nahe Elektronik Automotive 2003 H 6 S 12 Stone M K McKee W Formwalt and R Benneweis ISO 11783 An electronic communications protocol for agricultural equipment ASAE Dis tinguished Lecture No 23 Proceedings of the Agricultural Equipment Technology Conference Louisville KY 1999 ASAE Publication No 91301798 1999 pp 1 17 Henninger G ISOBUS die Zukunft hat l ngst begonnen Landtechnik 62 2007 H 4 S 206 207 Literatur 147 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Freimann R A basic approach to implement guided tractor control Pro ceedings of the Automation Technology for Off Road Equipment Confe rence Bonn 2006 Landtechnik Weihenstephan 2006 pp 257 266 Hieronymus P und N Schlingmann Kommunikationssysteme In Harms H H und Meier F Hrsg Jahrbuch Agrartechnik Band 18 Munster 2006 S 45 46 Ehrl M Steer by Wire via ISOBUS Landtechnik 62 2007 Sonderheft S 286 287 Rothmund M Integr
66. adgetriebe Flanschausf hrung Getriebeuntersetzung 3 98 Masse 31 3 kg In Bild 30 wird das Antriebsschema des Prototyps dargestellt der Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen betr gt im Mittel ber den betrachteten Bereich 95 1 das Kegelradgetriebe weist einen Wirkungsgrad von 92 auf wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Scheibenantriebs 87 4 entspricht D ngerstreuer 73 Streuscheibe Bild 30 Schema elektrischer Antriebsstrang D ngerstreuer Rauch Axis EDR 4 3 Versuchsmaschine Bei mechanisch und hydraulisch angetriebenen D ngerstreuern handelt es sich um bekannte Technik Diese wurden daher aus Zeit und Kostengr nden keiner Validierung durch Versuche unterzogen sondern ausschlie lich simuliert Der elektrisch angetriebene D ngerstreuer ist zum Anbau an den Dreipunktkraft heber konzipiert und weist bei einem Leergewicht von 410 kg eine maximale Zula dung von 3000 kg auf Die Versuchsmaschine ist ein Prototyp der durch Umbau eines mechanisch angetriebenen Seriend ngerstreuers hergestellt wurde Im We sentlichen wurde dazu der ansonsten die Kegelradgetriebe und Scheibentr ger beinhaltende Querbalken ersetzt An diesen angeflanscht befindet sich in der me chanischen Ausf hrung auch der Abtrieb zum R hrwerk Bild 31 zeigt dass in der elektrischen Variante der ge nderte Querbalken nun die beiden elektrischen Ma schinen nebst den zugeh rigen Winkelgetrieben beinhaltet Da der Querbalken ge ndert wurd
67. agungsband VDI Tagung Innovative Fahrzeugantriebe Dresden 2002 VDI Berichte Nr 1704 2002 S 143 160 Bady R und J W Biermann Hybrid Elektrofahrzeuge Strukturen und zuk nftige Entwicklungen 6 Symposium Elektrische Stra enfahrzeuge Technische Akademie Esslingen 2000 Friedrich H E M Gr f S A Schmid und P Treffinger Betrachtung aus gew hlter Fahrzeug Antriebskonzepte unter den Aspekten Modularit t Energie und Emissionen Tagungsband 6 Internationales Stuttgarter Symposium Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren Stuttgart 2005 S 326 343 Schaller K V S Kerschl und K D rner Hybrid Antriebssystem mit Ult racaps zur Nutzung der Bremsenergie in Stadtomnibussen Tagungsband VDI Tagung Nutzfahrzeuge Neu Ulm 2001 VDI Berichte Nr 1617 2001 S 267 284 Broge J Cat sets plan of attack on AC electric drive SAE Off Highway Engineering 16 2008 No 4 pp 8 9 Gonda B Major miner Industrial Vehicle Technology International 2004 No November pp 64 65 Evans H Terex gets heavy with new mining truck SAE Off Highway Engineering 17 2009 No 1 pp 30 31 Evans H Diesel electric truck becomes largest in Komatsu line SAE Off Highway Engineering 17 2009 No 2 pp 36 37 Volvo goes green with hybrid wheel loader SAE Off Highway Engi neering 16 2008 No 8 p 46 Evans H LeTourneau loader uses diesel and regenerative energy sources SAE Off Highway Engineering 17 2009 N
68. al Machines 2nd Edition St Joseph MI ASABE 2006 pp 288 291 Betriebsanleitung Anhangefeldspritzen 832i und 840i mit EHC 2 Re geleinheit Firmenschrift OMWZ83240 John Deere Fabriek Horst B V Horst Niederlande 2006 Ganzelmeier H Trends der Pflanzenschutztechnik im Ackerbau Land technik 62 2007 H 6 S 384 385 Hardi Commander i Firmenschrift D 890864 11 2005 Hardi GmbH Wedemark Wellendorf Deutschland 2005 Dimensions AR280bp Firmenschrift 5661_D12 Annovi Reverberi S p A Modena Italien 2007 Benutzer Installations und Sicherheitshandbuch Firmenschrift Annovi Reverberi S p A Modena Italien Agricultural pump selection guide Firmenschrift CC100 Hypro New Brighton MN USA 2007 Eberbach H Alternative Antriebs und Anlagenkonzepte f r eine Anh n gefeldspritze Diplomarbeit 2006 Hochschule Mannheim Institut f r CAE Anwendungen unver ffentlicht Servo Motors SMH amp MH Motors Firmenschrift 192 061011 N4 GB Parker Hannifin GmbH amp Co KG Offenburg Deutschland 2004 Wartenberg G Teilfl chenspezifisches Spritzen von Pflanzenschutzmit teln Landtechnik 55 2000 H 6 S 438 439 B ttger H und H R Langner Neue Technik zur variablen Spritzmittel dosierung Landtechnik 58 2003 H 3 S 142 143 Langner H R H B ttger und D Ehlert Anforderungen an die Dynamik teilfl chenspezifischer Applikationstechnik Landtechnik 58 2003
69. angetriebene Achsen Reifen Boden Kontakt prrva PAnna PAnna2 Schlecht 0 25 0 15 0 1 Mittel 0 15 0 08 0 06 Gut 0 08 0 06 0 04 Asphalt 0 015 0 015 0 015 Da diese Werte den Multi Pass Effekt ber cksichtigen gelten sie nur f r die Gera deausfahrt Bei Kurvenfahrt verlassen jedoch manche R der die Spur der davor laufenden Achsen wodurch der Rollwiderstand ansteigt Im Anwendungsfall muss die K o Kurve so abgelesen werden dass sich ausge hend von einem ben tigten Triebkraftbeiwert ein Schlupf einstellt Die zus tzli chen Kosten Schlupf pro hinzugewonnener Output Einheit Triebkraft erh hung lassen sich f r Gleichung 5 entsprechend Gleichung 8 mathema tisch beschreiben und sollen Grenzschlupf o genannt werden 66 Das folgende Bild 8 stellt f r die vorgegeben Reifen Boden Kontakte den Grenzschlupf grafisch dar Stand von Forschung und Entwicklung 25 ee 8 i echt i mittel g l Grenzschlupf o 0 0 2 0 4 0 6 08 1 Triebkraftbeiwert K Bild 8 Grenzschlupf ber Triebkraftbeiwert f r verschiedene Reifen Boden Kontakte Im weiteren Verlauf der Arbeit werden hiervon abweichend auch Modelle Anwen dung finden in denen lediglich der Rollwiderstand betrachtet wird Diese dienen dazu am gleichen Fahrzeug verschiedene Antriebstechnologien zu vergleichen wodurch der Schlupf unerheblich wird Der Rollwiderstand als vom Verbren nungs
70. argestellten Sche ma Dabei werden Komponenten zu Systemen zusammengefasst unter denen sich Subsysteme befinden welche die konkreten Eigenschaften der Komponente unter den gegebenen Bedingungen abbilden Terrain gt Fahrantrieb Vv Ger teantrieb gt Dieselmotor Vv p K hlung Bild 16 Schematische Darstellung der Abh ngigkeiten im Modell 3 4 2 1 Terrain Unter diesem Oberbegriff werden alle durch das Terrain beeinflussten Gr en zusammengefasst Im Einzelnen sind dies die Inklination des Gel ndes und die in Kapitel 2 3 definierten Arten des Reifen Boden Kontakts denen bez glich der Fahrwiderst nde erhebliche Bedeutung zukommt In Kombination mit diesen Wer ten bestimmt die Gewichtskraft zum einen die bertragbaren Zugkr fte den Traktor Schlupf und den Rollwiderstand zum andern den Steigungswiderstand der iden tisch mit der Hangabtriebskraft ist Die Summe aus Roll und Steigungswiderst n den ist der Fahrwiderstand 3 4 2 2 Fahrantrieb Das Modell des Fahrantriebs beinhaltet in erster Linie die Abbildung des Fahrge triebes mit seinen charakteristischen Eigenschaften hinsichtlich der Verlustleis tung Diese h ngt von einer Vielzahl von Einflussfaktoren ab insbesondere sind dies verschiedene Drehzahlen und Drehmomente die gew hlten bersetzungen und der gleichen mehr Bestandteil des Fahrgetriebes ist auch der Allradantrieb dessen Zu und Abschaltung
71. arkt etablieren k nnen Wie bereits erw hnt ist ein gleichzeitiges Fortschreiten durch die einzelnen Stufen der Entwicklung nicht notwendig So stehen zum jetzigen Zeitpunkt verschiedene Verfahren und Maschinen durchaus schon in fortgeschrittenen Stufen der Entwick lung w hrend andere kaum die erste Stufe erreicht haben Es kann jedoch auch festgehalten werden dass die Wachstumsm glichkeiten innerhalb einer Zelle be grenzt sind Somit ist ein Fortschreiten sowohl in Hard als auch Software wenn auch nicht zwingend erforderlich so jedoch zumindest langfristig unumg nglich Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist in den Stufen 1 und 2 der Hardware angesiedelt Diese sollen f r ausgew hlte prototypische Maschinen durch den Einsatz elektrischer Antriebe erm glicht werden Deren Konzeption Modellierung Aufbau und Evaluierung im Hinblick auf den Einsatz in landwirtschaftlichen Ma schinen ist Hauptziel dieser Arbeit Besondere Aufmerksamkeit wird dabei Aspek ten wie Wirkungsgrad Leistungsverteilung aufgel ste Bauweise und verfahrens technische Vorteile geschenkt Stand von Forschung und Entwicklung 7 2 STAND VON FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 2 1 Bestandsaufnahme Traktor Ger te Verbund 2 1 1 Schnittstellen zur Leistungs bertragung Grunds tzlich zu unterscheiden sind bei Traktoren Schnittstellen die der Ankopp lung und damit auch der bertragung von Zugleistung dienen von solchen durch die ein Leistungsfluss zu einem Ger
72. ation von Gesch fts und Prozessinformation im landwirtschaftlichen Produktionsablauf Landtechnik 62 2007 Sonder heft S 290 291 Spangler A Modellierung von Arbeitsgespannen als Netzwerk autono mer Agenten Landtechnik 62 2007 Sonderheft S 292 293 Cowan B Make mine a hybrid Electric amp Hybrid Vehicle Technology 2005 S 84 88 e Spring E Elektrische Maschinen Eine Einf hrung Berlin Heidelberg New York Springer Verlag 1998 S 227 325 Tarasinski N Elektrische Antriebe in Traktoren Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Dresden 2004 VDI Berichte Nr 1855 2004 S 231 239 IEC 25 1 Rotating electrical machines part 1 rating and perfor mance Edition 10 2 Genf IEC 1999 S 49 80 e Brosch P Moderne Stromrichterantriebe 4 Auflage W rzburg Vogel Verlag 2002 S 183 Gevatter H J Elektronische Konstruktionskomponenten In Beitz W und K H Grote Hrsg Dubbel Taschenbuch f r den Maschinenbau 20 Auflage Berlin Heidelberg New York Springer Verlag 2001 S 17 e Schr der D Elektrische Antriebe Regelung von Antriebssystemen 2 Auflage Berlin Heidelberg New York Springer Verlag 2001 e Hofer K Elektrotraktion Elektrische Antriebe in Fahrzeugen Berlin VDE Verlag 2006 S 127 162 148 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 Literatur Noreikat K E Antriebstechnik die die Welt nicht braucht T
73. bei sehr gutem Reifen Boden Kontakt mit denen der Messung verglichen Versuch 12 l h Simulation Reifen Boden Kontakt gut O 5 10 2 oO 2 T X Simulation Reifen Boden Kontakt sehr gut 6 1100 1200 1300 1400 1 min 1500 Dieselmotordrehzahl ny Bild 46 Vergleich Simulation und Messung des Kraftstoffverbrauchs ber der Dieselmotordrehzahl bei mittlerem Scheibendrehmoment und Fahrgeschwindigkeit Bild 47 erm glicht auf Basis der Ergebnisse aus Bild 45 eine erste Validierung der Simulation Ein Vergleich mit Bild 42 ist auf Grund des unterschiedlichen Reifen Boden Kontaktes aber nicht m glich Die simulierten Werte liegen ber den ge messenen und der Einfluss der Dieselmotordrehzahl ist in Realit t etwas gr er als in der Simulation Der Fehler betr gt im Mittel 0 3 I h und ist f r die beiden un tersuchten Drehzahlen des Verbrennungsmotors unterschiedlich gro Tabelle 24 Ergebnisse 113 12 m l h lt O a 10 Ss Simulation bei 1300 1 min Ss Simulation bei 1100 1 min aA kn 28 a 5 k Versuch bei 1300 1 min er Versuch bei 1100 1 min 6 6 10 14 18 22 Nm 26 Scheibenmoment M Bild 47 Vergleich Simulation und Messung des Kraftstoffverbrauchs ber dem Scheibendrehmoment bei unterschiedlichen Motordrehzahlen Tabelle 24 Abweichung zwischen Simulation und Versuch Drehzahl 1 min absoluter Fehler l h mittlerer Fehler l
74. belle 5 Tabelle 5 Parameter zur Beschreibung des Reifen Boden Kontakts Bodenzustand a b c Entspricht etwa Schlecht 0 4164 0 5504 0 056 Abgeerntetes R benfeld Mittel 0 55 0 66 0 059 Abgeerntetes Silomaisfeld Gut 0 6499 0 7119 0 0707 Stoppelacker Asphalt 0 8 0 909 0 2015 Stra e Bild 7 zeigt die verschiedenen Triebkraftbeiwert Schlupf Kurven anhand derer der sich unter den gegebenen Randbedingungen bei einer bestimmten Triebkraft einstellende Schlupf ermittelt werden kann Triebkraftbeiwert K 30 Schlupf o Bild 7 Triebkraftbeiwert Schlupf Kurven nach Gleichung 5 mit Parametern aus Tabelle 5 24 Stand von Forschung und Entwicklung Der Rollwiderstandsbeiwert nimmt mit der Verbesserung der Bodenbedingungen ab An den einzelnen Achsen wird er bei den hier verwendeten Modellen verein facht als konstant angenommen und sinkt von Traktorvorderachse bis zur letzten Anh ngerachse durch den Multi Pass Effekt ab und zwar proportional zur Steige rung des Triebkraftbeiwerts Gleichung 7 65 Pva Kyva Pua Km 7 In der Realit t steigt der Rollwiderstandsbeiwert linear mit dem Schlupf die Stei gung liegt jedoch im o Bereich 63 so dass der Fehler zumal im betrachteten Schlupfbereich klein ist Tabelle 6 zeigt die hinterlegten Rollwiderstandsbeiwerte f r nicht angetriebene Achsen von Traktor und Anh nger Tabelle 6 Rollwiderstandsbeiwerte f r nicht
75. besseren Austauschbarkeit und h heren Integration von in verschiedenen Prozes sen anfallenden Daten 24 In 25 wird schlie lich ein Ansatz zur Prozessautoma tisierung beschrieben der auch auf die Besonderheit der Maschinenrekonfiguration in der Landwirtschaft hinweist 2 2 Elektrische Antriebe 2 2 1 Grundlagen elektrischer Antriebe Elektrische Antriebe sind aus vielen Anwendungen bekannt Diese erstrecken sich vom pers nlichen bis in den industriellen Bereich Grunds tzlich sind Gleichstrom Stand von Forschung und Entwicklung 11 und Wechselstrommaschinen zu unterscheiden Gleichstrommaschinen werden nach wie vor f r Antriebe kleinerer Leistung in der Regel unter einem Kilowatt in handgef hrten batteriebetriebenen Werkzeugen oder in Fahrzeugen mit Gleichspannungsbordnetz angewendet W hrend fr her auch Gleichspannungs motoren in gro en und gr ten Traktionsmaschinen mit vielen hundert Kilowatt eingesetzt wurden fand hier in j ngerer Vergangenheit eine Umstellung hin zu Wechselstromantrieben statt Die Gr nde hierf r waren in erster Linie Bauraum Verschlei und Wirkungsgrad 26 In station ren Anlagen dominieren seit langem die Wechselstromantriebe Schwerpunkt dieser Arbeit werden Antriebe mit mehre ren Kilowatt Leistung sein weshalb auf eine Betrachtung von Gleichstrommaschi nen verzichtet wird Im Folgenden sind mit elektrischen Antrieben daher Wechsel stromantriebe gemeint Elektrische Antriebe zeichnen
76. bringmenge nur im niederfrequenten Bereich befriedigende Resultate lie fert 100 Er leitet daraus die Forderung nach einer hohen Dynamik und Qualit t der Spritzenregelung ab Wird das System um ein D sengetriebe also die M g lichkeit zur Umstellung des D sentyps w hrend der Anwendung wie in 101 er weitert steigen die Anforderungen an die Regelung weiter da dabei auch noch die Anlagenkennlinie zur Laufzeit ver ndert wird Letzteres wird am Prototyp je doch nicht implementiert Dennoch ergeben sich die in Bild 37 gezeigten Anforde rungen an die Einregelzeit im Zusammenhang von gew nschter Ortsaufl sung und Fahrgeschwindigkeit welche analog zu den Untersuchungen von LANGNER ET AL 102 im Bereich bis 6 m und bis zu 22 km h betrachtet werden Pflanzenschutzspritze 93 A ya oN 20 vid J z km h if 16 7 E y g a D N gt 5 vA a 2 a Ao 5 gt 2 3 S e LL Fi a j 25 35 4 4 7 5 6 4 33 5 6 a 8 a I 0 0 2 m 6 Ortsaufl sung O Bild 37 Erforderliche Regelzeit in Sekunden ber Ortsaufl sung und Fahrge schwindigkeit Naturgem spielt die Ortsaufl sung bei der offline Regelung also dem Erfassen der Applikationskarten in einem getrennten Vorgang eine weniger gro e Rolle da hier im Prinzip beliebig viel Vorhalt gegeben werden kann Bei der online Rege lung hingegen ergibt sich bei gegebener Regelzeit und Fahrgeschwindigkeit der Mindestabstand v
77. bs mit hoher Regel g te Ein berdrehzahlschutz kann einfach durch eine zul ssige Maximaldrehzahl im Umrichterparametersatz dargestellt werden Die Forderung nach einer separa ten Regelung der Durchmischungsmenge bedingt den Einsatz von je einem Pro portionalventil und einem Durchflusssensor in den f r Spritzen und Mischen vor gesehenen Zweigen des Systems Ein bedarfsangepasster Volumenstrom wird mittels einer in die Gesamtregelung eingebundenen Drehzahlregelung der Pumpe erreicht Dank der hohen Dynamik der Regelung besteht die M glichkeit dass auf ein berdruckventil verzichtet werden kann dies ist aber auch vom gew hlten 86 Pflanzenschutzspritze Pumpentyp abh ngig Das nachstehende Bild 35 zeigt den schematischen Auf bau von Misch und Spritzzweig Bild 35 Schematische Darstellung des prototypischen Aufbaus der Pflanzen schutzspritze vereinfacht 5 3 3 Auswahl von Pumpe und Antrieb Um den Verschlauchungsaufwand zu verringern soll die Pumpe m glichst zwi schen Tank und Gest nge platziert werden Entscheidend f r die konstruktive L sung dieser Anforderung ist der ben tigte Bauraum f r Pumpe und antreibenden Elektromotor Zur Auswahl einer geeigneten Pumpe sind der ben tigte Druck und Volumenstrom zu ber cksichtigen Diese ergeben sich aus den Anlagenkennli nien wobei auf die Eckleistung also gr tm glichen Volumenstrom bedingt durch hohe Fahrgeschwindigkeiten bei gro er Gest ngebreite bei gleichzei
78. ch Redundanzen entstehen die konomisch betrachtet besonders unter Ber cksichtigung des geringen j hrli chen Nutzungsgrades mancher landwirtschaftlicher Maschinen als suboptimal angesehen werden m ssen Dem entgegen steht das Konzept der Bereitstellung von Regeleinheiten auf dem Traktor die jedoch erh hte Anforderung an die Kommunikation zwischen den Ger ten stellt siehe auch Kapitel 2 1 2 Unter die ser Pr misse scheint es sinnvoll zumindest eine geringe Zahl von Regeleinheiten Umrichtern auf dem Traktor vorzusehen mit denen Anbauger te angetrieben werden k nnen Dieser Ansatz erm glicht weiterhin eine h here Ausnutzung des 30 Traktor kostenintensiven Bauteils Umrichter da er so f r mehr als ein Verfahren einge setzt werden kann Dar ber hinaus ist aus Gr nden der Komplexit t der Kosten und nicht zu letzt auch des Bauraumes nicht vorstellbar eine gr ere Zahl von Regeleinheiten f r sehr komplexe Ger teantriebsstrukturen auf dem Traktor be reitzuhalten Die Analogie zu den hydraulischen Schnittstellen des Traktors also Zusatzsteuerger ten und hydraulischem Power Beyond bietet sich an 3 1 2 2 Architekturvorschlag Ausgehend von den im vorangegangenen Kapitel angestellten berlegungen wird ein Vorschlag f r eine erweiterte und universell einsetzbare Architektur erarbeitet mit der verschiedenen Ger ten und ihren Anforderungen Rechnung getragen wer den kann Dabei ergeben sich zun chst zwei G
79. chaltung der Schnittstelle f r alle Ebenen ist nicht vorhanden Ob dieses phy sisch in Form eines Schalters vorhanden sein muss oder ob auch sogenannte softkeys auf Displays hierf r verwendet werden k nnen ist offen Zumindest die Ebene 4 k me theoretisch sogar ganz ohne dieses aus F r alle Ebenen gilt es jedoch zu pr fen wie ein unbeabsichtigtes Anlaufen des Antriebs wirkungsvoll verhindert oder zumindest erschwert werden kann In allen diesen Punkten be steht noch ein erheblicher Entwicklungs und Normungsaufwand 124 Diskussion Der hier unterbreitet Architekturvorschlag hatte das Ziel einen h heren Nutzungs grad der Komponente Umrichter sicher zu stellen Gleichzeitig bleibt der Traktor dadurch eine universell einsetzbare Maschine Allerdings werden nach einer The se von AUERNHAMMER in Zukunft immer mehr Selbstfahrer eingesetzt 1 Betrach tet man dies vor dem Hintergrund steigender Produktkosten durch immer sch rfer werdende Abgasrichtlinien bietet ein hoch integriertes Traktor Ger te System die M glichkeit diese Kosten erneut auf mehrere Verfahren aufzuteilen ohne gleich zeitig etwa Produktivit t einzub en Es ist daher vorstellbar dass der Traktor mit Ger t im Wettbewerb mit spezialisierten Selbstfahrern in Zukunft mehr Vorteile aufweist da zum Beispiel Abgasnachbehandlungskomponenten nur auf einer statt auf mehreren Maschinen ben tigt werden Wird dar ber hinaus ein g nzlich emis sionsfreier Betrieb angestr
80. cht Ein und Ausg nge in den das Hydrauliksystem repr sentierenden Block im Simu lationsmodell sind die Drehzahl und das Drenmoment am Anbauger t Im hydrau lischen System sind diese quivalent mit Volumenstrom und Druck Die Verstell pumpe wird mittels einer festen bersetzung direkt vom Dieselmotor angetrieben Traktor pa c Elektrisches System Ahnlich wie beim Hydrauliksystem wird auch vom elektrischen Bordnetz unab h ngig von eventuell angeschlossenen Ger ten stets Leistung abgenommen da ber dieses L fter und weitere Verbraucher LTC Wasserpumpe Elektronik Mag netventile Fahrzeugbeleuchtung usw am 12 V Netz betrieben werden Das elektrische System wurde bereits in Bild 12 dargestellt Es erm glicht keine Aus wahl von bersetzungsstufen oder Anschlussarten und hat daher als Eingang Drehzahl und Drehmoment sowie die Leistung f r Nebenantriebe 3 4 2 4 K hlung Wie in Kapitel 3 1 1 dargestellt verf gt das Basisfahrzeug bereits ber einen elektrischen L fterantrieb mittels dem die K hlleistung dem tats chlichen Bedarf stufenlos angepasst werden kann F hrungsgr en sind dabei die Temperaturen von Ladeluft K hlfl ssigkeit Klimaanlagenleistung und der Druck im Druckluft speicher Das K hlsystem ist allerdings nicht Gegenstand dieser Untersuchungen weshalb auf einen h heren Detaillierungsgrad verzichtet werden soll Es wird f r die Untersuchungen eine stets konstante Aufnahme an elektrischer
81. chwierige Verh ltnisse bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ist oder ob er auch bei h heren Fahrgeschwin digkeiten noch Leistung bertragen soll bestimmt ma geblich die Dimensionie rung der Antriebsmotoren Hilfsantriebe f r Anh nger die hohe Transportge Triebachsanh nger 97 schwindigkeiten zulassen erfordern aber eine M glichkeit zur Entkoppelung von Rad und Antrieb Diese Hilfsantriebe mit vergleichsweise leistungsschwachen Mo toren erfordern hohe Getriebeuntersetzungen Diese f hren bei hohen Fahrge schwindigkeiten zu nicht tolerierbaren Umfangsgeschwindigkeiten in Getriebe und elektrischer Maschine Dieses Problem tritt bei Motor Getriebe Kombinationen mit gr erer Spreizung nicht auf 6 3 Simulationsmodell Das Modell des Traktor Anh nger Gespanns wurde in MatLab Simulink erstellt ein Bild der obersten Ebene findet sich im Anhang In ihm werden sowohl die geo metrischen Daten der Fahrzeuge unter anderem die Achsabst nde und die Deichsell nge als auch Fahrbahnparameter wie Steigung und Beschaffenheit vorgegeben Diese wurden gesondert in Kapitel 2 3 behandelt Die Simulation er f llt hier im Wesentlichen zwei Aufgaben Zum einen dient sie der grunds tzlichen Bewertung des Gesamtkonzepts hinsichtlich seines Effektes auf das Gespann insbesondere sollen dadurch Verbesserungspotenziale im Bereich des Fahrwer kes aufgezeigt werden Diese liegen haupts chlich im Bereich der Triebkraftent wicklung weitere M gl
82. dlichen Antriebsstr nge f r ein Anbauger t also konkret der Antrieb ber Zapfwelle ber hydraulische Zusatzsteuerger te oder Power Beyond Anschl sse sowie ber ein elektrisches Zusatzsteuerger t im Sin ne von Kapitel 3 1 2 Grundlage des Vergleiches ist zun chst der Wirkungsgrad der Antriebsstr nge wobei dieser aus Sicht der konomischen Bewertung eine untergeordnete Rolle spielt Hier ist letztlich der Kraftstoffverbrauch die ma gebli che Gr e die gleichzeitig auch eine kologische Dimension aufweist in erster Linie ist hier der Aussto klimarelevanter Gase zu nennen 48 Traktor 3 4 1 Einflussgr en Der Kraftstoffverbrauch wird von der Last bei gegebener oder gew hlter Drehzahl des Verbrennungsmotors bestimmt Diese Last setzt sich aus folgenden Kompo nenten zusammen e Fahrwiderst nde o Steigung o Rollwiderstand aller Achsen o Zugkraft f r in Bodeneingriff befindliche Ger te o Verlustleistung im Fahrantrieb e Nutz und Verlustleistung an den Ger teantrieben o Mechanisch o Hydraulisch o Elektrisch Die Verluste des Fahrgetriebes h ngen von der Eingangsdrehzahl der Fahrge schwindigkeit und der Wahl der bersetzung ab Die zum Bewegen des Fahr zeugs notwendige Zugkraft verursacht bei kraftschl ssiger Leistungs bertragung Schlupf Diese Zusammenh nge wurden bereits in Kapitel 2 3 ausf hrlich darge stellt Um all diese Lasten auszugleichen muss vom Verbrennungsmotor eine be stimmt Leistung
83. e Aufl sung der x Achse gew hlt In Realit t sind die Flanken des Kurvenverlaufs deutlich steiler was jedoch eine bersichtliche Darstellung des Gesamtzusammenhangs erschweren w rde 125 Position Ventil Spritzzweig _ 100 jae 1 Fahrgeschwindigkeit 53 79 a SSS gt N Te A ge a ER 50 H a ee E NETA 25 1 Position Ventil Mischzweig Scnmenge A Pumpendrehzahl 1 Ausbringmenge A B C D E Zeitpunkt Bild 36 Qualitative Darstellung der Regelung f r die Versuchsmaschine Zum Zeitpunkt A steht das Gespann die Regelung ist aktiv die Tankr hrung ist eingeschaltet Nach Anfahren des Gespanns steigt der ben tigte Volumenstrom zum Spritzen an Daher wird die Pumpendrehzahl erh ht und das den Spritzzweig regelnde Ventil ffnet sich bis es zum Zeitpunkt B seine maximale ffnung er reicht Da die Fahrgeschwindigkeit weiter steigt erh ht sich auch der ben tigte Volumenstrom im Spritzzweig weiter und die Regelung der Pumpe erh ht weiter deren Drehzahl Der dadurch steigende Gesamtvolumenstrom erh ht auch den Volumenstrom im Mischzweig worauf das diesen regelnde Ventil mit einer Querschnittsverringerung reagiert Dies geschieht erst nach einer kurzen Verz ge rung da die Durchmischungsregelung mit einem Totband versehen werden soll um die Gesamtdynamik des Systems zu beschr nken und die Reglung des Spritzzweiges zu erleichtern Der dadurch entstehende berschwing
84. e Steuerung ist ber CAN sowohl mit 3g Traktor dem Traktor Bus als auch dem Implement Bus welcher gleichbedeutend mit dem ISOBUS ist des Versuchsfahrzeugs verbunden Bild 21 stellt die dem Sys tem hinzugef gten Komponenten schematisch dar ADN 3 red I G _ j 36 J ai Du L 4 Umrichter N F a L ahrzeug Generator Spannungs lt baterie a 3 wandler iw x3 D Q v3 x N n M m l J j ra 3 J b uC SE Lis Spannungs 1 _ Umrichter Oo lt wandler P os olo ol Prototyp L ftermotor lt a IZ1 Steuerung L J ISI l Oo Jol Va u EN M Ar ee E S Resolver C fk Umrichter 1 I Umrichter Anbauger t Kompressor motor Resolver C ae N Umrichter 2 Zus tzliche K t Zus tzliche omponenten g Anbauger t y Bild 21 Schematischer Aufbau des elektrischen Ger teantriebs Durch diesen Aufbau kann der Prototypcontroller sich am ISOBUS anmeldende Ger te erkennen und automatisch in den zugeh rigen Betriebsmodus wechseln Wenn Ger te nicht erkannt werden k nnen kann der Bediener mittels eines Me n s die in der Datenbank vorhandenen Ger te ausw hlen wodurch die passen den Untermen s zur Ger teeinstellung aktiviert und damit verkn pfte Grenzwerte wie etwa die maximal einstellbare Drehzahl geladen we
85. e spezifische Ausbringmenge von mindestens 100 zu erreichen Daher entspricht die Wurfweite nicht der Arbeitsbreite 8 welche wiederum den Abstand zwischen den Fahrgassen 5 6 und 7 definiert 100 Bild 26 Schematisierte Streubilder 81 Die europ ische Norm EN 13739 definiert Umweltschutzanforderungen an einen D ngerstreuer 82 Diese beinhaltet abgesehen von der Verteilgenauigkeit im Feld auch Anforderungen an das Rand und Grenzstreuen Das Grenz und Randstreuen stellt einen wichtigen Anwendungsfall dar bei dem in der Grenzfahr gasse 5 mit im Vergleich zur Arbeitsbreite verringerten Grenzlinienabstand 4 entlang einer Begrenzungslinie 2 Grundst cksgrenze Weg gestreut werden muss wobei keine berlappungsfahrt m glich ist Im Gegensatz zum Randstreu D ngerstreuer 65 en darf beim Grenzstreuen jedoch praktisch kein D nger jenseits dieser Begren zungslinie ausgebracht werden So fordert die Norm f r das Grenzstreuen einen maximalen Verlust von 0 3 zwischen der Begrenzungslinie und der D ngegrenze 1 Eine typische Anwendung hierf r ist das Streuen entlang von Oberfl chengew ssern Die EN 13739 liefert auch Bewertungsverfahren f r das Grenzstreuen welches in seiner Komplexit t das Streuen im Feld bei Weitem bersteigt und daher nicht allein mit z B dem Variationskoeffizienten beschrieben werden kann Dazu werden weitere Kriterien f r die bergangsbreite 3 und die Randbreite 10 a
86. e und Pumpenantriebswelle deutlich sinken In noch st rkerem Ma e gilt dies f r falsch abgel ngte Gelenkwellen die beispielsweise beim Durchfahren von Mulden nicht weiter zusammenschiebbar sind und dann erhebliche Sch den hervorrufen Die elektrische Leistungs bertragung entlastet also zusammenfassend den Fahrer von berwachungsfunktionen vor allem am Vorgewende aber auch beim Trans port 7 3 2 Bef llen Ein Aspekt der Pumpenwahl war die Reduzierung der Bef llzeiten Die am Proto typ verbaute Pumpe erreicht bei Drehzahlen von 5500 1 min und einem Druck bis Ergebnisse 117 1 4 bar noch ihren maximalen Volumenstrom von 530 l min Dies gilt allerdings auch schon bei Drehzahlen von 5000 l min 97 Die Leistungsaufnahme in diesem Betriebspunkt betr gt 10 1 kW welche vom ausgew hlten Motor mit einer Nenn leistung von 6 34 kW nur im berlastbereich erreicht wird 99 Der berlastfaktor betr gt 1 6 und die Spritze kann innerhalb von 7 5 min vollst ndig bef llt werden Der Generator kann diese Leistung bei unterer Leerlaufdrehzahl nur knapp errei chen eine Dieselmotordrehzahl von 1000 bis 1200 1 min ist empfehlenswert und reicht aus falls andere Verbraucher nur kleine Leistungen vom Zwischenkreis ab nehmen Soll die maximale F rderleistung der serienm igen Kolbenmembranpumpe erreicht werden muss die Drehzahl des Dieselmotors zum Erreichen von 540 1 min an der Zapfwelle mindestens 936 1 min betragen Dieser Wert gilt nur
87. e und auch kein mechanischer Abtrieb mehr zur Verf gung steht wurde das R hrwerk ebenfalls auf elektrischen Antrieb umger s tet Dies wurde mittels eines 12 V DC Motors erreicht der ber die ISOBUS Steckdose mit Leistung versorgt wird und es ferner erm glicht das R hrwerk bei geschlossenen Schiebern automatisch abzuschalten 74 D ngerstreuer a Bild 31 Einbauraum Scheibenantrieb am Rauch Axis EDR Blick von unten Pflanzenschutzspritze 75 5 PFLANZENSCHUTZSPRITZE 5 1 Einf hrung Pflanzenschutzspritzen kommen wie viele andere Ger te auch in verschiedenen Bauformen zum Einsatz Dabei dominieren derzeit die angeh ngten Ger te vor den angebauten Spritzen und den Selbstfahrern W hrend die Anbauspritzen hn liche Problemstellungen wie die angebauten D ngerstreuer aufweisen in erster Linie ist hier erneut das Ankoppeln zu nennen haben die Anh ngespritzen noch weitere wichtige Vorz ge Hervorzuheben sind hierbei die gr eren Tankvolumi na gr eren Gest ngebreiten auf Grund besserer Klappbarkeit und auch bessere Verteilgenauigkeit da die Gest nge durch das ruhigere Fahrverhalten weniger Schwingungen ausgesetzt werden 88 So erreichen Gest nge von Anh ngefeld spritzen bei gleicher Fahrgeschwindigkeit von 6 km h in 12m Abstand von der Gest ngemitte in der L ngsverteilung hnliche Variationskoeffizienten wie Anbau feldspritzengest nge in nur etwa 2m Abstand von der Gest ngemitte 89 Als Summe all di
88. ebracht werden Die im Modell verwendeten Druckabf lle sind in Tabelle 13 zusammengestellt In der Anschlussart Power Beyond f llt die Regeldruckdifferenz des Ger tes weg der Druckabfall in Leitungen und Kupplern wird von der Pumpenregeldruckdifferenz mitgetragen und schlie lich wird der Druckabfall im R cklauf verringert da dieser direkt statt Uber ein Ventil in den Tank zur ckl uft 72 D ngerstreuer Tabelle 13 Regeldruckdifferenzen und Druckabf lle f r die Anschlussarten Steuerger t Power Beyond Regeldruckdifferenz Pumpenregler 25 bar 25 bar Regeldruckdifferenz Ger t 20 bar Druckabfall in Leitungen und Kupplern 3 bar Druckabfall im R cklauf 10 bar 5bar 4 2 3 Elektrisch angetriebener D ngerstreuer Als Vorlage f r das Modell des elektrisch angetriebenen D ngerstreuers dient ein Prototyp eines Axis EDR 30 1 der gemeinsam mit der Firma Rauch entwickelt wurde Dieser basiert auf einem mechanischen D ngerstreuer des Typs Axis wo bei der mechanische Antriebsstrang durch zwei elektrische Antriebe ersetzt wur de Hierbei handelt es sich um industrielle Getriebemotoren deren technische Da ten aus Tabelle 14 entnommen werden k nnen Tabelle 14 Technische Daten elektrischer Scheibenantrieb 87 SEW KF37 CM90S Alle Werte f r S1 Betrieb Nennspannung 400 V Dauerstillstandsstrom 11 1A Nenndrehzahl 4500 1 min Nennmoment 11 Nm Getriebebauform Kegelr
89. ebt f llt dieser Faktor noch st rker ins Gewicht da da mit die Kosten f r den gesamten Antriebsstrang weiter steigen d rften Soll der Traktor zuk nftig in Konkurrenz zu den selbstfahrenden und spezialisierten Ar beitsmaschinen bestehen muss das Traktor Ger te System auch auf der Steue rungs und damit auch auf der Kommunikationsebene so vernetzt sein dass es in Hinblick auf seine Funktionalit t von einem Selbstfahrer nicht zu unterscheiden ist Elektrische Antriebe k nnen hierzu einen erheblichen Beitrag leisten 8 2 D ngerstreuer Der elektrische Antriebsstrang weist bei einer mittleren Belastung einen Wir kungsgrad von ca 69 auf Hierbei wurde allerdings die f r den elektrischen L f ter und das Bordnetz ben tigte elektrische Leistung vom Generator ber den Ge neratorumrichter mit gedeckt was den Wirkungsgrad um ca 10 gegen ber der alleinigen Versorgung des Streuers erh ht da der Generator durch diese Last in einem Bereich besseren Wirkungsgrades betrieben wird Die Verl ufe am realen System weisen auf Grund der ber die Dieselmotordreh zahl variierenden Fahrgetriebeverluste einen leicht abweichenden Verlauf auf Da entsprechende vollst ndige Messdaten fehlen wurde im Modell ber den gesam ten Eingangsdrehzahlbereich f r das Fahrgetriebe eine konstante Verlustleistung angenommen Da die reale Verlustleistung mit sinkender Eingangsdrehzahl f llt m ssten die Verbr uche mit abnehmender Dieselmotordrehzahl st
90. eg Behalten N Paramete laden N Stecker gesteckt Parameter Aktivierung abwarten Bild 13 Flussdiagramm zur Schnittstellenbedienung Wie in 3 2 2 beschrieben w re jedoch eine automatische Identifizierung von so wohl Ger t als auch Last durchaus w nschenswert Unter dieser Voraussetzung kann Bild 13 zu Bild 14 vereinfacht werden Traktor 41 Identifikation Umrichter parametrieren Stecker gesteckt Steckdose Koppelungs einstellung Aktivierung abwarten Bild 14 Durch Identifikation vereinfachtes Flussdiagramm zur Schnittstellenbe dienung 3 3 Entwurf f r ein Leistungs bertragungssystem Es wurde stets davon ausgegangen dass die Leistungs bertragung zwischen Traktor und Ger t ber eine Trennstelle verf gt Dies ist unter Ber cksichtigung der Eingangs erw hnten Rekonfigurierbarkeit des Traktor Ger te Systems auch ge Traktor zwingend erforderlich Es soll im Folgenden daher er rtert werden welche Anfor derungen an eine solche Schnittstelle zu stellen sind Als bestimmende Gr e bei der Dimensionierung eines Steckverbinders wird zu n chst die Stromtragf higkeit herangezogen Diese bestimmt ma geblich die Gr e der Kontaktelemente wohingegen die gew hlte Maximalspannung deren Abstand und somit Form und Dimensionen des Kontakttr gers definiert Betrachtet man die in der Vergangenheit bliche Kategorisierung nach Leistung bei den H
91. en ausgeweitet werden Tabelle 4 zeigt diese Eintei lung Tabelle 4 Mobile Arbeitsmaschinen mit stufenlosen Fahrantrieben ver ndert nach 53 Hauptfunktion Zug Schubkr fte erzeugen Fahrzeug bewegen e Standardtraktoren e Erntemaschinen e Erdbewegungsmaschinen e Kleintraktoren e Pistenraupen e Maschinentrager e Flugzeugschlepper e Kommunalfahrzeuge e Stapler e StraBenwalzen Auf Grund der hohen Spreizung die f r Traktorgetriebe notwendig ist um sowohl hohe Zugkr fte als auch hohe Fahrgeschwindigkeiten abdecken zu k nnen scheinen die leistungsverzweigten Varianten vorteilhafter Hinzu kommt dass di rekte hydraulische Getriebe nach wie vor zu verlustreich sind 53 Eine Sonderpo sition nehmen dabei die Kleintraktoren ein da diese h ufig zum Antreiben von Arbeitsger ten verwendet werden Insbesondere gilt dies f r den Wein oder Obstbau in Europa Abweichend von 53 werden sie hier deshalb der Hauptfunk tion Fahrzeug bewegen zugeteilt Abgesehen von den Kleintraktoren haben sich auf diesem Bereich direkte hydraulische Antriebe auch wegen des hohen Kom forts schon etabliert Es kann also davon ausgegangen werden dass elektrische Antriebe mit einem h heren Wirkungsgrad hier ebenfalls gute Erfolgsaussichten haben d rften hnlich ist die Situation bei Selbstfahrern zu bewerten Dort wer den heute vor allem direkte hydraulische Antriebe verwendet da stufenloser Fahr antrieb und aufgel ste
92. endigen Leis tung einer solchen Notstromversorgung Die Firma CNH stellte auf der Agritechnica 2005 einen Prototyp eines elektrisch mechanisch leistungsverzweigten Traktors vor Besonders interessant an diesem Konzept ist der Verweis auf einen kurzfristigen Betrieb ohne Verbrennungsmotor aus einer Batterie Es handelt sich daher um einen echten Hybriden gem der Definition aus 34 Im Rahmen der SIMA 2009 wurde ebenfalls von CNH ein brennstoffzellenbetriebener Traktor mit einzelnen elektrischen Direktantrieben f r Achsantrieb und Zapfwelle vorgestellt 60 Auf der Agritechnica 2009 zeigte Bela rus erstmals einen Traktor mit seriellem dieselelektrischen Antrieb einem elekt risch angetriebenen Hauptl fter und einer elektrischen Frontzapfwelle F r diesen Traktor werden auch Einheiten zur Bereitstellung von Spannungsqualitaten hn lich dem ffentlichen Stromnetz angeboten 61 Stand von Forschung und Entwicklung 21 2 3 Reifen Boden Kontakt Dem Reifen Boden Kontakt kommt beim Einsatz von Traktoren gro e Bedeutung zu Er ist einer der bestimmenden Faktoren f r den Energieverbrauch w hrend des Maschineneinsatzes Daher soll an dieser Stelle gesondert auf ihn eingegan gen werden Unterschieden werden m ssen zun chst die Radumfangskraft und die Triebkraft Diese durchlaufen die in Bild 6 gezeigten Zust nde vom gebrems ten gezogenen Rad bis zum ziehenden angetrieben Rad Dargestellt ber dem Schlupf o wird dabei der Ver
93. enennen Die Entschei dung f r eine Regelstruktur bedarf einer fallweisen Analyse der Anforderungen an Regeldynamik Anlaufverhalten Regelung um die Drehzahl Null herum und vieler weiterer mehr 2 2 2 Elektrische Antriebe in Fahrzeugen 2 2 2 1 Definitionen Im Zusammenhang mit elektrischen Antrieben im Fahrzeug wird h ufig das Wort Hybrid verwendet Dabei handelt es sich nach der Definition von NOREIKAT 34 um ein Fahrzeug das zwei Energiewandler zum Beispiel Verbrennungsmotor und elektrische Maschinen und zwei Energiespeicher zum Beispiel Kraftstofftank und Akkumulator beinhaltet Wird der Energiespeicher Batterie weggelassen entste hen Antriebe in denen der elektrische Teil der Erzeugung eines stufenlosen An triebs dient Grunds tzlich sind alle in Bild 5 gezeigten Varianten mit Ausnahme des Parallelhybrids auf diese Weise in elektrische Antriebsstr nge verwandelbar 16 Stand von Forschung und Entwicklung Paralleler Hybridantrieb Paralle Hybrid System Kombinierter Hybridantrieb Combined Hybrid System H I Batte battery Tai Verbrennungs eS motor fuel tank aighi IC engin Getriobe Tank ue tas trans mission Verbrennungs motor IC engine Generator Elektromotor Batterie Elektromotor battery electric motor Serieller Hybeklantriebr Leistungsverzweigter Hybridantrieb S Series Hybrid System Power split Hybrid System 2 8 ZS
94. er Mischstrom nicht zur ckgestellt w rde Auch die Reglerstruktur verbietet die ses Prinzip Dies l sst sich aus der physischen Anordnung der Komponenten wie folgt begr nden im Mischzweig befinden sich manuell bediente Wegeventile zur Auswahl von Mischen sowie Bef llen Reinigen und Einsp len Der f r die Rege lung des Mischvolumenstroms ben tigte Durchflusssensor soll aber unmittelbar vor den Mischd sen angebracht werden da nur auf diese Weise ein geregelter Mischstrom sichergestellt werden kann z B auch dann wenn ein Wegeventil falsch eingestellt wurde Es besteht so auch die M glichkeit mittels einer Plausibi lit tspr fung fehlerhafte Einstellungen zu erkennen Wird in dieser Konfiguration ein Wegeventil nun aber bewusst auf Bef llen gestellt misst der Durchflusssensor keinen Volumenstrom mehr wodurch die Regelschleife unterbrochen ist Es ist folglich aus ergonomischen wie regelungstechnischen Gr nden sinnvoll eine Fall unterscheidung nach Bef llen und Reinigen sowie allen anderen Betriebszust n den vorzunehmen In der ersten Implementierungsphase wird dies durch eine Ein gabe des Anwenders realisiert 5 3 4 1 Bef llen und Reinigen Der Bef llvorgang soll in minimaler Zeit erm glicht werden was eine Maximierung der F rderleistung erfordert Dies gilt sinngem auch f r den mit der Bef llung einhergehenden Vorgang des Einsp lens des Wirkmittels wobei hier ein geson dertes Augenmerk auf die Vermeidung von Sc
95. er im Volu 92 Pflanzenschutzspritze menstrom im Mischzweig ist f r die Funktion jedoch unerheblich Zum Zeitpunkt C erreicht das Gespann nun die gew nschte Fahrgeschwindigkeit alle Ventile und die Pumpendrehzahl verharren am eingeregelten Wert Bei konstanter Fahrge schwindigkeit wird zum Zeitpunkt D eine Teilbreite abgeschaltet der ben tigte Vo lumenstrom im Spritzzweig sinkt worauf die Regelung mit einer Drehzahlverringe rung an der Pumpe reagiert Bei klassischen Systemen w rde an dieser Stelle das Ventil des Mischzweiges ge ffnet um den bersch ssigen Volumenstrom abzu f hren da die Regelung keinen Einfluss auf die Pumpendrehzahl hat Auch hier wirkt sich das Totband um den Durchmischungssollwert verz gernd auf den Vo lumenstrom aus hilft dadurch aber auch zusammen mit der Kreiselpumpe siehe hierzu Kapitel 5 3 3 durch das Teilbreitenabschalten auftretende Druckst e zu bed mpfen Die abgeschaltete Teilbreite wird zum Zeitpunkt E schlie lich wieder zugeschaltet der ben tigte Volumenstrom steigt worauf die Regelung analog zu der Fahrgeschwindigkeitserh hung zwischen Zeitpunkt B und C reagiert Unter Ber cksichtigung von precision farming Aspekten steigen die Anforderungen an die Regeldynamik da hier w hrend der berfahrt zum Beispiel der schwan kenden Unkrautbesatzdichte Rechnung getragen werden muss F r praxis bliche Spritzen konnte WARTENBERG nachweisen dass die Nachf hrung des Istwertes der Aus
96. erbracht werden um das System in einem quasistatischen Zu stand zu halten Ein solcher Zustand kann beispielsweise eine unbeschleunigte Fahrt mit konstanter Ausbringmenge eines homogenen Gutes sein Zu diesen Einfl ssen kommen weitere je nach Umst nden erhebliche Einfl sse hinzu Zu nennen sind hier die Umgebungstemperatur welche die aufzubringende K hlleistung stark beeinflusst der F llstand des falls nicht identisch Schmier und Hydraulik les im Getriebe falls dessen Geh use auch als lbeh lter dient und letztlich auch die Neigung des Getriebes wodurch erh hte Planschverluste an nun eintauchenden rotierenden Bauteilen hervorgerufen werden k nnen Hinzu kommen eventuell angeschlossene hydraulische Leistungsabnehmer All diese werden in ihrem Leistungsbedarf wiederum von der ltemperatur beeinflusst und beeinflussen diese und damit wiederum den K hlbedarf am Hydraulikk hler die Traktor 49 ser die ben tigte L fterleistung usw Auf Grund der Vielzahl an Interdependenzen wird im nun Folgenden ein Modell verwendet das davon ausgeht dass manche dieser m glichen Einfl sse konstant bleiben z B Umgebungstemperatur lf ll stand und f r alle Antriebsarten gleicherma en gelten Andere z B Neigung des Getriebes werden auf Grund ihrer geringen Bedeutung im durchschnittlichen An wendungsfall vernachl ssigt 3 4 2 Grundsatzlicher Aufbau des Modells Der grunds tzliche Aufbau des Modells folgt dem in Bild 16 d
97. erden ob eine potentielle Bauraumverringerung durch bessere Integra tion von Pumpe und Motor zur Vergr erung des Motors verwendet werden sollte Wichtigste Determinante ist dabei der maximale Betriebspunkt da unter Verwen dung eines Tankwagens ann hernd ein Dauerbetrieb der Spritze erreicht werden kann Dahingegen erfolgt der Bef llvorgang mittels der Spritzenpumpe zwangsl u fig im abs tzigen Betrieb Somit spielt die Tankgr e lediglich eine nachrangige Rolle All dies gilt bis zu Gest ngebreiten von 28 m Bei gr eren Gest ngebreiten liegen mehr Betriebspunkte au erhalb des S1 Betriebs wodurch ein leistungs st rkerer Motor zwingend erforderlich wird Aus Sicht der Produktentwicklung wirft dies die Frage nach einer sinnvollen Leistungsstufung auf Bez glich des Regelsystems kann festgehalten werden dass im Mischzweig auch ein Drucksensor statt eines Durchflussmengensensors eingesetzt werden k nnte Da sich hier die Anlagenkennlinie nicht ndert kann eine Kalibrierung ausreichen der Genauigkeit an die geringere Anforderungen als an die im Spritzzweig ge stellt werden erreicht werden Bauartbedingt sollten Drucksensoren kosteng ns tiger und robuster als Durchflussgeber sein Soll die Ortsaufl sung gesteigert wer den ist es m glicherweise erforderlich das Konzept der sensorlosen Ventilrege lung wie es hier implementiert wurde zu verlassen In diesem Falle w ren Positi onssensoren an den Kugelventilen eine M g
98. ergleichbarem Kraftaufwand f r den Bediener eine erhebliche Komfortsteigerung zu verzeichnen insbesondere auch wegen der nicht auftreten den Leckage Der Blick in die Praxis offenbart zus tzlich dass an den hydrauli schen Schnellkupplern durchaus Konstellationen entstehen in denen ein Stecken erheblich erschwert oder sogar unm glich ist Es kommt daher auch immer wieder zu Sch den an hydraulischen Komponenten da Schnellkuppler nur scheinbar 2 Traktor verbunden sind Geschieht dies bei R cklaufleitungen kann eine Beaufschlagung mit Druck zu Sch den z B an Dichtungen von Hydraulikmotoren f hren Diese Situation kann beim elektrischen Steckverbinder ausgeschlossen werden Selbst wenn Plus und Minuspol getrennt angeschlossen werden sollen und einer der beiden nicht verbunden ist kann kein Strom quivalent zum Druck im hydrauli schen System flie en Auch das Anlegen von Spannung an nur einem Pol f hrt erst bei sehr hohen Spannungen zum berschlag da der Isolationswiderstand zur Masse aus Sicherheitsgr nden ohnehin u erst hoch gew hlt wird Besondere Bedeutung muss den erheblichen Anforderungen bez glich der Un empfindlichkeit gegen ber Verschmutzung und der Dichtigkeit gegen ber Feuch tigkeit beigemessen werden Ebenso ist eine korrosionsunempfindliche Konstruk tion dringend erforderlich Bei all diesen Forderungen handelt es sich allerdings nicht um eine alleinige Anforderung an Dichtungen sondern auch an das Kontak
99. es Beispiel verdeutlicht dies das Auswechseln von verschiedenen Schaufeln und auch Mei eln an Baggern ist durchaus blich Vergleicht man dies mit dem landwirtschaftlichen Traktor so ist der naheliegendste Vergleich der Frontlader mit seinen austauschbaren Werkzeugen Jedoch ist bereits der Frontlader an sich am Traktor austauschbar der selbe Traktor kann zu einem anderen Zeitpunkt ein Bo denbearbeitungsger t eine S maschine oder einen Anh nger ziehen und oder antreiben Diese Rekonfigurierbarkeit kommt in hnlicher Form h chstens noch in 2 Einleitung der Kommunaltechnik vor In dieser werden allerdings auch h ufig Traktoren ein gesetzt und man kann davon ausgehen dass die Rekonfigurierbarkeit ein zumin dest f r den Fahrzeugbereich einzigartiges Charakteristikum darstellt 1 2 Problemstellung Die Entwicklung der europ ischen Landwirtschaft nach dem zweiten Weltkrieg verlief im Wesentlichen parallel zu der anderer industrialisierter Regionen der Welt Bei schrumpfender Anzahl der Betriebe und der in der Landwirtschaft Be sch ftigten bei gleichzeitig steigenden Bev lkerungszahlen musste die Produktivi t t erheblich gesteigert werden Fortschritte in der Pflanzenzucht und im Pflanzen schutz sowie der Fortschritt in der tierischen Nahrungsmittelproduktion seien hier nur am Rand erw hnt F r die Landtechnik ist als wichtigstes Resultat festzuhal ten dass es einen stetigen Trend hin zu Maschinen h herer Schlagkraft gibt
100. eser Punkte kann festgehalten werden dass Anh ngefeldspritzen eine deutlich erh hte Schlagkraft aufweisen und in Zukunft weiter an Marktanteil gewinnen d rften Allen Bauarten gemein ist dass die Fahrgeschwindigkeit in der Anwendung 20 um den Mittelwert schwankt 4 weshalb zum Erreichen einer hohen Verteilgenauigkeit eine Ausbringmengenregelung eigentlich unumg nglich aber noch nicht fl chendeckend eingef hrt ist 5 2 Entwicklungsziele f r einen elektrischen Pumpenantrieb Die hier zu erarbeitenden Vorteile die eine Feldspritze mit elektrischem Pumpen antrieb aufweist gelten prinzipiell auch f r einen hydraulischen Pumpenantrieb Wie jedoch schon der Vergleich der D ngerstreuer Antriebe gezeigt hat sind hyd raulische Antriebe im Wirkungsgrad den elektrischen v a beim in diesen Anwen dungen vorkommenden breiten Lastspektrum unterlegen Da keine qualitativ un terschiedlichen Ergebnisse bez glich des Kraftstoffverbrauchs zu erwarten sind wird daher auf dessen Betrachtung verzichtet Zus tzlich ist in der Anwendung f r den Pumpenantrieb der Feldspritze ein Antrieb mit hoher Regelg te der Drehzahl w nschenswert Auf Grund dessen werden im Folgenden die hydraulischen An triebe nicht weiter verfolgt 76 Pflanzenschutzspritze Es ergeben sich somit folgende Entwicklungsziele e ErschlieBen von Vorteilen in der Maschinenkonstruktion e ErschlieBen von Vorteilen in der Anwendung o Kostensenkung durch Betriebsmitteleinsparung
101. euer Diskussion 127 Tabelle 27 Vergleich der verschiedenen Antriebsarten f r einen D ngerstreuer gut o nur mit zus tzlichen Komponenten schlecht Mechanisch Hydraulisch Elektrisch Wirkungsgrad s Stufenlosigkeit Grenz und Randstreuen o Keilstreuen Ausbringmengenregelung o 0 8 3 Feldspritze Beim aufgebauten Prototyp handelt es sich um einen Umbau einer serienm igen Maschine Es war daher nicht m glich das konstruktive Optimierungspotenzial hinsichtlich der Deichsel und der gest ngenahen Positionierung der Pumpe und aller Armaturen voll auszusch pfen Dennoch konnten die theoretisch erarbeiteten konstruktiven Vorteile in der Praxis belegt werden Die Versuche mit der elektrisch angetriebenen Feldspritze haben dar ber hinaus gezeigt dass die Anbringung des Motor Pumpen Moduls am Fahrzeugrahmen aus Gr nden der Ger uschentwicklung noch nicht optimal ist Die starre Anbin dung an den Rahmen sollte durch eine schalld mmende Aufh ngung z B Silentbuchsen ersetzt werden damit die bei hohen Betriebsdrehzahlen entste henden Schwingungen weniger stark auf das Fahrzeug bertragen werden Unwuchten die zur Ger uschentwicklung beitragen lie en sich ferner auch durch eine h her integrierte Bauform von Pumpe und Motor in Form eines direkt am Mo tor angeflanschten Pumpengeh uses mit einem direkt auf der Motorwelle montier ten Pumpenrad verringern w
102. euer 67 Normalstreuf cher Feldgrenze Grenzstreuf cher Normal spread pattern Field border Border spread pattern 3 Iq optimale i Ausschaltlinie ae Optimum switch f off line Vorgewende Headland j p P 2 optimale A eee aft EA Ce Einschaltlinie j j d Optimum switch on line Fahrgassen Fahrgassen Tramline Tramline Bild 27 berlagerung von Streuf chern im Vorgewende 83 In allen F llen ist jedoch f r eine exakte Ausbringung die Soll Drehzahl der Schei ben so pr zise wie irgend m glich einzuhalten insbesondere auch dann wenn sich die Zapfwellendrehzahl auf Grund anderer Einfl sse ver ndert Aus den vor stehenden Gr nden konnten sich hydraulisch angetriebene D ngerstreuer neben der mechanischen Variante im Markt etablieren Elektrische Antriebe mit ihrer stu fenlosen Verstellbarkeit und guten Regelbarkeit bieten beste Voraussetzungen um mit den hydraulischen Antrieben in Konkurrenz zu treten zumal ein besserer Wirkungsgrad des Antriebs vermutet werden kann Da der ausgebrachte D nger ein Vielfaches des Wertes des Ausbringger tes darstellt ist eine einfache Bedien barkeit beim D ngerstreuer zwingend erforderlich um eine konomisch wie ko logisch optimale D ngerausbringung zu erm glichen 80 Im gleichen Kontext m ssen hohe Anforderungen an die Regelg te gestellt werden Ein weiterer Vorteil des elektrischen Antriebs ergibt sich durch die einfache Im plementierung einer Drehmomentmess
103. forderliche Volumenstrom den maximal von der Pumpe f rderbaren Volumenstrom bersteigt und keine Drehzahlerh hung mehr m glich ist muss eine Pumpe mit gr erem Volumenstrom oder aber mehr als eine Pumpe einge setzt werden H ufig werden bei Gro ger ten daher eine Pumpe zur Versorgung der D sen und eine weitere Pumpe f r das R hrwerk eingesetzt 93 Gleichzeitig muss die Pumpe entlang der Anlagenkennlinie ausreichend Druck bei gegebenem Volumenstrom bereitstellen Die Anlagenkennlinie basiert auf der Bernoulli Gleichung und berechnet sich nach Gleichung 23 Sie beschreibt die von der Pumpe zu erbringende F rderh he der Anlage Ha die die Summe der statischen und dynamischen F rderh hen Hstat und Hayn ist H H H Anl stat dyn g geo 28 23 Die statische F rderh he ist volumenstromunabh ngig und wird beschrieben durch die ersten beiden Summanden wobei pa und pe die Dr cke an Aus und Eingang der Anlage p die Dichte g die Erdbeschleunigung und Hgeo die geod ti sche H hendifferenz darstellt Die dynamische F rderh he wird beeinflusst von den Str mungsgeschwindigkeiten c und ce sowie den saug und druckseitigen F rderh henverlusten Hys und Hyp 5 2 2 4 Reinigen Der Reinigung von Feldspritzen kommt unter dem Aspekt der Verhinderung des Eintrags von Spritzmitteln in Oberfl chengew sser oder auch die Kanalisation ei ne erhebliche Bedeutung zu Aus diesem Grund werden die Anwender durch 90 da
104. g 1998 VDI Bericht Nr 1449 1998 S 1 6 Tarasinski N J Sobotzik M Reinards und B Kneer Fahrzeugachssys tem Schubrohr Fahrzeugachse und Fahrzeug Internationale Anmel dung WO 2005 042283 A1 2005 Renius K Th Hydrostatische Fahrantriebe f r mobile Arbeitsmaschinen Tagungsband VDI Tagung Antriebssysteme f r Off Road Eins tze Gar ching 2003 VDI Berichte Nr 1793 2003 S 65 78 Bernhard B H D Kutzbach und M Schreiber Vergleich elektrischer und hydraulischer Fahrantriebe f r M hdrescher Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Dresden 2004 VDI Berichte Nr 1855 2004 S 211 219 Gallmeier M and H Auernhammer Assessment of powertrains for use in mobile applications based on stationary and dynamic efficiency test Ta gungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Hannover 2007 VDI Berichte Nr 2001 2007 S 115 120 Gallmeier M Elektrische Baugruppenantriebe eine Alternative zur Hydraulik Landtechnik 62 2007 Sonderheft S 266 267 150 57 8 59 60 61 62 63 64 65 66 Literatur Aumer W M Lindner M Gei ler T Herlitzius und G Bernhardt Kon zeptioneller Vergleich von elektrischen und hydrostatischen Fahrantrie ben im M hdrescher Landtechnik 63 2008 H 2 S 88 89 Barrington S D Choiniere S Clarke C Vigneault and P Nieuwenhof Computing electrical entrance and standby power units size for agro food enterprises Proceedings of
105. ge Erh hung des Mo ments am kurveninneren Anh ngerrad bei gleichzeitiger Verminderung des Mo ments am kurven u eren Rad Hierdurch entsteht eine zus tzliche Querkraftkom ponente am Anh ngepunkt die ein lenkunterst tzendes Moment erzeugen w rde Hierbei ist jedoch ein Untersteuern des Traktors zu vermeiden Diese M glichkeit 138 Ausblick der Erzeugung eines Moments um die z Achse des Anh ngers erscheint also eher zur Stabilisierung bei Geradeausfahrt z B um einem Schlingern des Anh ngers entgegen zu wirken sinnvoll Soll einem Schlingern des Anh ngers entgegenge wirkt werden so k nnte bei gleichzeitigem Bremsen des einen und Beschleunigen des anderen Rades bei Verwendung eines elektrischen Antriebs ein besonderer Vorteil zum Tragen kommen ber den Gleichspannungszwischenkreis kann die Bremsleistung des verz gernden Rades vermindert um die Umrichter und Moto renwirkungsgrade dem zu beschleunigendem Radantrieb zur Verf gung gestellt werden Dadurch lie e sich eine ann hernd energieneutrale Fahrdynamikregelung realisieren Einen weiteren interessanten Aspekt stellt der Bereich des Bremsmanagements dar Damit kann besonders dem gef rchteten jack knifing entgegen gewirkt wer den Dabei schiebt der zu gering oder gar nicht gebremste Anh nger den Traktor ins bersteuern wodurch u erst gef hrliche Fahrsituationen entstehen k nnen Bei Traktoren mit stufenlosen Getrieben ist diese Gefahr besonders hoch 130 ei
106. ger Gespann in der Simulation Parameter Wert Traktormasse 6 3 t Anhangermasse 22 t Allradantrieb am Traktor eingeschaltet Als Erweiterung wird eine Grenze der maximal vom Anh nger bertragbaren Triebkraft Tann max eingef hrt Um diese festlegen zu k nnen wurden folgende berlegungen angestellt Zum einen nimmt die Steigung der Triebkraftbeiwert Schlupf Kurven ber ihren gesamten Verlauf ab besonders flach wird sie jedoch im Bereich gr eren Schlupfes Zum anderen soll aus Gr nden der Bodenscho nung der Schlupf nicht mehr als 20 betragen Ausgehend von der Darstellung in Bild 8 wird der maximale Wert f r den Grenz schlupf auf 100 f r alle Untergr nde au er Asphalt festgelegt f r Asphalt sei die ser Wert 50 Hieraus ergeben sich f r die unterschiedlichen Kraftschlussbedin gungen als maximaler Triebkraftbeiwert der Anh ngerbereifung Kanh max bei dem sich ein Schlupf der angetriebenen Anh ngerr der ann einstellt die Werte in Ta belle 26 Tabelle 26 Maximale Triebkraftbeiwerte und dabei entstehender Schlupf der angetriebenen Anh ngerachse Reifen Boden Kontakt o max K Anh max OAnh Schlecht 100 0 2378 20 101 Mittel 100 0 3805 23 0413 Gut 100 0 5085 22 8577 Asphalt 50 0 7007 10 9908 120 Ergebnisse Insbesondere die drei Klassen im Off Road Bereich zeigen dass durch die Wahl des Grenzschlupfes gleichzeitig die Forderung nach Bodenschonung erf llt wer
107. ges von 27 m betr gt dieser Wert immerhin noch 13 5 Ergebnisse 115 Das folgende Bild 49 zeigt die teilweise virtuelle Anordnung der genannten Bau teile und verdeutlicht deren Lage zu einander Ventilgruppe Kolbenmembranpumpe Kreiselpumpe Bild 49 Platzierung wichtiger Baugruppen an einer Spritze John Deere 840 Auf Grund der ver nderten Pumpenposition kann beim Prototyp auch eine einfa chere Deichsel eingesetzt werden Diese ist konstruktiv deutlich weniger aufwen dig und schmaler wodurch engere Wendekreise m glich sind Bild 50 zeigt dass unter Praxisbedingungen Einschlagwinkel bis 50 m glich sind Solche gro en Einschlagwinkel k nnen mit Weitwinkelgelenkwellen abgedeckt werden je nach Abstand zwischen Anh ngepunkt und Drehpunkt der Gelenkwelle kann aber auch die Gelenkwelle vor der Deichsel mit dem Hinterreifen kollidieren Dar ber hinaus f hrt eine starke Abwinkelung bei drehender Gelenkwelle zu Drehungleichf rmig keiten da eine W oder Z Beuge der Gelenkwelle im Fall der Spritze ann hernd ausgeschlossen ist 116 Ergebnisse Bild 50 Maximaler Einschlagwinkel an der Deichsel der Pflanzenschutzspritze Axialkr fte und Biegemomente an Zapfwelle und Pumpenwelle die bei schlechter Wartung auf Grund hoher Reibung zwischen den Schiebeprofilen auftreten k n nen 3 96 werden mittels der elektrischen Leistungs bertragung ebenfalls aus geschlossen wodurch die Lagerbelastungen an Zapfwellenabtriebswell
108. h Erreichen der neuen 118 Ergebnisse Fahrgeschwindigkeit den Sollwert schwingt aber ber und ist nach insgesamt 5 s wieder vollst ndig auf den neuen Sollwert eingeregelt Anhand des vorgestellten Konzepts konnte gezeigt werden dass die Pumpen drehzahlregelung mit Hilfe eines Elektromotors ein gro es Entwicklungspotenzial in Bezug auf die teilfl chenspezifische Ausbringung er ffnet So kann mit der er reichten Einregelzeit f r den Durchflussmengenfehler von durchschnittlich 2 5 s bei einer Fahrgeschwindigkeit von 8 km h siehe Empfehlung in 90 eine Ortsauf l sung von 5 6 m erreicht werden 7 4 Triebachsanh nger Mit Hilfe der Simulation k nnen f r verschiedene Reifen Boden Kontakte die Ein fl sse der Parameter Nabenmoment an der Anh ngerachse und Steigung auf den Schlupf untersucht werden Bild 51 zeigt dies exemplarisch f r mittleren Reifen Boden Kontakt N NN 190 N P Ke WR EDER 7 Schlupf 07 Bild 51 Darstellung von Schlupf Nabenmoment und Steigung f r mittleren Rei fen Boden Kontakt Ergebnisse 119 Um eine bessere Ablesbarkeit von Schlupf Steigung und Nabenmoment zu ge w hrleisten werden in die zweidimensionalen Schaubilder von Steigung ber Na benmoment Iso Schlupf Linien eingef hrt Die f r alle folgenden Simulationser gebnisse unver nderten Randbedingungen sind in Tabelle 25 aufgef hrt Tabelle 25 Gleichbleibende Randbedingungen f r das Traktor Anh n
109. haumbildung gelegt werden muss Die Maximierung der F rdermenge ist das Resultat aus einer m glichst hohen Pumpendrehzahl wobei Ger uschentwicklungsaspekte zu beachten sind Glei ches gilt f r das Reinigen der Feldspritze Hier spielt die F rderleistung an sich eine untergeordnete Rolle es muss jedoch ausreichend Volumenstrom und Druck zur Verf gung stehen damit beispielsweise die Reinigungsd sen wunschgem arbeiten Wird durch den Anwender die Betriebsart Bef llen und Reinigen gew hlt werden der Misch und der Spritzkreis mittels der Regelventile geschlossen zwingend nur f r Spritzzweig erforderlich und dort auch nur als redundante Absicherung so dass keine Fl ssigkeit an den D sen austreten kann und die Volumenstromrege 90 Pflanzenschutzspritze lung wird in einen Steuerungsmodus berf hrt in dem eine vorher festgelegte Pumpendrehzahl eingeregelt wird 5 3 4 2 Transport Der Transport stellt im Prinzip nur eine Teilmenge des Spritzbetriebes dar da hierbei das Fahrzeug bewegt wird und das R hrwerk l uft Durch die stufenlose Pumpendrehzahlregelung mit Drehzahlbegrenzung sind berdrehzahlen an der Pumpe ausgeschlossen W hrend das Regelventil f r den Spritzkreis geschlossen bleibt wird die Pumpendrehzahl so eingeregelt dass sich der gew nschte Volu menstrom ergibt Die Durchmischung ist folglich unabh ngig von der Drehzahl des Dieselmotors ebenso wie von der Fahrgeschwindigkeit 5 3 4 3 Spritzen
110. he Daten Versuchsfahrzeug Traktor Traktor John Deere 7430 E Premium Baujahr 2006 Motor John Deere PowerTech Plus Diesel 6 Zylinder Rei he 6 81 Hubraum 4 Ventile Zylinder Common Rail Einspritzsystem erf llt Stufe Illa Tier3 Motorleistung Nenn Ma 121 129 kW Standard ximal nach 97 68 EC 147 151 kW mit Intelligent Power Management Getriebe Fahrantrieb Stufenloses Getriebe ZF Eccom Zapfwelle 540E 1000 1000E Hydraulik Verstellbare Axialkolbenpumpe max 110 l min Vo lumenstrom 3 ESCVs Power Beyond Elektrik Kurbelwellengenerator 20kW 3AC L fterantrieb 3AC Antrieb f r A C Kompressor Zwischenkreis spannung 700 V DC 12 V 300 A Bordnetz Gewicht versuchsbereit 8370 kg incl 900 kg Frontballast vollem Tank und hydraulischem Oberlenker Bereifung Vorne Continental Contract AC85 420 85 R30 Hinten Continental Contract AC85 520 85 R42 Der Traktor verf gt dar ber hinaus ber eine vollst ndige ISOBUS Ausr stung 3 5 2 Hinzugef gte Komponenten Dem elektrischen Bordnetz des in Kapitel 3 1 1 beschriebenen Traktors werden gem dem in Kapitel 3 1 2 erarbeiteten Konzept zwei Umrichter sowie alle dar ber hinaus notwendigen Steuerungskomponenten hinzugef gt Alle Komponenten sind untereinander verbunden Kern der Ansteuerung stellt eine Prototyp Steuereinheit Mikrocontroller dar der beiden Umrichtern mittels analoger Soll wertvorgabe Drehzahlen kommandiert Di
111. hine betrachtet wer den Tabelle 16 Tabelle 16 Technische Daten der Pumpenalternativen 95 97 Kolbenmembran Kolbenmembranp Kreiselpum pumpe AR280 umpen 2 x AR280 pe PM9203C Hersteller Annovi Reverberi Annovi Reverberi Hypro Bauraum LxBxH mm 346x409x498 700x409x498 229x198x210 Max F rderdruck bar 20 20 11 7 Max F rdervolumen 282 564 530 l min Max Drehzahl 1 min 550 550 6000 Masse kg 36 75 8 6 Betrachtet man Volumen und Gewicht der zur Wahl stehenden Maschinen wird ersichtlich dass die Kreiselpumpe hier klare Vorteile bietet und allen Anforderun gen an Druck und Volumenstrom gerecht wird da sie bei 6000 1 min und 8 bar F rderdruck etwa 460 l min Volumenstrom bereitstellen kann 97 Auf Grund ihres hohen Drehzahlniveaus eignet sie sich dar ber hinaus auch besser zum Antrieb 88 Pflanzenschutzspritze durch einen Elektromotor ein Getriebe wird nicht ben tigt wodurch sich auch der ben tigte Gesamtbauraum von Pumpe und Antrieb verringert was in Hinblick auf eine f r die Verschlauchung g nstige Positionierung auf der Maschine hilfreich ist Auf Grund der hohen Volumenstr me erf llt sie auch die Forderung nach kurzer Bef llzeit hier liefert nur eine Zwillings Kolbenmembranpumpe vergleichbare Er gebnisse 98 Geringere Anzahl und Komplexit t der Teile sprechen au erdem f r geringere Kosten Kreiselpumpen sich zus tzlich u erst wartungsarm betriebs
112. hlverstel lung Die Drehzahl des Wechselstrommotors wird von der Frequenz der Dreh strom Versorgungsspannung und von der Polpaarzahl bestimmt Die Frequenz ruft ber die versetzten Wicklungen des Stators ein rotierendes Drehfeld hervor dem der Rotor auf Grund von Lagerreibung etc leicht langsamer folgt Die Anzahl der Wicklungen bzw der Polpaare z bestimmt die Drehzahl des Motors n im Ver h ltnis zur Frequenz f des Drehfelds Die Drehzahl l sst sich nach Gleichung 1 berechnen 27 ar 1 Eines Verstellung der Drehzahl l sst sich dem zu folge auch durch einen Stator mit Wicklungen unterschiedlicher Polpaarzahl erreichen Von diesen Wicklungen ist jeweils nur eine in Betrieb Die Polpaarzahl ist jedoch stets ganzzahlig und der Bauraum begrenzt die maximal m gliche Zahl an Wicklungen Dies bedingt eine gestufte Verstellung in gro en Stufen oder einem engen Verstellbereich Eine stu fenlose Verstellung der Drehzahl ber einen weiten Bereich ist somit lediglich ber die Ver nderung der Frequenz praktikabel Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips w re dass ber die Frequenzsteuerung ein langsames Anfahren des Motors er m glicht und somit eine berm ige Belastung des Versorgungsnetzes vermieden wird Soll ein Elektromotor nicht konstant bei einer Drehzahl betrieben und oder hohe Anlaufstr me vermieden werden wird diese Drehzahl bei Schleifringl ufern durch Drosselung oder bei Kurzschlussl ufern durch Zuschalten mechanischer
113. hst in einzelne Teilprozesse unterteilt die dann systematisch auf Verbesserungsm glichkeiten untersucht werden 5 2 2 1 Bef llen Ziel des Bef llvorgangs ist es die Spritzfl ssigkeit also eine Mischung aus Was ser und Wirkmittel herzustellen Dazu wird zun chst der Haupttank der Spritze mit Wasser bef llt Je nach Gegebenheiten wird dieses aus station ren oder mobilen Tanks entnommen sehr h ufig werden dazu zus tzliche Pumpen eingesetzt Eine Bef llung durch Schwerkraft ist meist nicht m glich und w re in der Regel zu zeit aufwendig In manchen F llen kommt auch eine Bef llung aus der regul ren Brauchwasserversorgung in Frage In diesem Fall m ssen aber Vorkehrungen getroffen werden damit das Wirkmittel nicht in Trinkwasserleitungen gelangen Pflanzenschutzspritze 79 kann Auch diese Methode ist in der Regel eher zeitaufwendig Letztlich kann auch Wasser aus Oberfl chengew ssern oder Brunnen mittels der Spritzenpumpe an gesaugt werden Auch hierbei muss ein Zur cklaufen des Wirkmittels technisch ausgeschlossen werden Diese Praxis ist allerdings nach einer Richtlinie des BMVEL zu unterlassen 90 Es kann somit festgehalten werden dass zur Redu zierung der Nebenzeit durch das Bef llen h chste Volumenstr me gew nscht sind Wird dazu die Pumpe auf der Feldspritze selbst verwendet k nnen weitere Pumpen und alle zu ihrem Betrieb notwendigen Installationen die ausschlie lich dem Bef llen dienen eingespart werden
114. htungen findet nach dieser Definition nicht mehr auf Bediener Maschinen Ebene statt sondern bleibt dem Management des landwirtschaftlichen Betriebs berlassen und stellt die unternehmerische Entscheidungsgewalt des Betriebslei ters dar Es wird hierbei bewusst zwischen Effizienz und Produktivit t unterschie den Beiden gemein ist die Bedeutung dass ein vorteilhaftes Verh ltnis von Ein 6 Einleitung satz und Ergebnis beschrieben wird Der Unterschied liegt f r den hier verwende ten Ansatz darin dass die Effizienz eher eine technische Kenngr e darstellt Beispiel hierf r ist der Wirkungsgrad die Produktivit t hingegen eine stark ko nomische Dimension aufweist Der technische Fortschritt erm glicht eine Mehr produktion oder eine Einsparung von Faktoreinsatzmengen er wird aber nur um gesetzt wenn den dadurch entstehenden Kosten ein erh hter Nutzen in der Re gel in Form von Gewinn entgegensteht wenn also der Grenznutzen die Grenz kosten bersteigt Ein Prozess kann nach dieser Definition gleichzeitig durchaus effizient aber nicht produktiv sein In Grenzen ist auch der umgekehrte Fall vor stellbar stellt dann aber eine suboptimale Produktion dar Diese Betrachtungen unterstellen den homo oeconomicus in der Realit t wird der Entscheidungspro zess aber zumindest teilweise vom Streben nach Komfort Prestige oder anderen Werten berdeckt wodurch sich auch konomisch nicht zu rechtfertigende Tech nologien im M
115. ichkeiten k nnen sich jedoch auch in Querrichtung er schlie en da durch das Konzept des Einzelradantriebs Momente um die z Achse des Anh ngers und daraus resultierend Kr fte in y Richtung am Anh ngepunkt erzeugt werden k nnen Zun chst sollen jedoch nur x und z Kr fte betrachtet werden All diese Ergebnisse sollen sp ter Eingang in eine Betriebsstrategie f r die Anh ngerachse finden Zum anderen dient das Simulationsmodell auch zur Auslegung der Antriebskomponenten eines zu entwerfenden Anh ngerantriebs Das Modell stellt einen Gespann aus einem Traktor John Deere 6920 und einem Tandemanhanger HAWE WPS22t in Untenanh ngung dar Es handelt sich hierbei um die Fahrzeuge die auch f r vorbereitende Fahrversuche verwendet wurden 109 Das Modell bietet die M glichkeit zwei der vier Anh ngerr der jeweils ein zeln anzutreiben Dazu kann das abgegebene Moment der Elektromotoren mittels eines Schiebers mit einem Faktor zwischen 2 5 und 2 5 multipliziert werden wo bei bei Faktor 1 das Nennmoment anliegt Somit k nnen die Drehmomente in bei de Richtungen von 0 ber Teillast bis hin zu Uberlast frei variiert werden Das Mo 98 Triebachsanh nger dell bietet jedoch zus tzlich einen Schalter mit dem der komplette Anh ngeran trieb ausgeschaltet werden kann Da der Traktor mit allen ihn bestimmenden Pa rametern als gegeben vorausgesetzt wird ist f r diesen nur das Zu und Abschal ten des Allradantriebs vorgesehen F r den Ant
116. ie starke Interdependenz der einzelnen Parameter macht es un m glich nach dem sonst blichen ceteris paribus nur einen Parameter zu ver n dern und alle anderen beizubehalten Auf Grund dieser Umst nde ist es unprakti kabel den Reifen Boden Kontakt in Abh ngigkeit nur eines Parameters z B der Bodenart darzustellen F r Simulationen werden daher Kategorien gebildet wel che die Art des Reifen Boden Kontaktes nach ihrer Vorteilhaftigkeit bez glich der Zugkraftentwicklung zusammenfassen Auf Basis umfangreicher Untersuchungen stellten STEINKAMPF UND JAHNS Gleichung 5 zur mathematischen Beschreibung der Triebkraftbeiwert Schlupf Kurve auf 63 K atb e 5 Die Parameter a b und c sind abhangig vom Reifen Boden Kontakt Bei SCHREIBER 10 findet sich die um den Parameter d erweiterte Gleichung 6 die auf den Messungen aus 63 aufbaut jedoch durch einen zus tzlichen Parameter die Darstellung eines lokalen Maximums erlaubt Da dieses Maximum jedoch au Berhalb des hier zu betrachtenden Schlupfbereichs liegt wird auf die Verwendung dieser erweiterten Gleichung verzichtet Stand von Forschung und Entwicklung 23 K a b e d o 6 Angelehnt an KUTZBACH 64 werden vier Arten des Reifen Boden Kontaktes defi niert schlecht mittel gut und Asphalt Dies ist notwendig da in sp teren Simulati onen nur zwischen diesen repr sentativen Arten gewechselt werden soll Die zu geh rigen Werte f r a b und c finden sich in Ta
117. iebe zu ersetzen Ziel dieser Entwicklung ist es die am Dieselmotor abgenommene Leistung f r diese Nebenantriebe insbe sondere dann zu reduzieren wenn nicht die volle Antriebsleistung ben tigt wird Dies ist zum Beispiel bei reduziertem K hlungsbedarf auf Grund niedriger Au en 20 Traktor temperaturen oder niedriger Motorauslastung der Fall Bild 10 zeigt das Basissys tem in Form eines Blockschaltbildes EIN f u ae er N S u Umrichter T F ahrzeug Generator Spannungs lt a wandler U O Er N BET 3 Se Fr u Umrichter L f ftermotor lt U fo x 3 J G E Umrichter Kompressor motor Bild 10 Vereinfachtes Blockschaltbild des elektrischen Bordnetzes des John Deere E Premium Zus tzlich zur Verringerung des Leistungsbedarfs der Motornebenaggregate unter bestimmten Bedingungen erm glicht der stufenlose L fterantrieb auch eine Ver nderung der Motorkennlinie hin zu erh hter Leistung im unteren Drehzahlbereich da die M glichkeit der Drehzahlerh hung am L fter bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors das Abf hren der anfallenden Verlustleistung erm glicht Traktor Dies wird durch eine Erh hung und gleichzeitige Verl ngerung des Drehmoment anstieges erreicht Hiervon verspricht man sich in erster Linie eine bessere Be schleunigung im Transport sowie gr eres Durchzugsverm gen bei Feldarbeiten
118. iebsweisen der Schnittstelle zu generischen Bl cken zusammengefasst sind Auch hier bietet sich eine Anlehnung an bereits etablierte Schnittstellen und ihre Bedienstrategien inklusive ISOBUS class 3 Anwendungen an Hierf r kommen sowohl die mechanische Zapfwelle als auch die hydraulischen Schnittstellen Zu satzsteuerger t und Power Beyond in Betracht Tabelle 9 Tabelle 9 Funktionale Ebenen Ebene Bezeichnung Beispiel 1 Steckdose Normmotoren Notstromerzeugung 2 Drehzahleinstellung Stufenlose Zapfwelle hydr Steuerger t 3 Gekoppelte Drehzahl Wegzapfwelle 4 Systemgesteuerte Drehzahl Ger t steuert Traktor 5 Elektrisches Power Beyond Leistungsversorgung komplexer Ger te Ebene 1 beschreibt die einfachste aller vorstellbaren Varianten eine Spannung und Frequenz hnlich dem ffentlichen Netz die zwar zwischen einzelnen L n dern unterschiedlich ist jedoch nicht verstellt werden kann Ein solcher Betriebs modus kann ab Werk l nderspezifisch im Umrichter hinterlegt werden Folgt man den bereits vorhandenen Traktorfunktionen sollte aus Anwendungs sicht ein Verstellen der am Antrieb des Ger tes anliegenden Drehzahl m glich sein Diese Funktion beschreibt Ebene 2 Sie ist analog zu sowohl der Zapfwelle als auch den Zusatzsteuerger ten zu sehen Ebene 3 stellt als zus tzliche Erwei terung das Koppeln der Drehzahl an eine externe Gr e bereit Koppelt man bei spielsweise die Drehzahl am
119. iges Fortschreiten in Hard und Software keinesfalls zwingend erforderlich jedoch wahrscheinlich Analog zu den drei Hauptentwicklungsbereichen wird ein dreistufiges Einf h rungsszenario entworfen welches in den Stufen erweiterter Betrieb automatisierte Abl ufe und Prozessautomatisierung Eingang findet Diese drei Stufen und der mit ihnen verbundene technische Fortschritt dienen wiederum dem Ziel sowohl die Haupt als auch die Nebenzeiten in der landwirtschaftlichen Produktion im Allge meinen jedoch im Besonderen im Maschineneinsatz in der Au enwirtschaft m g lichst effizient zu nutzen Gleiches gilt auch f r die eingesetzten Produktionsmittel und hnliche G ter zu denen z B auch die gesamte Logistikkette gez hlt werden muss Dabei spiegeln die Stufen der Entwicklung die Komplexit t der Aufgaben wieder die dem Bediener dann erleichtert oder gar v llig abgenommen werden Werden gegen ber den drei Entwicklungsstufen die drei Hauptentwicklungsberei che aufgetragen ergibt sich eine Matrix in der in Tabelle 1 beispielhaft einige As pekte der Maschinentechnologie eingetragen sind Einleitung 5 Tabelle 1 Entwicklungsstufen und deren Hauptbereiche Hauptbereiche der Entwicklung Hardware Software Kommunikation Erweiterter Koppelbarkeit Einstellungsvorschl ge Drahtgebundene und Betrieb bertragung der Sicherheitsfunktionen Drahtloskommunikation D Leistung im Nahbereich c Automatisierte Power Manage Ger
120. ils 10 kNm Antriebsmoment aufgebracht sinkt der Schlupf auf ca 11 Wichtig zu bemerken ist dass die gestufte Erscheinung der 100 Schlupf Linie in allen Bildern auf die Schrittweite der Simulation und somit deren Aufl sung zur ckzuf hren ist In Realit t ist auch diese eine Gerade Das Simulationsmodell erf llt somit zwei Funktionen e Gewinnung von Auslegungskriterien f r eine elektrische Triebachse e Entwicklung einer Betriebsstrategie f r das Gespann Die Grenzen des Zielpolygons geben zun chst einen Anhaltspunkt f r eine aus Anwendungssicht ideale Auslegung der Anh ngertriebachse Je nach gew hltem Einsatzspektrum gibt die Tannmav Grenze ein sinnvoller Weise zu installierendes maximales Nabenmoment vor Kann dieses aber z B aus Bauraum oder Kosten gr nden nicht bereitgestellt werden verschiebt sich diese Grenze nach links Mit tels des Simulationsmodells kann ermittelt werden ob eine solche Auslegung den erwarteten Einsatzbedingungen bzgl Bodenzust nden und zu befahrenden Stei gungen noch gerecht wird Das Ziel einer Betriebsstrategie k nnte es sein das Gespann innerhalb des Ziel polygons zu halten Dieses gibt jedoch nur einen Bereich vor Je nach Optimie rungsziel m ssen weitere differenzierte Betrachtungen angestellt werden Soll beispielsweise ein Betriebspunkt minimalen Kraftstoffverbrauchs erreicht werden m ssen weitere Faktoren wie die Wirkungsgrade der einzelnen Antriebsstr nge in die berlegungen mit e
121. in nur unter der Zuhilfenahme von zwei oder mehr mobilen Maschinen durchf hrbar war nun mit einer mobilen Maschine durchgef hrt wird Als Beispiel hierf r kann der in 135 beschriebene Futter mischwagen mit nur einem Traktor verwendet werden da der beim Bef llen not wendige Antrieb der Mischschnecken aus dem Stromnetz statt aus einem weite ren Traktor erfolgt Wo kein Stromnetz vorhanden ist k nnen auch Akkumulatoren als Quelle elektrischer Energie eingesetzt werden wobei hier zun chst vermutlich nur Antriebe niedriger Leistung oder kurzer Einschaltzeit in Frage kommen die ben tigte Energie also begrenzt ist Als Beispiel seien hier das Bef llen eines Spritzwassertanks mittels der mitgef hrten Pumpe oder Kalibrierung von Maschi nen Abdrehproben bei S maschinen Auslitern von Spritzen zu nennen Eine hnliche Situation tritt auch bei arbeitsprozessbezogenen Ger tepr fungen auf bei denen im Gegensatz zu z B arbeitsschutzbezogenen Pr fungen die Maschine im Betrieb getestet werden muss Dieses wird derzeit bei D ngerstreuern auf Grundlage einer Vereinbarung innerhalb der Industrie angestrebt 81 f r Feld spritzen bestehen in Deutschland gesetzliche Regelungen So muss der Hersteller oder Vertreiber bei erstmaliger Markteinf hrung eine Erkl rung nach 825 PflSchG 136 und der Anwender wird in 7 PflSchMGV zu einer erstmaligen Pr fung 6 Monate nach Erstinbetriebnahme und dann wiederkehrend alle 2 Jahre verpflichtet 137 Hie
122. inbezogen werden Es ist allerdings unwahrscheinlich dass nur ein Optimierungsziel vorhanden ist Vor die Wahl zwischen Fortkommen einerseits und Wirtschaftlichkeit und Bodenschonung andererseits gestellt wird der Anwender die Mobilit t bei Transportaufgaben jedoch stets h her bewerten so dass die 20 Schlupf Grenze ebenso in den Hintergrund tritt wie die steigen den Grenzkosten der Schlupfminderung Aus diesem Grund muss das Zielpoly gon in kritischen F llen zumindest kurzfristig verlassen werden k nnen 122 Ergebnisse F r die Entwicklung einer Betriebsstrategie bleibt ferner festzuhalten dass das Zielpolygon nach der oben ausgef hrten Definition f r den Betrieb auf Asphalt nicht geeignet ist da die Triebkraftgrenze des Anh ngers die 0 Schlupf Linie nicht schneidet und im relevanten Bereich ebenso keine 20 Schlupf Grenze vor handen ist Daher muss f r den Betrieb auf Asphalt das Zielpolygon anders defi niert werden Dabei bleibt die 0 Schlupf Grenze bestehen die Triebkraftgrenze f llt weg Da auf Asphalt die Wirtschaftlichkeit in der Regel Vorrang vor der Traktionsverbesserung haben sollte muss als Ersatz f r die 20 Schlupf Grenze eine neue Grenze unter Ber cksichtigung der Wirkungsgrade von Traktorgetriebe und Anh ngerantrieb genauer definiert werden Diskussion 123 8 DISKUSSION 8 1 Traktor Die in Kapitel 3 2 1 beschriebenen funktionalen Ebenen konnten nicht vollst ndig anhand von Anwendung entwicke
123. inzelne Vorteile Traktion Bodenschonung Geringerer Kraftstoffverbrauch H here Fahrgeschwindigkeit Querung schwierigen Gel ndes Nutzung des Multi Pass Effekts Volle Zugkraft auch bei Kurvenfahrt Kein Aufb umen beim Anfahren Aktive Unterst tzung der Kurvenfahrt Verbessertes Fahrverhalten am Seitenhang Verbesserter Fahrkomfort weniger St sse Anti Jack Knifing Zusammenklappen des Zuges beim Bremsen Bodenschonung Mehr Nutzlast bezogen auf Zuggesamtgewicht Breiteres Einsatzspektrum des Traktors Bessere Wendigkeit Geringerer Kraftstoffverbrauch Fahrdynamik Kleinerer Traktor 6 2 Einordnung in das vorgeschlagene Konzept Die Einordnung in eine der funktionalen Ebenen aus Kapitel 3 2 1 ist stark abh n gig von der konkreten Ausf hrung des Triebachsanh ngers Grunds tzlich belegt ein Achsantrieb nur eine elektrische Schnittstelle so dass alle weiteren vorhande nen Schnittstellen f r Arbeitsantriebe zur Verf gung stehen Der Einzelradantrieb ben tigt eine Schnittstelle mehr womit bei einer angenommenen Grundausr s tung des Traktors mit zwei Schnittstellen keine Schnittstelle f r den Arbeitsantrieb mehr zur Verf gung steht Insofern bietet sich bei entsprechenden Anforderungen eine Einstufung in die Ebene 5 elektrisches Power Beyond an Inwiefern mehr als eine Achse angetrieben werden sollte muss mittels einer Simulation gekl rt werden Ob der Achsantrieb ein reiner Hilfsantrieb f r s
124. k die mittels schneller stellenden Motoren an den Regelventilen erreicht werden soll 100 Ein anderes Konzept sieht pulsweitenmodulierte Ventile zur Einzeld sen Regelung vor 114 Dieses Konzept wurde bereits weiterentwickelt und getestet 123 124 KOO AND SUMNER beschrei ben eine Art Hybridkonzept aus Direkteinspritzung und Ausbringmengenregelung 125 Sie sehen darin die M glichkeit die spezifischen Probleme beider Systeme zu umgehen wobei eine Pumpendrehzahlregelung auch hier weitere Vorteile beim Erreichen schnellerer Reaktionszeiten bieten d rfte Vor dem Hintergrund des an haltenden Trends zu h heren Fahrgeschwindigkeiten in der Anwendung ist von zus tzlich steigenden Anforderungen an die Regelg te auszugehen SCHWARZ UND SCHLAUDERER konnten zeigen dass durch den teilf chenspezifischen Pflanzenschutz ein deutliches Einsparpotenzial an Spritz mitteln mit den damit verbundenen M glichkeiten zur Kosteneinsparung besteht 126 Die ermittelten Werte beziehen sich dabei alleine auf die Kosten der Spritz mittel und schlie en kologische Aspekte nicht mit ein Sollten diese in Zukunft in Form von Auflagen oder Steuern Kosten f r den landwirtschaftlichen Betrieb her vorrufen w rde das Kosteneinsparpotenzial weiter steigen Beim untersuchten 136 Ausblick Ger t handelt es sich um eine praxis bliche Maschine mit den in 101 beschrie benen D sengetrieben Es besteht deshalb durchaus die M glichkeit dass eine Feldspri
125. kelt Dabei blieb die Grundform der Maschine jedoch im We sentlichen unver ndert Es kann folglich davon ausgegangen werden dass es sich um ein weitestgehend ausgereiftes Grundkonzept handelt Ob elektrische Antriebe beispielsweise einen Beitrag zur Steigerung der Verteilgenauigkeit bei gr ten Arbeitsbreiten liefern k nnen ist fraglich Die zur Erzielung gro er Wurf weiten notwendigen Fluggeschwindigkeiten lassen die Aerodynamik der D nger Ausblick 135 k rner zunehmend in den Fordergrund treten Die weitere Verbreitung der be schriebenen precision farming L sungen f r D ngerstreuer wird durch elektrische Antriebe unterst tzt wenn auch nicht allein erm glicht In wie weit zuk nftige Anforderung an Schlagkraft zur st rkeren Verbreitung ange h ngter D ngerstreuer f hren bleibt abzuwarten Analog zu den konstruktiven Vor teilen bei der angeh ngten Feldspritze k nnen elektrische Antriebe durch ihre Fle xibilitat bez glich Einbauort bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad bei diesen Ma schinen zur Erleichterung des Maschinendesigns beitragen 9 1 2 Pflanzenschutzspritze Beispielhaft f r das Themenfeld des pr zisen Ackerbaus bei Pflanzschutzspritzen sei hier die Direkteinspritzung von Wirkmitteln an der D se erw hnt Es kann da von ausgegangen werden dass mit Einf hrung dieser Technologie der Bedarf an elektrischer Leistung weiter ansteigt 120 121 Dies gilt auch schon bei der For derung nach h herer Regeldynami
126. konstruktiver Zw nge mit sich und zwar be sonders dann wenn zwischen Traktor und Ger t eine Relativbewegung stattfindet was ann hernd immer gegeben ist Des Weiteren zeigen Untersuchungen dass Stand von Forschung und Entwicklung 9 die Gelenkwelle nach wie vor eine nennenswerte Quelle von vor allem schweren Unfallen beim Umgang mit Landmaschinen ist 15 Hydraulische und elektrische Antriebe die keine zuganglichen rotierenden Teile aufweisen sind hier im Vorteil 2 1 2 Datenschnittstelle Bei den Datenschnittstellen wird zwischen Punkt zu Punkt und Bussystemen un terschieden Die ISO 11786 normt eine Punkt zu Punkt Verbindung zur bertra gung ausgew hlter Sensorinformationen vom Traktor zum Ger testeuerger t 16 In der Landtechnik etablieren sich jedoch zunehmend Bussysteme als Hauptver treter sei hier der so genannte ISOBUS erw hnt Dieser fu t auf der ISO 11783 8 und normt die Datenschnittstelle zwischen Traktor und Ger t Er verdr ngt dabei seinen direkten Vorl ufer das Landwirtschaftliche Bussysstem LBS das in ers ter Linie an unzureichender Standardisierung geringer Verf gbarkeit und techni schen Unzul nglichkeiten scheiterte 17 Auch im LKW Bereich schreitet die Standardisierung der Schnittstelle zwischen Zugmaschine und Aufbau seit einigen Jahren voran wobei auch eine Schnittstelle zum ISOBUS vorgesehen ist 18 Abstrakter gesprochen wird in beiden F llen die Kommunikation zwischen ver schiedenen S
127. lauf der Umfangskraft Fu die unter Ber cksichtigung des Rollwiderstands Fr zusammengesetzt aus internem und externem Rollwider stand Fr respektive Fr die Triebkraft Fr ergibt F r diese Arbeit ist besonders der ziehend angetriebene Zustand von Bedeutung da nur in ihm Triebkraft zum Bewegen von Maschinen bereitgestellt wird Fy Fr Fy a gezogen gebremst 777 b gezogen frei rollend c gezogen angetrieben d angetrieben frei rollend e angetrieben ziehend Bild 6 Verschiedene Zust nde des Rades bei der Fahrt mit Schlupfnullpunktde finition nach Gre enko 62 22 Stand von Forschung und Entwicklung Fahrzeugseitig wichtigster Parameter ist die Radaufstandskraft Fz Sie bestimmt nach Multiplikation mit den den Reifen Boden Kontakt beschreibenden Faktoren Triebkraftbeiwert und Rollwiderstandsbeiwert p die erzielbare Zugkraft Fr nach Gleichung 3 und den Rollwiderstand Fr nach Gleichung 4 Eosi 3 Fr p F 4 Die Beiwerte und p sind abhangig von einer Vielzahl von Parametern Diese las sen sich in die reifen und die bodenabhangigen Parametergruppen teilen Die vom Reifen abh ngigen Parameter sind die Abmessungen der Aufbau des Rei fens radial oder diagonal die Gummimischung das Profil und der Innendruck Die bodenabh ngigen Parameter sind untereinander stark abh ngig Es sind dies unter Anderem Bodenart Bodenfeuchte Struktur Bewuchs und vorangegangene Bearbeitung D
128. lengetriebes Die Vorgelegewelle Ubertragt nur in den Schaltstufen 540E und 1000E Leistung so dass f r diese beiden ein etwas schlechterer Wirkungsgrad auf Grund der gr Beren Anzahl von Zahneingriffen angenommen werden muss Die Lastverluste der Schaltstufen k nnen leicht berechnet werden und betragen pro Zahneingriff 0 6 78 Zu den Leerlaufverlusten lagen Messungen vor b Hydrauliksystem Das Hydrauliksystem des Traktors hat zwei grundlegende Funktionen Zum einen muss es immer einen lstrom zur Schmierung der Getriebe bereithalten ldruck f r die Kupplungsaktorik bereitstellen und die Betriebsbereitschaft von Bremse und Lenkung garantieren ggf kommen hierzu noch Federungssysteme Das Hyd rauliksystem nimmt im Betrieb daher immer Leistung vom Dieselmotor ab Zum anderen muss es je nach Anwendung abs tzig oder kontinuierlich externe Ver braucher mit hydraulischer Leistung versorgen F r den hydraulischen Antrieb 2 Traktor muss zwischen den verschiedenen Anschlussarten am Steuerger t und an Po wer Beyond unterschieden werden wodurch sich unterschiedliche hydraulische Schaltpl ne Bild 18 ergeben mit denen auch unterschiedliche Verlustleistungen einhergehen i i al g L A Oe M Oe Steuergerat Power Beyond Bild 18 Schemata der Anschlussarten an die Traktorhydraulik Steuergerat und Power Beyond vereinfa
129. lichkeit die Regelgenauigkeit weiter zu verbessern Ob das sich hieraus ergebende Optimierungspotenzial auch aus gesch pft werden muss h ngt entscheidend von zuk nftigen Anforderungen an Diskussion 129 die Ortsaufl sung unter besonderer Ber cksichtigung der Fahrgeschwindigkeit ab Die Pumpendrehzahlregelung dagegen erreicht bereits in dieser Entwicklungsstu fe eine hohe Qualit t Diese kann mit einer in 112 vorgestellten Drehzahlregelung eines hydraulischen Antriebs mittels eines Servoventils verglichen werden und ist dieser mindestens ebenb rtig Betrachtet man jedoch zus tzlich den erheblichen Einfluss der Gest ngedynamik auf die Verteilgenauigkeit 113 wird deutlich dass der Reduzierung derselben eine hnlich hohe Aufmerksamkeit wie der Regelung selbst geschenkt werden muss Der Arbeitszeitbedarf beim chemischen Pflanzenschutz wird gepr gt von einem hohen Anteil von R st und Nebenzeiten Diese sollten durch den Einsatz eines elektrischen Antriebs verringert werden Nach lteren Ver ffentlichungen k nnen R st und Bef llzeiten um die 30 ausmachen die eigentliche Ausbringung ben tigt demnach nur ungef hr 50 der Arbeitszeit 4 Eine Absch tzung der derzeiti gen Situation ist schwierig seit diesen Untersuchungen weiter gestiegene Arbeits breiten bei tendenziell gleichen oder sogar h heren Fahrgeschwindigkeiten sollten die zur Ausbringung ben tigte Zeit gesenkt haben Ebenso sollte der Anteil f r den Transpor
130. lt und berpr ft werden Die Ebene 1 wird mit Serienanlauf des Basistraktors zur Verf gung stehen In einem Vergleich zapfwel len und verbrennungsmotorgetriebener Notstromaggregate stellen GUSTAFSON AND MORGAN f r die Notstromanwendung Kostenersparnisse f r die Zapfwellenge neratoren von Faktor zwei oder drei in Aussicht 59 Da der hier verwendete Trak tor auch die notwendigen elektrischen Komponenten mitbringt d rfte sich dieser Faktor sogar noch erh hen Es muss jedoch beachtet werden dass beide traktor getriebenen Varianten keine M glichkeit zur unmittelbaren Widerherstellung der Stromversorgung bereitstellen wie dies automatisch anlaufende von einem eige nen Verbrennungsmotor angetriebene Generatoren bieten Deren Verf gbarkeit ist jedoch stark von regelm iger Wartung abh ngig die bei den traktorgetriebenen Systemen in aller Regel gegeben sein d rfte Hier ist auf eine den konkreten Be triebsbed rfnissen angepasste Entscheidung zu achten die auch die Wahrschein lichkeit eines Stromausfalls und dessen Auswirkungen ber cksichtigen muss Anhand der Ger te D ngerstreuer und Spritze war es m glich die Ebenen 2 und 4 abzudecken Zur vollst ndigen Implementierung dieser Ebenen fehlen jedoch Bedienungseinrichtungen f r Benutzereingaben in Ebene 2 Auch sieht der ISOBUS derzeit keine Nachrichten zur Ansteuerung von elektrischen Antrieben wie es ein Ger t der Ebene 4 verlangen w rde vor Auch ein Bedienelement zur Freis
131. m laufenden Betrieb st ndig bertragen werden m ssen um eine korrekte Kommutierung zu erm glichen Eine weitere erhebliche Herausforderung stellt der Betrieb mehrerer geregelter Antriebe an einem Zwischenkreis dar Dieser Umstand liegt darin begr ndet dass der den Zwischenkreis mit Energie versorgende Generator nebst zugeh rigem Umrichter in aller Regel die Spannung des Zwischenkreises regelt Bei Lastspr n gen auf der Verbraucherseite kann es nun zum ber oder Unterschreiten der Traktor 33 Grenzwerte f r diese Spannung kommen also z B eine berspannung bei pl tzli chem Ausschalten einer Last hoher Leistung oder einem Spannungseinbruch auf Grund einer pl tzlichen Erh hung der Leistungsanforderung Dabei ist ein Ausre geln dieser St rgr e durch den Generatorumrichter auf Grund der hohen Dyna mik praktisch kaum m glich wodurch eine Abschaltung des Systems ausgel st w rde die jedoch nicht zwangsl ufig toleriert werden kann Diesem Umstand kann mit einer Erh hung der Zwischenkreiskapazit t begegnet werden die sich aller dings auf den ben tigten Bauraum und die Kosten negativ auswirkt Aus Gr nden der Haltbarkeit der Komponenten k nnen die Grenzwerte auch kaum ver ndert werden so dass als beste M glichkeit die bermittlung einer entsprechenden In formation ber ein bevorstehendes Szenario bleibt Insbesondere gilt dies wenn zum Bereitstellen von zus tzlicher Energie der Verbrennungsmotor in seiner Dreh
132. me der Busse 37 nur selten um Hybride da diesen Fahrzeugen in aller Regel der zweite Energiespeicher fehlt 26 Wird das Sekund relement im seriellen Aufbau wegge lassen ergeben sich diesel elektrische Antriebsstr nge wie z B in 38 Die wich tigsten Konstruktionsanforderungen dieser Antriebsstr nge sind e Stufenlosigkeit e Aufgel ste Bauweise Bauraumrestriktionen e Kosten der Getriebeentwicklung f r geringe St ckzahlen Sondermaschi nen e Weniger Gewichtseinschr nkungen e Konkurrenz zu rein hydraulischen Antrieben Ausgef hrte Produkte wie Busse und Baumaschinen decken dieses Spektrum der Konstruktionsanforderungen in der Regel vollst ndig ab Vor allem bei gr ten Muldenkipper f r den Tagebau ist ein Trend zu elektrischen Fahrantrieben zu er kennen da diese geringere Betriebskosten und h here Produktivit t erm glichen als mechanische Antriebe 26 39 41 Ein ebenfalls h ufig genannter Vorteil liegt in der M glichkeit des verschlei freien Bremsens 26 36 Die wichtigsten Gr nde f r die Abwesenheit des zweiten Energiespeichers bei Muldenkippern d rften in der erforderlichen Gr e der Sekund relemente und deren Kosten liegen F r Radlader und Bagger wurden aber bereits Hybridsysteme vorgestellt 42 45 2 2 3 Elektrische Antriebe in Landmaschinen Einige grundlegende Untersuchungen zum Einsatz elektrischer Fahrantriebe f r Landmaschinen und vor allem Traktoren finden sich in 46 und 47
133. me with a wide range of loads As far as complexity and ease of use are concerned all three implements profited from the implementation of electric drives In all cases safety and comfort of coupl ing the implement did increase However the systems are still limited both in func tionality as well as level of automation But given the good controllability which is independent of most external influences it is fair to assume that there is a high potential for improvements in this regard When it comes to system control a high degree of integration will be mandatory for the operator to fully utilize this increas ing functionality The required standardization is yet to be achieved A mere substitution of a given drive by an electric drive is not always sensible The use of electric drives necessitates a revision of rotational speed levels or more generally speaking of the working principle It is vital to include the overload ca pability of electric drives into these considerations The propelled trailer has a clear advantage in traction in the field whereas driving dynamics have a higher impor tance on the road Whether it is a traction assist or a drive that can be utilized over the entire speed range drives the power required and hence cost weight and space In the end this is an economical question but it may also be significantly influenced by legislation A more detailed summary is given in 138 Literatur 145 12 LITERAT
134. motor abzudeckender Fahrwiderstand geht allerdings in diese Modelle ein da er zur Last am Verbrennungsmotor beitr gt und damit zur Ermittlung des spezi fischen Verbrauchs notwendig ist F r diesen Fall gelten die in Tabelle 7 zusam mengefassten Rollwiderstandbeiwerte f r das Gesamtfahrzeug Der sehr gute Reifen Boden Kontakt hat in der landwirtschaftlichen Praxis nur wenig Bedeutung Er wurde eingef hrt um auf Versuchsfl chen vorgefundene Bedingungen zu be schreiben 26 Stand von Forschung und Entwicklung Tabelle 7 Rollwiderstandsbeiwerte f r das Gesamtfahrzeug Reifen Boden Kontakt p Entspricht etwa Mittel 0 1 Abgeerntetes Silomaisfeld Gut 0 05 Stoppelacker Sehr gut 0 03 Verdichteter trockener Acker Traktor 27 3 TRAKTOR Im Folgenden wird ein Konzept f r einen elektrischen Antrieb landwirtschaftlicher Anbauger te auf Basis eines ausgef hrten Fahrzeugs erarbeitet 3 1 Fahrzeugarchitektur 3 1 1 Das Basisfahrzeug Als Basis der Entwicklung dienen die von der Firma John Deere zur Agritechnica 2007 vorgestellten Traktoren 7430 und 7530 E Premium Bild 9 welche mit ei nem elektrischen Bordnetz erh hter Spannung 700 V DC ausgestattet ist Bild 9 Traktor John Deere 7530 Werkbild John Deere Dieses Bordnetz wird dazu verwendet zun chst vor allem Nebenverbraucher des Verbrennungsmotors also L fterantrieb Klimaanlagenkompressor und die Lichtmaschine durch elektrische Antr
135. n konstant wodurch das Absenken der Motordrehzahl z B bei Transportfahrten in der Ebene ebenso wie eine hohe Drehzahl bei schneller Fahrt ohne Auswirkung bleibt Ein zus tzlicher Faktor beim Transport wie beim Spritzen selbst ist die Wendigkeit die durch den Wegfall der Gelenkwelle steigt da diese nur bis zu einem bestimm ten Beugungswinkel eine Leistungs bertragung zul sst Gelenkwellen die einen gro en Beugungswinkel zulassen sind komplexer schwerer wartungsaufwendi ger und nicht zu letzt auch teurer als einfachere Ausf hrungen 5 2 2 3 Spritzen Da der Spritzvorgang auch im stehenden Bestand ausgef hrt wird ist ein wichti ger Faktor bei den angeh ngten Spritzen die Gespannkinematik die ein spurtreu es Nachlaufen in den Fahrgassen erm glichen muss Dies wird durch Knickdeich seln oder Achsschenkellenkung der Anh ngerachse erreicht die mittels verschie Pflanzenschutzspritze 81 denster Methoden aktiv verstellt werden Trotz groBer Deichselwinkel am Vorge wende muss die Pumpe standig weiterlaufen um die Durchmischung und ein schnelles Aufbauen des erforderlichen Drucks beim Wiederaufnehmen des Spritz vorgangs zu gew hrleisten Daher werden h ufig die im vorangegangenen Kapitel erw hnten Weitwinkelgelenkwellen verwendet Ebenfalls hnlich zum Transport verh lt sich die Pumpendrehzahl und die damit verbundene Leistungsaufnahme Da diese nicht direkt an den Bedarf angepasst werden kann wird der bersch
136. n zwischen minerali schen und organischen D ngern wobei nur erstere mit D ngerstreuern ausge bracht werden welche Gegenstand der folgenden Betrachtungen sind Bild 25 zeigt einen in Europa typischen Zweischeiben D ngerstreuer Eha Bild 25 Angebauter D ngerstreuer Werkbild Rauch D ngerstreuer werden heute praktisch ausschlie lich als Scheibenstreuer ausge f hrt daneben existieren auch noch Pneumatikstreuer die jedoch lediglich f r Spezialanwendungen eingesetzt werden und daher nur einen Marktanteil von knapp 3 erreichen 80 Bei Scheibenstreuern wird der D nger auf eine rotieren 3 Der Firma Rauch Sinzheim wird f r die Bereitstellung des Prototyps und f r die berlassung von Unterlagen gedankt 64 D ngerstreuer de Scheibe aufdosiert und von dort mittels Zentrifugalkraft und Leitschaufeln auf die angestrebte Wurfweite verteilt weshalb Scheibenstreuer auch Zentrifugald ngerstreuer genannt werden Bild 26 zeigt schematisierte Streubilder f r verschiedene Situationen Die Quer verteilung ber die Streubreite ist dabei nicht homogen sondern die Menge aus gebrachten D ngers nimmt zum Rand der Wurfweite 9 hin ab Im Bild ist dies dargestellt durch drei Glockenkurven die nicht die Ausbreitung in der Horizon talen sondern die Querverteilung in der Vertikalen beschreiben Um die gesamte Fl che gleichm ig mit D nger zu versorgen m ssen sich die gestreuten B nder berlappen um eine gleichm ig
137. nd einfach zu stecken und zu ziehen wobei zum Ziehen ein leichtes R tteln am Steckverbinder den Vorgang erleichtert Dies ist in die Konstruktion des Steckver binders hinsichtlich seiner Festigkeit auf jeden Fall einzubeziehen 7 2 D ngerstreuer Der D ngerstreuer Prototyp mit elektrischem Antrieb wiegt ann hernd 30 kg mehr als die mechanische Variante Dies bezieht das Gewicht der Zapfwelle und der Kabel nicht mit ein Wird dieses ber cksichtigt verringert sich diese Differenz auf etwa 20 kg Dieser Gewichtsunterschied ist insbesondere gemessen an den er warteten Vorteilen als marginal zu bezeichnen 7 2 1 Ergebnisse der Simulation Um eine Aussage ber den Kraftstoffverbrauch und die ihn bestimmenden Wir kungsgrade treffen zu k nnen werden die in 3 4 und 4 2 beschriebenen Modelle in einem Gesamtmodell gekoppelt Ergebnisse 101 F r einen qualitativen Vergleich der Antriebsstr nge werden die Wirkungsgrade der vier Antriebstechniken in Bild 40 verglichen Diese schlie en den Dieselmotor nicht mit ein und werden ber dem Streuscheibendrehmoment welches die Last am D ngerstreuer darstellt aufgetragen F r alle nun folgenden Darstellungen gilt stets eine Scheibendrehzahl von 900 1 min Der mechanisch angetriebene D ngerstreuer wird dabei mittels der Zapfwellenstufe 540E angetrieben elektrischer Streuer mechanischer Streuer 0 Be hydr Streuer am Power Beyond 20 ae hydr Streuer am Steue
138. ne w hrend die meisten mechanischen Streuer ber nur eine Randstreueinrichtung verf gen und somit eine bestimmte Fahrtrichtung entlang der Begrenzung erfordern Im Fall einfachster rechteckiger Feldgeometrien stellt dies kein un berwindliches Problem dar F r den h ufigen Fall des Keilstreuens entlang nicht parallel zur Fahrzeugl ngsachse laufenden Feldgrenzen ist ein stu fenloser Einzelantrieb dagegen unumg nglich Hier kann sogar eine gleichzeitige aber nicht notwendigerweise gleiche Verstellung beider Scheibendrehzahlen er forderlich sein Dieser Aspekt wird durch einen welligen Verlauf der Grenze noch zus tzlich verst rkt In 83 wird auch ein Verfahren zur Optimierung des Streuergebnisses am Vorge wende beschrieben Es ist notwendig um Fehldosierungen zu vermeiden Dabei wird besonders auf den optimalen Ab und Anschaltpunkt des Streuers sowie die Auspr gung des Streuf chers am Vorgewende eingegangen Eine dynamische und pr zise Drehzahlverstellung der Scheiben in Kombination mit der Verstellung der Ausbringmenge k nnte die komplex geformten feldseitigen Grenzen der schon gestreuten Fl che optimal ausstreuen Bild 27 Dazu bedarf es der genauen Kenntnis der dreidimensionalen Auspr gung der Streuf cher in Abh ngigkeit der Drehzahlen und Dosier ffnungsweiten und es m ssen d ngerspezifische Streuf cher in der Prozesssteuerung hinterlegt sein Schlie lich ist eine genaue Kenntnis des Standortes unabdingbar D ngerstr
139. ne Verschiebung hin zu leichteren Traktoren wie in Kapitel 6 1 dargestellt d rfte diesen Umstand noch zus tzlich versch rfen Dar ber hinaus zeigen AHOKAS AND KOSONEN dass insbesondere unter Bedingungen mit schlechten und unterschied lich hohen Reibbeiwerten der Fahrbahnoberfl che ein unabh ngiger Bremseingriff an einzelnen Achsen oder sogar R dern gro e Vorteile f r die Fahrstabilit t des Zuges bringen kann 131 Diese Technologie ist aus dem Stra enfahrzeugbereich hinl nglich bekannt und wird im Allgemeinen unter dem Begriff Stabilit ts Programm zusammengefasst Hier bieten elektrische Antriebe f r die Anh nger triebachse mit ihrem sehr guten Regelverhalten und ihrer berlastf higkeit ein hohes Potenzial eine Fahrstabilit tsunterst tzung auch ohne Eingriff in die Be triebsbremse zu erm glichen 9 2 Neue Maschinenkonzepte PETTERSSON ist der Ansicht dass die Kontaminierung des les die Hauptursache f r die h ufigen Sch den an Getrieben und Hydrauliksystemen ist die nach sei nen Untersuchungen 70 aller Reparaturkosten ausmachen 132 Hier k nnen elektrische Antriebe insbesondere f r Anbauger te dazu beitragen eine hohe Ol Ausblick 139 qualit t auf dem Traktor ber einen l ngeren Zeitraum zu erhalten da ber sie keine fremden le oder Partikel in den Traktor eingetragen werden k nnen Grunds tzlich muss jedoch festgestellt werden dass der Antrieb von landwirt schaftlichen Anbauger ten s
140. nige Maschinenparameter so zum Beispiel Nennspannung Nennfrequenz Nennstrom Polpaarzahl und andere mehr bekannt sein Die ber tragung einer entsprechenden Tabelle ber den ISOBUS ist hierf r ein erfolgver sprechender Ansatz Abgesehen von diesen Reglungsparametern sollten noch applikationsrelevante Daten bertragen werden wie sie in Tabelle 29 zusammen gefasst sind Diese sind als Minimalforderung zu verstehen Die Praxisanwendung muss zeigen ob zus tzliche Signale notwendig sind Ebenso wie die Parametrierungstabelle sind diese Signale f r jeden Antrieb einzeln notwendig Tabelle 29 Minimalkonfiguration Signale alternativ zueinander Signal Art des Signals Soll Drehzahl Vorzeichenbehaftete Zahl Ist Drehzahl Vorzeichenbehaftete Zahl Soll Drehmoment Vorzeichenbehaftete Zahl Ist Drehmoment Vorzeichenbehaftete Zahl Aktivierung An Aus Das Signal Aktivierung dient dabei zum Stromlosschalten des Antriebs was sich vom geregelten Stillstand also Soll Drehzahl gleich null deutlich unterscheidet Aktivierung kann somit eher als Signal zum Schutz des Ger teantriebsstrangs gesehen werden wobei die Strategien zum Herbeif hren des deaktivierten Zu standes aktives Bremsen oder sofortiges Stromlosschalten je nach Ger t un terschiedlich ausfallen k nnen 9 1 1 D ngerstreuer Scheibend ngerstreuer sind seit vielen Jahren bekannt und haben sich immer wieder weiterentwic
141. nmoment an der Anh ngerachse Verzeichnisse xl Psac Paux Poc Phar Pmech Ps Pym Pw p PA PE Ps Q Qappl Qsoll ges Qsoil mischen Qsoul spritzen QEL S sS U Upc Uet Us Vs 1 min 1 min zz zz zz zz 2 22 l min kg s l min l min l min lt lt lt lt 8 cms m s Zahl der Einzelversuche Zahl der Versuche im W rfel Drehzahl Drehzahl des Dieselmotors Zahl der Versuche im Zentrum Leistung Leistung im dreiphasigen Wechselspannungssystem Auxiliar Leistung Leistung f r Nebenverbraucher Leistung im Gleichspannungssystem Elektrische Leistung Hydraulische Leistung Mechanische Leistung Scheinleistung Leistung des Verbrennungsmotors Wirkleistung Druck Druck am Auslass Druck am Einlass Position des Schiebers am D ngerstreuer Volumenstrom Applikationsrate Soll Volumenstrom gesamt Soll Volumenstrom beim Spritzen Soll Volumenstrom beim Spritzen Quotient der elektrischen Leistung Steigung Abstand Spannung Spannung im Gleichspannungssystem Effektivspannung Spitzenspannung Schluckvolumen Geschwindigkeit XII Verzeichnisse Zp M BBWS RB 3 N Getr nD NHM Nhm NL Nvol nz K KAnh max KHA Kya p p PAnh A1 PAnh A2 PHA Pva oO Oo OAnh OTr g m Polpaarzahl Steigungswinkel Anbringungswinkel Stufenwert im Stern statistische Versuchsplanung Koeffizient im quadra
142. nstellbare Werte gerundet 108 Ergebnisse Tabelle 23 Versuchsplan Block Versuch syst Nr np 1 min Ps v km h 1 8 1500 480 16 2 15 1300 300 12 3 3 1100 480 8 4 4 1500 480 8 4 5 1 1100 120 8 6 5 1100 120 16 7 2 1500 120 8 8 16 1300 300 12 9 6 1500 120 16 10 7 1100 480 16 11 18 1300 300 12 12 14 1300 300 17 7 13 13 1300 300 6 3 2 14 17 1300 300 12 15 9 1020 300 12 16 11 1300 45 12 17 12 1300 555 12 18 10 1580 300 12 7 2 2 2 Messaufbau Die in den Kapiteln 3 5 und 4 3 vorgestellten elektrischen Antriebe der Versuchs maschinen bilden den zu untersuchenden Aufbau Das Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung des Kraftstoffverbrauchs bei verschiedenen Betriebspunkten Es werden aber auch noch andere Messwerte erfasst so zum Beispiel die Leis tungsaufnahme der Umrichter Dazu wird der Strom an den Umrichtereing ngen gemessen die Zwischenkreisspannung liegt als Signal auf dem Traktor CAN vor Sie wird wie auch unter anderem die Drehzahl des Verbrennungsmotors der Kraftstoffverbrauch und die Fahrgeschwindigkeit mit einem Laptop aufgezeichnet Bild 44 zeigt den gesamten Aufbau schematisch Ergebnisse 109 Messdaten erfassung z qg Oje c a 2 x Blo 28 o
143. o 1 pp 34 35 Evans H Komatsu releases hybrid excavator to the world SAE Off Highway Engineering 17 2009 No 4 pp 24 25 Brun M Deutz and Atlas Weyhausen take up dSpace for hybrid drive development SAE Off Highway Engineering 17 2009 No 6 pp 14 16 Literatur 149 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 Barucki Th Optimierung des Kraftstoffverbrauchs und der Dynamik ei nes dieselelektrischen Fahrantriebs f r Traktoren Dissertation TU Dres den Forschungsbericht der VDI MEG Nr 393 2001 Gunther A G Bernhardt S Mann und H Jahne Anforderungen an ei nen elektrischen Radantrieb Landtechnik 60 2005 H 4 S 192 193 W nsche M Elektrischer Einzelradantrieb f r Traktoren Dissertation TU Dresden Dresdner Forschungen Maschinenwesen Nr 18 2005 Szajek A M Saller A Albrecht U Herb M Hackner W Schleich und M Krompa MELA Mobile elektrische Leistungs und Antriebstechnik f r Fahrzeuge ein offenes elektrisches Leistungsnetz f r Offroad Anwendungen Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Dresden 2004 VDI Berichte Nr 1855 2004 S 241 246 Saller M Drive system for agricultural machine and method for control ling the same European Patent Application EP 1547840 A3 2006 Schmetz R Neue Produkttechnologien im Traktorenbau insbesondere elektromechanische Traktorgetriebe Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Garchin
144. obei sich gleichzeitig die Teilezahl verringern lie e Das Wegfallen von Lagerstellen und vor allem der Kupplung w rde dabei auch zu einer Verringerung des Bauraumbedarfs in erster Linie der Baul nge f hren Dies ist insbesondere aber beim Einsatz selbstansaugender Kreiselpumpen vorteilhaft Diese kompensieren zwar den Nachteil der schlechten Selbstansaugung von Standard Kreiselpumpen ben tigen aber auch mehr Bauraum 97 Zudem bleibt in diesen Pumpen zur Selbstansaugung stets eine kleine Restmenge an Fl ssig keit zur ck was beim Einsatz in Feldspritzen grunds tzlich kritisch zu betrachten 128 Diskussion ist Wird nach dem Maschineneinsatz mit Klarwasser gesp lt stellt dies jedoch kein erhebliches Problem dar Der ausgew hlte Elektromotor ist ein Kompromiss zwischen Leistung und Bauraum Er kann die meisten aller theoretischen Betriebspunkte abdecken Le diglich bei Ausbringen gro er Mengen bei hohen Fahrgeschwindigkeiten in Kom bination mit bestimmten D sen reicht die Dauerleistung nicht aus Da der ber lastfaktor in diesem Falle allerdings nur bei 1 1 liegt k nnen diese maximalen Be triebspunkte trotzdem f r ca 60 min gefahren werden bevor sich eine bertempe ratur einstellt 98 Wie in Kapitel 7 3 2 dargestellt gilt hnliches auch beim Bef llen die berlast liegt hier jedoch nur wenige Minuten an bevor der Tank vollst ndig gef llt ist Bei einer konkreten Produktentwicklung m sste genauer un tersucht w
145. on Sensor und D sen 94 Triebachsanh nger 6 TRIEBACHSANH NGER 6 1 Einf hrung Triebachsanh nger sind aus der Vergangenheit bekannt Der Antrieb dieser Triebachsanh nger erfolgte mittels einer Gelenkwelle ber die Zapfwelle des Trak tors ebenso der Antrieb eventueller Arbeitsorgane z B der Streuorgane Dabei wurden Zwischen bzw Anpassungsgetriebe eingesetzt um Traktor und Trieb achsanh nger trotz unterschiedlicher Bereifung aufeinander abstimmen zu k n nen Es wurde stets eine leichte Nacheilung der Anh ngerachse angestrebt um so eine Triebkraftentwicklung am Anh nger erst ab einem bestimmten Schlupf am Traktor zu gew hrleisten und ein Schieben durch den Anh nger zu verhindern hnlich wie bei der bekannten Problematik der invariablen Voreilung beim Allrad antrieb von Traktoren siehe hierzu 103 104 ergaben sich hieraus Nachteile wie Blindleistungsfl sse kinematisch falsche Umfangsgeschwindigkeiten bei Kurven fahrt etc Insbesondere die Kraftwirkung zwischen Traktor und Anh nger wurde in 105 untersucht dort findet sich auch ein L sungsvorschlag f r die Reduzierung der Blindleistungsfl sse mittels eines Freilaufs Erhalten blieb hierbei jedoch das gestufte Anpassungsgetriebe Die u erst geringe Stufung bzw die fehlende Stu fenlosigkeit erforderten das Fahren innerhalb des durch die Drehzahl des Diesel motors einstellbaren Geschwindigkeitsbereichs das Durchfahren eines gr eren Geschwindigkeitsbereichs
146. onn te LENHARDT in einer umfangreichen Modellrechnung darlegen dass f r das hier angenommene Gespann die Hauptvorteile klar in der Schlupfreduzierung liegen 115 Die Gr nde hierf r sind zum einen das immer noch moderate Verh ltnis der Massen der Gespannteile zum anderen die zur Verf gung stehende Leistung In Abh ngigkeit der erreichbaren Wirkungsgrade der jeweiligen Antriebe und auch der Kraftstoffkosten und der Bodenbesch digung wird in Zukunft zu bestimmen sein ob sich der Einsatz von Triebachsanh ngern wieder vermehrt lohnt Zu n chst wird dies vor allem bei zeitkritischen Verfahren bei denen nur einge schr nkt R cksicht auf die Bodenbedingungen genommen werden kann der Fall sein Somit scheint zun chst ein reiner Hilfsantrieb geringer Spreizung f r niedri gere Fahrgeschwindigkeiten sinnvoll Zu den am wahrscheinlichsten betroffenen Verfahren geh ren die D ngerausbringung hier insbesondere Stalldung und G l le und der Pflanzenschutz aber auch die Silomaisernte Auch hier kommt wieder die verbesserte Wendigkeit bei Verwendung elektrischer Antriebe auf angeh ng ten Ger ten zum Tragen wobei auf Grund der geringeren Arbeitsbreite und damit notwendigerweise engeren Wendevorg ngen am Vorgewende diese z B bei G llef ssern noch h her zu bewerten ist als bei der Pflanzenschutzspritze Den Vorteilen des Triebachsanh ngers steht in erster Linie der Nachteil des Mehrge wichtes gegen ber Zwar l sst sich die Gesamtmasse de
147. ors environmental protection part 1 requirements Br ssel CEN 2003 Marquering J und B Scheufler Minerald ngung an den Feldgrenzen Landtechnik 61 2006 H 1 S 16 17 Axera H EMC Firmenschrift Axera H H EMC 08 2005 GR Rauch Landmaschinenfabrik GmbH Sinzheim Deutschland 2005 e Matek W D Muhs H Wittel M Becker D Jannasch Roloff Matek Maschinenelemente 15 Auflage Braunschweig Wiesbaden Friedr Vie weg amp Sohn Verlagsgesellschaft 2001 Zahnradmotoren Gruppe 1 2 und 3 Firmenschrift 520L0920 Sauer Danfoss GmbH amp Co OHG Offenbach Deutschland 2005 Servogetriebemotoren Firmenschrift 11248718 DE SEW Eurodrive GmbH amp Co KG Bruchsal Deutschland 2005 Ganzelmeier H Pflanzenschutz und Pflanzenpflegetechnik In Harms H H und Meier F Hrsg Jahrbuch Agrartechnik Band 19 M nster 2007 S 97 105 Wolf P A Herbst und H Ganzelmeier Dynamische Verteilungsqualitat von Feldspritzgeraten Landtechnik 56 2001 H 1 S 20 21 Grunds tze zur Durchf hrung der guten fachlichen Praxis im Pflan zenschutz Bonn Bundesministerium f r Verbraucherschutz Ern hrung und Landwirtschaft 2005 S 31 33 Literatur 153 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 Srivastava A C Goering R Rohrbach D Buckmaster Chemical appli cation In Engineering Principles of Agricultur
148. r te in ISO 17567 f r Power Beyond empfohlen Gr e 19 quivalent Gr e 20 in ISO 5675 9 8 Stand von Forschung und Entwicklung terworfen Diese Einschr nkungen lassen sich letztlich auf ihre fehlende Stufenlo sigkeit zur ckf hren und bewirken gem einem Modell von SCHREIBER einen un g nstigeren Verbrauch gegen ber der optimalen Arbeitskurve insbesondere im Teillastbereich Bild 2 10 500 2 g S kWh _ bei Nenndrehzahl a e 300 BY Ss 2 S 2 200 optimale Arbeitskurve n 100 o a w 0 0 25 50 75 100 IP Motorauslastung P Motor APR Bild 2 Spezifischer Kraftstoffverbrauch in Abh ngigkeit der Motorauslastung 10 Aus diesem Grund schlug STROPPEL den Einsatz einer stufenlosen Regelzapfwelle vor 11 auch wenn es sich hierbei richtiger um eine Zapfstelle handelt da das Konzept eine hydraulische Schnittstelle zwischen Traktor und Ger t vorsieht Ein Ansatz f r eine elektrische Schnittstelle zur bertragung auch gro er Leistungen findet sich in 12 P cKEL schlug f r eine Baumaschine ein Antriebskonzept vor das auch f r den Antrieb landwirtschaftlicher Maschinen und insbesondere Selbst fahrern geeignet scheint 13 aber auch f r den Antrieb von Ger ten interessant ist Es erfordert aber ebenso wie die von GUGEL UND TARASINSKI vorgestellte stu fenlose Zapfwelle 14 eine Leistungs bertragung zum Ger t mittels einer Ge lenkwelle Diese bringt eine Vielzahl
149. r 47 sollte diskutiert werden welche Farbgebung aus Sicht von Produktsicherheit und Maschinendesign w nschenswert w re Abgesehen von diesen mechanischen und chemischen Eigenschaften m ssen auch elektrische Eigenschaften erf llt werden In aller erster Linie handelt es sich dabei um die Stromtragf higkeit und Spannungsfestigkeit aber auch um die Abschirmwirkung bez glich der EMV Ein System welches den Verzicht auf eine Abschirmung erm glicht ist auf jeden Fall zu bevorzugen Dies liegt zum einen in der Tatsache begr ndet dass die effektive Abschirmung eine komplexe Aufgabe darstellt Zum anderen ist die Pr fung sol cher Systeme z B nach ISO 7637 3 75 oder ISO 14982 76 au erhalb der Ver antwortung nur eines Herstellers was die Frage der Zust ndigkeit aufwirft Letzt lich ist es insbesondere im Ersatzteilmarkt u erst schwer eine entsprechende Qualit t sicherzustellen Hybridkabel also Kabel die abgesehen von den Leis tungsleitern auch noch Leiter f r Signale und auch Leiter f r kleine Leistungen im Bereich der ber hrsicheren Spannungen beinhalten stellen eine zur L sung die ser Aufgaben vielversprechende M glichkeit dar 3 4 Simulationsmodell Das Simulationsmodell beinhaltet alle zum Bewegen des Fahrzeugs und Antrei ben des Ger ts ben tigten Komponenten Dies sind der Dieselmotor sowie die mechanischen hydraulischen und elektrischen Antriebsstr nge Ziel der Simulati on ist der Vergleich der unterschie
150. r Firma Rauch herangezogen Dieser verf gt ber einen hydraulischen Antrieb bei dem die Scheiben jeweils direkt von einem Hydromotor angetrieben werden Korrespondierend mit den Anschlussarten am Traktor vgl Bild 18 stellt Bild 29 die verschiedenen Schemata f r den Hydraulikantrieb eines D ngerstreuers dar Steuerger t Power Beyond Bild 29 Schemata des hydraulischen Antriebs D ngerstreuer Rauch Axera D ngerstreuer 71 Der Scheibenantrieb erfolgt durch Zahnradmotoren mit je 15 cm Schluckvolumen Vs Der Gesamtwirkungsgrad der Hydraulikmotoren setzt sich dabei zusammen aus dem volumetrischen Wirkungsgrad nyo und dem hydraulisch mechanischen Wirkungsgrad Nam die sich gem den Gleichungen 18 und 19 berechnen lassen n V val TE nRR Q 100 18 _M 20n N m Ap V 19 Die Wirkungsgrade lassen sich somit auf Basis von Herstellerangaben 86 ermit teln und betragen f r den volumetrischen Wirkungsgrad 94 und 92 f r den hydraulisch mechanischen Wirkungsgrad Nach Gleichung 20 ergibt sich damit ein Gesamtwirkungsgrad des Hydromotors num von 86 Nym Mor Thm 20 Wie schon in Kapitel 3 4 2 3 erw hnt beeinflusst die Anschlussvariante auch die Verlustleistung Dies ist auf die unterschiedlich hohen Regeldruckdifferenzen und Druckabf lle zur ckzuf hren die in Leitungen und an Steuerkanten auftreten Diese m ssen von der Pumpe zus tzlich zum Lastdruck aufg
151. r erm glicht die Versorgung elektrischer Antriebe aus dem Netz den Pr fstellen einen einfachen Betrieb der zu pr fenden Maschine Zusammenfassung 141 10 ZUSAMMENFASSUNG Traktor Ger te Systeme stellen einen elementaren Bestandteil der landwirtschaft lichen Mechanisierung dar eine Verdr ngung durch selbstfahrende Maschinen ist nicht abzusehen Gleichzeitig ist bei steigendem Nahrungsmittelbedarf hohen Energiekosten und geringer Verf gbarkeit von geeigneten Arbeitskr ften eine fort gesetzte Produktivit tssteigerung unumg nglich Diese soll jedoch nicht zu Lasten der Umwelt gehen Aus diesem Grund kommt dem technischen Fortschritt in die sem Bereich nach wie vor eine gro e Bedeutung zu Der Blick in benachbarte Fachgebiete zeigt hier eine steigende Verbreitung elektrischer Antriebe deren Einsetzbarkeit f r die Kombination Traktor und Ger t im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde Es zeigte sich dass elektrische Antriebe in diesem Umfeld eini ge Vorteile bieten die vor allem in der Effizienz der Steuer und Regelbarkeit und der aufgel sten Bauweise liegen Damit elektrische Antriebe jedoch unter den be sonderen Rahmenbedingungen der Landtechnik sinnvoll eingesetzt werden k n nen muss ein verst rktes Augenmerk auch auf die Systemarchitektur und das Bedienkonzept gelegt werden Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Systemvor schlag erarbeitet der stark auf den Ideen des ISOBUS und insbesondere auf den darin vorgesehenen verteil
152. rden Traktor 59 Bild 22 zeigt den nachtr glich am Traktor angebrachten Schaltschrank mit allen zus tzlichen Komponenten Umrichter g zZ Anbauger t 12 24V Spannung wandler Bild 22 Schaltschrank mit zus tzlichen Komponenten Im Versuchsfahrzeug kommen Industriekomponenten so genannte Servoumrichter zum Einsatz Es handelt sich dabei um luftgek hlte Umrichter des Typs Compax C3 S300 V4 der Firma Parker mit jeweils 30 A Nennstrom und ei nem Spitzenstrom von 60 A f r bis zu 5s Bei einer maximalen Spannung von 480 V 3AC ergibt sich eine Umrichternennleistung von 25 kVA 79 Diese Umrich ter werden leistungsseitig am Gleichspannungszwischenkreis und f r Steuerung und K hlung mittels eines 12 auf 24 V Spannungswandlers an das Niedervolt bordnetz angeschlossen Jedem Umrichter ist eine dreiphasige Leistungssteckdose am Traktorheck zuge ordnet Dort befinden sich auch zwei Signalsteckdosen zur bertragung der Sig nale von Resolvern welche wiederum einem Umrichter zugeordnet sind Dar ber 60 Traktor hinaus erf llt der Traktor die ISOBUS Norm und weist eine entsprechende Steck dose auf Bild 23 Leistungsstecker Bild 23 Traktorheck mit verwendeten Steckverbindern Insbesondere die Leistungsstecker sind in einem Winkel von 15 zur Horizontalen nach unten geneigt Die wichtigsten Gr nde hierf r sind e Entlastung des abgehenden Kabels bez glich der Biegung e Bessere Ergonomie vor allem f r
153. ren nungsmotors konnte nachgewiesen werden Besondere Vorteile erschie en sich in Antriebsaufgaben die typischerweise ein hohes Spektrum von Lasten abdecken m ssen da hier die guten Teillastwirkungsgrade der elektrischen Antriebe ver st rkt zum Tragen kommen F r alle drei Ger te gemeinsam gilt dass sie bez g lich ihrer Komplexit t und Anwendungsfreundlichkeit von einem elektrischen An trieb profitieren So kann in allen F llen der Komfort und die Sicherheit beim An kuppeln verbessert werden Allerdings sind die Systeme noch vergleichsweise eingeschr nkt in ihrer Funktionalit t und dem Grad der Automatisierung Auf Grund der guten und von externen Faktoren weitestgehend unabh ngigen Regel barkeit der Antriebe kann allerdings ein erhebliches Potenzial in diese Richtung als gegeben vorausgesetzt werden Um diese in der Zukunft noch wachsenden Funktionen f r den Anwender nutzbar zu machen bedarf es einer verbesserten Einbindung in die Systemsteuerung Die dazu notwendige Normungsarbeit ist zu leisten Nicht immer ist eine einfache Substitution der Antriebsart sinnvoll der Einsatz elektrischer Antriebe bedarf immer auch der berpr fung z B des Drehzahlni veaus oder allgemeiner des Arbeitsprinzips Hierbei muss insbesondere die berlastbarkeit der elektrischen Maschinen ber cksichtigt werden Das Beispiel Triebachsanh nger zeigt dass seine Vorteile im Feld im Bereich der Traktion zu sehen sind w hrend auf der Stra e
154. rger t 0 Wirkungsgrad 7 A oO 6 10 14 18 22 Nm 26 Scheibenmoment M Bild 40 Wirkungsgrade der Antriebssysteme in Abh ngigkeit von der Belastung des Streuers Hier zeigt sich bereits der berlegene Wirkungsgrad des elektrischen Antriebs ge rade im Teillastbereich Bei hoher Auslastung n hern sich die Wirkungsgrade der mechanischen und elektrischen Variante immer mehr an beide liegen deutlich ber dem hydraulischen Antrieb ber Power Beyond und sogar noch deutlicher ber den Wirkungsgraden f r den Antrieb ber ein Zusatzsteuerger t Mit diesen Wirkungsgraden ergeben sich aus der Scheibendrehzahl vom Diesel motor bereitzustellende Leistungen Zu diesen ist die f r Nebenverbraucher und das Bewegen des Fahrzeuges ben tigte konstante Leistung zu addieren Diese 102 Ergebnisse werden von den in Tabelle 19 definierten Randbedingungen bestimmt Der Rei fen Boden Kontakt wurde als gut angenommen da dies den blichen Einsatzbe dingungen beim D ngerstreuen am N chsten kommen d rfte Tabelle 19 Randbedingungen f r die Simulation Einflu gr e Wert Scheibenmoment 16 Nm Scheibendrehzahl 900 1 min Traktormasse 7000 kg Zus tzliche Masse 1000 kg Reifen Boden Kontakt gut Steigung 0 Fahrgeschwindigkeit 12 km h L fterdrehzahl 600 1 min Damit ergeben sich die Leistungen f r die unterschiedlichen Antriebsarten wie in Bild 41 dargestellt
155. rieb des Anh ngers ist das aus Elektromotor Ausgangsdrehmoment und Untersetzung des Getriebes resultieren de Nabenmoment entscheidend f r die Zugkraftentwicklung Die aus unterschiedlichen Antriebsmomenten entstehenden Ver nderungen der Achslasten werden im Modell errechnet und stellen einen wesentlichen Eingangs parameter des Reifen Boden Kontakts dar Da f r die Anh ngerbereifung jedoch keine Messwerte zu Triebkraft und Rollwiderstandsbeiwert vorliegen wird hier ein dem Traktorreifen hnliches Verhalten unterstellt F r einen vorgegebenen Reifen Boden Kontakt kann nun mittels des Modells ermittelt werden wie sich der Schlupf am Traktor durch Einschalten von Allrad und Anh ngerantrieb sowie der Variation der Antriebsmomente am Anh nger bei unterschiedlichen Steigungen verh lt Zur Vereinfachung der Darstellung wird f r Vorder und Hinterachse des Traktors dabei ein mittlerer Schlupf berechnet in der Realit t liegt der Schlupf an der Vorderachse h her und der an der Hinterachse niedriger als dieser Wert Ergebnisse 99 7 ERGEBNISSE 7 1 Ergonomie Der Komfort beim Anbauen ist naturgem schlecht quantifizierbar Betrachtet man jedoch die H he der Zapfwelle ber dem Boden von 0 8 m wird ersichtlich dass das Koppeln der Gelenkwelle immer in einer ergonomisch ung nstigen Hal tung stattfindet Beengte oder unzug ngliche Baur ume verst rken diesen Effekt zus tzlich Bild 39 vermittelt einen Eindruck der Verh ltnisse am
156. rker abfallen Diskussion 125 Zus tzlich ndert sich bei konstanter Fahrgeschwindigkeit mit der Motordrehzahl auch das bersetzungsverh ltnis des Fahrgetriebes wodurch sich in der Realit t stark schwankende Wirkungsgrade ergeben Dies wirkt sich im Modell f r alle An triebsarten gleich aus Deshalb kann von einer qualitativ korrekten Abbildung der Verh ltnisse ausgegangen werden Bei der Modellierung des elektrischen Antriebsstranges wurde f r die Synchron motoren an den Streuscheiben sowie f r deren Wechselrichter jeweils ein kon stanter Wirkungsgrad unter Annahme einer mittleren Belastung von etwa 16 Nm angenommen Durch Absenken der Belastung verschlechtern sich diese Wir kungsgrade was eine geringf gige Erh hung der erforderlichen Leistung zur Fol ge hat Nach dem gleichen Verfahren wurde bei den hydraulischen Antriebsstr n gen f r die Verstellpumpe sowie die Motoren der Streuscheiben der Wirkungsgrad unter Annahme einer mittleren Belastung bestimmt Bei steigender Belastung und somit gr er werdendem Arbeitsdruck steigt der hydraulisch mechanische Wir kungsgrad leicht an Der mit steigendem Arbeitsdruck linear abnehmende volu metrische Wirkungsgrad hat allerdings einen gr eren Einfluss wodurch der Ge samtwirkungsgrad geringf gig abnimmt F r beide Ans tze gilt dass das Dreh moment nur bei gleichbleibendem Flie verhalten des D ngers proportional zur Schieberstellung ist Dieses wurde bei den Versuchen durch
157. rreicht werden Dadurch kann ein insgesamt h herer da gleichf rmigerer Durchschnittsdruck eingestellt werden Der sanfte Anlauf elektrischer Antriebe unterst tzt diesen Vorgang ebenfalls F r die Durch mischung kann ferner eine von Hand oder automatisch ausgel ste zeitgesteuerte Aufmischung der Spritzbr he mit erh hter Mischleistung nach l ngerer Standzeit schnell wieder die Einsatzbereitschaft herstellen Zur Verminderung der Schaum bildung k nnte ber die dem F llstand angepasste Durchmischung hinaus auch eine wirkmittelspezifische Durchmischung beitragen wobei eine Ber cksich tigung der Konzentration vermutlich zus tzliche Vorteile bringt Dazu k nnte auf der Maschine eine Datenbank mit Wirkmitteln und den zugeh rigen Durchmi schungseinstellungen hinterlegt sein aus der der Benutzer das entsprechende Spritzmittel ausw hlt Wird diese Datenbank mit der Ackerschlagdatei und zus tz Ausblick 137 licher Dokumentation von Pflanzenschutzma nahmen verkn pft ergeben sich zu s tzliche Synergieeffekte Zur weiteren Automatisierung k nnten in diesem Fall noch Systeme zur Erfassung des eingef llten Spritzmittels z B Barcode Scanner oder RFID beitragen die dann auch R ckschl sse auf die Konzentration zulie en Alle diese Systeme erleichtern vor allem die Bedienung und beugen damit letztlich Fehlbedienungen vor 9 1 3 Triebachsanh nger Wie bereits erw hnt steigt der Rollwiderstand bei Kurvenfahrt durch das
158. rt an allen angetriebenen Achsen begrenzt wird als auch die Zugleistungshyperbel die von Motorleistung und Schlupf begrenzt wird Getriebewirkungsgrad wird vernachl ssigt hin zu h heren Werten der Zu gewinn ist grau unterlegt Traktionsgrenze Traktor und Triebanh nger Traktionsgrenze Traktor oer Zugkraft Zugleistung Traktor und Triebanhanger Zugleistung Traktor Geschwindigkeit Bild 38 Zugewinn an Zugkraft und Zugleistung durch Triebachsanhanger Der Triebachsanhanger stellt ein nach wie vor sinnvolles Konzept dar um den Reifenschlupf zu verringern da damit h her belastete Achsen Triebkraft statt ausschlie lich Rollwiderstand erzeugen Ein wesentliches Kriterium w re jedoch die stufenlose Verstellbarkeit der Radrehzahlen Dies kann entweder ber einen Achs oder einen Radantrieb erfolgen wobei der Radantrieb klare Vorteile im Be reich der Fahrdynamikregelung l ngs und quer zur Fahrtrichtung aufweist und mehr Freiheiten bei der Maschinenkonstruktion Freir ume zwischen den R dern liefert Unter dieser Voraussetzung hat ein einzelradgetriebener Triebachsanh 96 Triebachsanh nger nger die in Tabelle 18 zusammengefassten Vorteile Auch hier gelten die in Kapi tel 2 2 beschriebenen Vorteile der elektrischen Antriebe die sie f r diese Anwen dung wiederum besonders interessant machen Tabelle 18 Vorteile eines einzelradgetriebenen Triebachsanh ngers berbegriff E
159. rt werden k nnen Untersuchungen von FREIMANN zeigen wie diese Funktionen zu Zwecken der Automatisierung von Ar beitsprozessen eingesetzt werden k nnen Allerdings wurde dazu auch das Zapf wellendrehmoment verwendet das durch einen externen Aufnehmer bereitgestellt wurde und auf derzeitigen Traktoren nicht zur Verf gung steht 21 Die Funktio nen der class 3 stellen einen Ansatz zur Steigerung der Systemeffizienz dar k n nen aber auch dazu genutzt werden redundante Systeme auf dem Ger t so zum Beispiel hydraulische Ventilbl cke einzusparen Mit ihr gehen allerdings auch ent sprechende Sicherheitsanforderungen einher da verhindert werden muss dass das Ger t sich selbst oder den Traktor in einen unsicheren Zustand versetzt Da bisher auch noch keine Erfahrungen aus Anwendungen vorliegen wird sich erst nach der Einf hrung der class 3 zeigen ob die in der Norm vorgesehenen Funkti onen ausreichen oder ob diese in weiteren Iterationen erweitert werden m ssen Es kann festgehalten werden dass in einzelnen Teilen des ISOBUS weiterhin Handlungsbedarf besteht 22 gleiches gilt f r alle noch nicht vollst ndig imple mentierten Teile Davon unabh ngig beschreiben verschiedene Ver ffentlichungen bereits ber den derzeitigen Normenumfang hinausgehende Anwendungen so wird in 23 ein Vor schag zu einem ISOBUS basierenden steer by wire System unterbreitet ROTHMUND fordert teilaufgabenspezifische Datenstrukturen mit dem Ziel einer
160. rundkonzepte n mlich die Regel einheit Umrichter auf dem Traktor oder dem Ger t zu platzieren Beide Konzepte werden im Anschluss nach verschiedenen Kriterien bewertet Als Kriterien werden die Mehrfachverwendbarkeit der Umrichter sowie ihre an den jeweiligen Antriebsstrang genau angepasste Dimensionierung herangezogen Hinzu kommt die Einbindung in das Fahrzeugk hlsystem wobei unterstellt wird dass der Traktor mit einem geeigneten K hlsystem ausger stet ist und auf dem Anbauger t kein solches zur Verf gung steht Des Weiteren wird die Frage be trachtet wie eine zwangsl ufig vorhandene Trennstelle zwischen Traktor und Ge r t stromlos geschaltet werden kann Dazu wird in 12 vorgeschlagen ein im We sentlichen auf mechanischen Schaltern basierendes System zu verwenden hnli che Funktionalit t kann aber auch ein Umrichter bereitstellen dessen Halbleiter elemente ebenso wie ein mechanisches Sch tz unter Last trennen k nnen Dies wird ben tigt um einen Ber hrschutz zu gew hrleisten und Lichtb gen beim Trennen zu verhindern Auch die Leistungsdichte der bertragung ist zu betrach ten In Erweiterung von TEICHMANN ET AL 69 beschreiben BERNHARD UND SCHLOTTER 70 die Zusammenh nge von Strom Leiterquerschnitt und Leistung grafisch Bild 11 Traktor 150 14 VDC 35 42 VDC 2 A 1
161. s Zuges durch die Ver wendung eines leichteren Traktors reduzieren doch sind im Stra enverkehr auch die Achslasten begrenzt und auf diese wirkt sich das Gewicht der Triebachse selbst direkt aus Als bestimmende Gr e f r die Zugkraftverteilung muss der Schlupf bekannt sein Dazu stehen verschiedene Verfahren zur Verf gung gebr uchlich sind die Mes sung der Umfangsgeschwindigkeit eines nicht angetriebenen Rades auch in Form von zus tzlich angebrachten Spornr dern die Verwendung eines Radarsensors Diskussion 131 und die Auswertung des GPS Signals Letztere sind ber hrungslose Messungen bei denen Radlasten Reifendruck und Bodenbedingungen keinen Einfluss auf Funktion und Pr zision der Messung haben wodurch die Genauigkeit der Mes sung steigt 116 117 Mit einer zunehmenden Verbreitung von positionsbasierten Verfahren und automatischen Lenkeinrichtungen kann davon ausgegangen wer den dass ein GPS Signal auch f r die Schlupfbestimmung zur Verf gung steht Ob dieses allein jedoch f r eine automatisierte und damit komfortable und sichere Steuerung der Anh ngerachse ausreicht ist fraglich Eine Messung der Kraft am Anh ngepunkt k nnte insbesondere f r die Fahrdynamikregelung wichtige zus tz liche Information liefern Eine solche Fahrdynamikregelung insbesondere auch bei h heren Fahrgeschwindigkeiten wie sie beim Transport erreicht werden er fordert jedoch einen Antrieb mit deutlich gr erer Spreizung und auch Leis
162. s vom 5 M rz 2008 BGBI S 284 Verordnung Uber Pflanzenschutzmittel und Pflanzenschutzger te Pflanzenschutzmittelverordnung Bekanntmachung vom 9 M rz 2005 BGBI S 734 ge ndert durch Artikel 3 Abschnitt 2 7 des Gesetzes vom 13 Dezember 2007 BGBI S 2930 Literatur 157 138 Hahn K High Voltage Electric Tractor Implement Interface SAE Interna tional Journal of Commercial Vehicles 1 2008 No 1 pp 383 391 158 Anhang 13 ANHANG Anhdegeran Bild 53 Oberste Ebene des Triebachsanh nger Simulationsmodells Anhang 159 20 z Y 16 7 J e S A 4 6 D 12 A OS XH 1 D ba 1 NS gt Yeo S A oO 1 ee zz LY q amp Ei 3 E 2 g A 0 5 10 15 20 kNm 25 Nabenmoment Einzelrad Mann Bild 54 Iso Schlupf Linien und Zielpolygon bei schlechtem Reifen Boden Kontakt a 70 VNI v 70 Steigung S 2 0 L 0 5 10 15 20 kNm 25 Nabenmoment Einzelrad Manh Bild 55 Iso Schlupf Linien und Zielpolygon bei gutem Reifen Boden Kontakt 160 Anhang 20 j B Pa 0 Q 16 4 Ss cs 42 a D c q D l oO E 2 gl B n 4 M e q 4 na ie ar 5 10 15 20 kNm 25 Nabenmoment Einzelrad Mann Bild 56 Iso Schlupf Linien und Zielpolygon auf Asphalt
163. s wird vorgeschlagen das bestehende System wie in Bild 12 dargestellt zu erweitern Dadurch entsteht ein serieller elektrischer Antrieb f r das Anbauger t Auf die M glichkeit der Leistungsverzweigung wurde hier bewusst verzichtet wobei sie theoretisch unter Zuhilfenahme der Zapfwelle und eines Summierungsgetriebes auf dem Ger t immer noch m glich ist Sie wei t jedoch viele mit der Gelenkwelle verbundene Probleme auf Traktor 35 Umrichter Generator Umrichter L ftermotor Umrichter Kompressor motor RESTE EAN Zus tzliche Komponenten N a a I Bild 12 Erweitertes Konzept f r elektrischen Ger teantrieb 3 2 Bedienkonzept a A002 Spannungs wandler z j Ood Ad Fahrzeug batterie m Umrichter 1 Anbauger t m Umrichter 2 Anbauger t Ausgehend von der gew hlten Systemarchitektur ergeben sich Anforderungen an das Bedienkonzept der elektrischen Schnittstelle es soll dem Anwender eine kom fortable sichere und effiziente Bedienung erm glichen Die Bedienung einfachster Ger te soll genauso m glich sein wie der Betrieb komplexer hoch automatisierter Systeme gegebenenfalls auch in Form eines offenen Gleichspannungsnetzes wie in 12 36 Traktor 3 2 1 Funktionale Ebenen Zun chst werden funktionale Ebenen definiert in denen die Vielzahl m glicher Betr
164. s wird in Bild 13 ein Flussdiagramm ver wendet Dieses kann sp ter als Vorlage zur Erstellung eines Zustandsautomaten in der Software dienen Es erfolgt eine st ndige berwachung des Steckerzustandes und die nachfolgenden Prozesse werden sofort verlassen so bald kein Stecker mehr gesteckt ist Dies geschieht unabh ngig von ihrem mo mentanen Zustand Die Systemreaktion w re eine R ckkehr in den Zustand Aus Dar ber hinaus wird auch vorausgesetzt dass ein wie auch immer geartetes Be dienelement von Benutzer bedient werden muss bevor der Antrieb anl uft wo durch der Prozessschritt Aktivierung abwarten notwendig wird bevor das System in den Zustand Ein wechselt Dieses Flussdiagramm geht zun chst von der Annahme aus dass es Anbauger te mit elektrischem Antrieb gibt die nicht automatisch identifiziert werden k nnen F r diesen Fall ist die Parametrierung des Umrichters von Hand vorgesehen Wird nicht die Betriebsart Motor gew hlt oder schl gt die Einstellung einer Ebene im weiteren Durchlaufen des Zustandsautomaten fehl springt das System in die Be triebsart Steckdose Aus Gr nden des Komforts und der Bediensicherheit wird die Abfrage der Betriebsart Motor vorgeschaltet Somit wird ein unbeabsichtigtes Betreiben des angeschlossenen Ger tes an einer standardisierten Frequenz und Spannung erschwert a Traktor dentifikatior N Betriebsart Parameter Paramete orhand
165. sehr wertvolle Erfahrung nicht machen k nnen Die T tigkeit in Hohenheim und Mannheim war gepr gt durch ein sehr angeneh mes Arbeitsklima und anregende Diskussionen im Kollegenkreis die einen nicht zu untersch tzenden Anteil an dieser Arbeit haben Daf r sei allen Beteiligten herzlich gedankt Einen ebenfalls erheblichen Beitrag haben wissenschaftliche Hilfskr fte und Studenten durch das Bearbeiten von Teilaufgaben und im Rahmen ihrer Abschlussarbeiten geleistet Auch hierf r m chte ich mich ausdr cklich be danken Mit der Emeritierung von Herrn Professor Kutzbach bernahm Herr Professor B t tinger die Rolle des Berichterstatters und machte sich um die schriftliche Ausarbei tung sehr verdient Ich danke ihm ganz herzlich daf r diesen nahtlosen bergang erm glicht zu haben Ebenso m chte ich mich bei Herrn Professor Pickel bedan ken der sich nicht nur bereit erkl rte den Mitbericht zu bernehmen sondern schon in der Entstehungsphase immer wieder hilfreiche Hinweise gab Mein be sonderer Dank gilt auch Herrn Dr h c Rauch Er und seine Mitarbeiter haben die Untersuchungen zum D ngerstreuer erm glicht und durch intensive und offene Diskussionen entscheidend zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen Nicht zuletzt danke ich all jenen die mir durch ihre ideelle oder materielle Unter st tzung erm glicht haben diese Arbeit anzugehen und abzuschlie en Mannheim im Januar 2011 Klaus Hahn Vi Verzeichnisse VII
166. sich nach 27 und 28 in erster Linie durch folgende Eigenschaften aus e Hoher Wirkungsgrad e Uberlastbarkeit e VerschleiBarmut praktisch keine Wartung erforderlich e Gute Regelbarkeit e Unempfindlichkeit gegen ber der Temperatur e Umweltfreundlichkeit keine Leckagen ger uscharm e Einfache und verlustarme bertragung und Speicherung Insbesondere der hohe Wirkungsgrad und die berlastbarkeit machen sie interes sant f r Fahrantriebe Im Gegensatz zu hydrostatischen Antrieben die durch ein berdruck Bypassventil vor berlastung gesch tzt werden m ssen k nnen Elekt romotoren teilweise um ein Vielfaches ihrer Nenn Betriebskennlinie berlastet werden D h der elektrische Antriebsstrang muss nicht auf die maximale Leistung sondern kann auf eine erwartete Durchschnittsleistung f r Dauerbetrieb ausgelegt werden Hierbei ist jedoch darauf zu achten dass der Motor ausreichend berlast bar ist Als Grenze der berlastbarkeit ist hierbei die maximale Erw rmung eines Bauteils dies sind in der Regel die Wicklungen zu sehen Ausgehend von deren maximal zul ssigen Temperatur und der von der K hlung abf hrbaren Verlustleis tung wird elektrischen Maschinen in Abh ngigkeit von der geforderten Leistung 12 Stand von Forschung und Entwicklung dann eine zul ssige Betriebsart zum Beispiel S1 f r Dauerbetrieb oder S2 f r Kurzzeitbetrieb 29 zugeordnet Ein elementarer Aspekt der angestrebten Anwendungen ist die Drehza
167. sity Working Paper No 07 13 Hloben P J Vondfi ka and P Schulze Lammers Study on response time of direct nozzle injection system for variable rate application of herbi cides Tagungsband CIGR World Congress Agricultural Engineering Bonn 2006 VDI Berichte Nr 1958 2006 S 319 320 Vondficka J und P Schulze Lammers Optimization of direct nozzle in jection system s response time Tagungsband VDI MEG Tagung Land technik Hannover 2007 VDI Berichte Nr 2001 2007 S 507 512 Giles D and J Comino Variable flow control for pressure atomization nozzles Journal of Commercial Vehicles 98 1989 No 2 pp 237 249 Pierce R and P Ayers Evaluation of deposition and application accura cy of a pulse width modulation variable rate field sprayer ASAE Meeting Paper No 01 1077 Han S L Hendrickson B Ni and Q Zhang Modification and testing of a commercial sprayer with PWM solenoids for precision spraying Applied Engineering in Agriculture 17 2001 No 5 pp 591 594 Koo Y and H Sumner Total flow control for a direct injection sprayer Applied Engineering in Agriculture 14 1998 No 4 pp 363 367 Schwarz J und R Schlauderer konomische und kologische Aspekte des Sensoreinsatzes im Pflanzenschutz Landtechnik 59 2004 H 5 S 264 265 156 Literatur 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 Hloben P M S kefeld und P Schulze Lammers
168. ssige Volumenstrom mittels eines Bypass Ventils zur ck in den Tank geleitet Erfahrene Anwender reduzieren zwar die Pumpen drehzahl ber eine Absenkung der Zapfwellendrehzahl von einer Regelung kann aber nicht gesprochen werden Der zum Spritzen erforderliche Volumenstrom Qsou spritzen ist dabei eine Funktion der Applikationsrate Qapp der Fahrgeschwin digkeit v und der aktiven Gest ngebreite baktin Gleichung 21 Die aktive Gest ngebreite ber cksichtigt dabei im Gegensatz zur Gest ngebreite an sich eine M glichkeit zur Teilbreitenabschaltung Diese beeinflusst den ben tigten Vo lumenstrom vergleichsweise dynamisch da die Teilbreiten beim Ausspritzen von Keilen oder Auslassen nicht zu behandelnder Stellen kurzfristig ab und ange schaltet werden k nnen Die Dynamik h ngt dabei ma geblich von der Breite der Teilbreiten ab Qon spritzen FO app gt Vs Dativ 21 In einigen Sonderanwendungen wird ein konstantes Tropfenspektrum gefordert so z B f r tzmittel 4 wodurch eine Druckregelung erforderlich wird Diese ist dann unabh ngig von der Fahrgeschwindigkeit ansonsten gilt Gleichung 21 un ver ndert Beim Spritzen muss zu diesem Volumenstrom noch der f r das Durch mischen erforderliche Volumenstrom Qsoy mischen addiert werden so dass sich der von der Pumpe bereitzustellende Volumenstrom Qsou ges nach Gleichung 22 ergibt Omes Qeon sprizen Qsoit mischen 22 82 Pflanzenschutzspritze Sobald der er
169. starken Einfluss auf den Reifenschlupf haben kann Aus den im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Fahrwiderst nden und der Fahrgeschwindigkeit ergibt sich eine f r das Fahren notwendige Zugleistung Die Summe aus dieser und der Verlustleistung im Getriebe muss vom Dieselmotor bereitgestellt werden 3 4 2 3 Ger teantrieb Der Ger teantrieb ist der eigentliche Gegenstand der Untersuchungen da die ver schiedenen Antriebssysteme bez glich ihres Einflusses auf den Kraftstoffver brauch verglichen werden sollen Das Ger teantriebssystem weist daher drei Subsysteme auf deren Modelle in Zusammenarbeit mit BRITSCH 77 entwickelt wurden Zapfwellengetriebe Hydrauliksystem und elektrisches System Wichtigste Parameter sind auch hier Verlustleistung und Wirkungsgrad allerdings bertragen sich aus Sicht des Arbeitsprozesses auch Anforderungen des Ger tes z B An triebsdrehzahl mittels des Ger teantriebs auf den Dieselmotor Insbesondere gilt dies f r den Zapfwellenantrieb an dem auf Grund der nicht vorhandenen Stufen losigkeit eine bestimmte Drehzahl eingestellt werden muss auch wenn bei dieser dann eine aus Sicht der Leistungsanforderung unn tig hohe Drehzahl des Diesel motors anliegt Traktor pe a Zapfwellengetriebe Am Zapfwellengetriebe kann beim Versuchstrager zwischen drei Ubersetzungs stufen gew hlt werden die wie in Bild 17 gezeigter Weise realisiert werden 1000 540E 1000E Bild 17 Getriebeschema des Zapfwel
170. t element selbst da nicht v llig auszuschlie en ist dass auch dieses kontaminiert wird Verschiedene Standards beschreiben Testverfahren f r Steckverbinder eine gute Basis f r den angestrebten Steckverbinder stellt die SAE J 2030 74 dar auch wenn sie nicht direkt anwendbar ist weil sie nur Steckverbinder in elektri schen Systemen bis 50 V einschlie t Des weiteren sieht sie nur Tests im gesteck ten Zustand vor und sollte daher f r die Anwendung Ger teanschluss erweitert werden da davon ausgegangen werden muss dass der Stecker auch im ungesteckten Zustand verschiedensten Umwelteinfl ssen ausgesetzt sein wird und diese auch berstehen muss Eine weitere wichtige Rolle bei der Praxistauglichkeit kommt dem Kabel zu Es muss allen Umwelteinfl ssen le Kraftstoffe UV Strahlung tierische F kalien Pflanzenschutz und D ngemittel ber Jahre hinweg widerstehen k nnen und sollte auch eine gewisse mechanische Stabilit t gegen Torsion Dehnung Abrieb und Knicken mitbringen Eine Verlegung in entsprechenden Schutzrohren w re an vielen Stellen vor allem auf den Ger ten ratsam wird jedoch nicht immer m glich sein Dabei soll das Kabel nicht zu steif werden und gut verarbeitbar bleiben Des Weiteren ist auch das Kabel Teil des Dichtungssystems eines Steckverbinders und muss dementsprechende Eigenschaften aufweisen So sollte zum Beispiel das Mantelmaterial g nstig f r eine Dichtung am Stecker sein Dar ber hinaus Trakto
171. t Im Zuge der Auswertung der Versuche musste festgestellt werden dass bei einer der Messungen im Zentrum ein Fehler aufgetreten war der diese unbrauchbar machte Da jedoch auch ohne diesen ein hohes Bestimmtheitsma erreicht wurde wurde auf eine Wiederholung verzichtet zumal aus Gr nden der Reproduzierbarkeit und zur Minimierung des Einflusses der St rgr en die gesamte Versuchsreihe wiederholt werden m sste Als Nachteil der Methode bleibt dass ber den vorher festzulegenden Wertebe reich hinaus nicht extrapoliert werden kann Da die entscheidenden St rgr en wie z B die L fterdrehzahl weitestgehend konstant gehalten werden konnten liegen die Abweichungen von Simulation und Feldversuch sehr wahrscheinlich in der ungenauen Abbildung des Terrain Komplexes und der unzureichenden Model lierung des Fahrgetriebes begr ndet Die Frage des Kraftstoffverbrauches der unterschiedlichen Antriebsarten kann ab schlie end nur durch einen gr er angelegten Feldversuch mit allen Maschinen typen gekl rt werden Auch hier stellt sich wieder die Frage der Vergleichbarkeit der Rahmenbedingungen Es sollte eine Methode gew hlt werden mittels derer die Umweltwirkung der Versuche minimiert und gleichzeitig eine maximale Repro duzierbarkeit der Terrainfaktoren Reifen Boden Kontakt und Steigung erreicht werden kann Zusammenfassend liefert Tabelle 27 einen berblick ber die Vor und Nachteile der untersuchten Antriebe f r einen D ngerstr
172. t kleiner geworden sein da die Tankvolumina im Verh ltnis zu den Ar beitsbreiten eher berproportional gestiegen sind Wird die gleiche Wasserauf wandmenge unterstellt bleiben die absoluten Bef llzeiten allerdings gleich Es kann festgehalten werden dass die Bef llung in jedem Fall mit dem Fortschritt in der Ausbringung mithalten muss um einen konomischen Prozess zu erm gli chen Dies kann fast ausschlie lich durch eine Steigerung der F llleistung wie im hier vorgestellten Versuchfahrzeug erreicht werden Die Installation dieser F rder leistung auf dem Ger t ist dabei v a f r Lohnunternehmer sinnvoll da diese un terschiedliche Ausr stungen an den jeweiligen Bef llstellen vorfinden und somit keine Alternative zum maschinenseitigen Vorhalten der Kapazit t haben Zur Verminderung der Schaumbildung in Feldspritzen sind Additive erh ltlich 114 die eine Schaumbildung gerade bei niedrigem Tankf llstand und hoher Mischrate verhindern sollen Auf den Einsatz solcher Zus tze kann mit dem vor geschlagenen System vermutlich g nzlich verzichtet werden da eine f llstands angepasste Regelung der Durchmischung m glich ist Dies tr gt wiederum zur 130 Diskussion Reduzierung von Restmengen und f r die Ger tesp lung aufzuwendenden Zeiten bei 84 Triebachsanh nger Die in der Simulation ermittelten Ergebnisse zeigen dass der Triebachsanh nger einen teilweise erheblichen Beitrag zur Schlupfreduzierung leisten kann So k
173. tark von der Verf gbarkeit und Beschaffenheit der entsprechenden Leistungsquelle am Traktor gepr gt wird Als Beispiel seien hier die standardisierten Zapfwellendrehzahlen genannt Betrachtet man vor diesem Hintergrund die konkrete Ausf hrung der Maschinen wird schnell deutlich dass ein einfaches Ersetzten heute mechanischer oder hydraulischer Antriebe zwar m glich aber nicht zwangsl ufig auch vorteilhaft sein muss Insbesondere dort wo eher niedrige Drehzahlen und hohe Drehmomente gefordert sind ist die elekt rische Maschine klar im Nachteil Hier ist der Einsatz von Untersetzungsgetrieben unumg nglich wenn Gr e und Kosten der elektrischen Komponenten vertretbar gehalten werden sollen Einen interessanten Sonderfall stellen solche Ger te dar bei denen auf Grund der hohen Komplexit t im Antriebsstrang erhebliche Verluste auftreten und ein hoher Aufwand in der Maschinenkonstruktion auf der einen Seite und Wartung in der Anwendung auf der anderen Seite notwendig werden Bei spielhaft sei hierf r ein M haufbereiter angef hrt Untersuchungen in 133 zeigen dessen hohes Potenzial diesbez glich Dar ber hinaus k nnen elektrische Antrie be wie in 134 auch dazu eingesetzt werden um die Maschinenkonstruktion zu erleichtern da ihre aufgel ste Bauweise Wellendurchf hrungen und zapfwellen nahe Anbaur ume wie schon bei der Feldspritze unn tig macht Soll in der Zukunft ein Umschwung hin zum elektrischen Antrieb erfolgen ist
174. te Faktoren im Versuchsplan zu variieren um ein m gliches Minimum des Kraftstoffver brauchs identifizieren zu k nnen Zur empirischen Beschreibung dieser Zusam menh nge wird das quadratische Modell aus Gleichung 24 angewandt dessen Koeffizienten sp ter mittels Regressionsanalyse bestimmt werden und in dem die Abweichung vom idealen Modell beschreibt B By Pinp Biv Bs ps Binoy Bip Ps BaVPs 2 2 2 24 Bunp Bav By ps E Dies hat zur Folge dass f r jeden Faktor mehr als zwei Faktorstufen zu messen sind Hierf r bietet sich ein zentral zusammengesetzter Versuchsplan an der aus einem vollst ndig faktoriellen Versuchsplan W rfel besteht dem ein Zentrum und ein Stern hinzugef gt werden Bild 43 110 gt e Bild 43 Zentral zusammengesetzter Versuchsplan f r drei Faktoren 110 106 Ergebnisse Um von einem Versuchsplan mit normierten Stufenwerten wie in Tabelle 21 zu einem konkreten Versuchsplan zu gelangen m ssen den normierten Werten na t rliche Stufenwerte zugeordnet werden Dazu wird der Messbereich f r die Fakto ren bestimmt wonach sich 0 und a errechnen lassen Um einen schmalen Ver trauensbereich f r die Koeffizienten zu erhalten und diese von einander unabh n gig zu halten wird ein orthogonaler Versuchsplan angestrebt Dadurch ergibt sich a aus der Zahl der Einzelversuche im W rfel Nw Gleichung 25 und der Anzahl aller Einzelversuche N Gleichung 2
175. teck verbinder 44 Traktor Es wird vorgeschlagen f r den Steckverbinder eine Wirkleistung von 150 kW an zustreben Dieses Leistungsniveau w rde ausreichen um die volle Motorleistung einer gro en Zahl von Traktoren zu bertragen Oberhalb dieser Grenze ber steigt die Zahl der ben tigten Steckverbinder auf Grund des sinkenden Quotienten der elektrischen Leistung im betrachteten Bereich nie den Wert 1 33 Es kann also stets eine elektrische Leistung bertragen werden die mindestens der Motor leistung betr gt Im Praxiseinsatz sollte dies ausreichend sein da nur sehr wenige Anwendungen station r erfolgen also meist auch Zugleistung zu erbringen ist Auch finden sich heute kaum Einzelverbraucher oberhalb dieser Grenze Zwar ist es vorstellbar und sogar wahrscheinlich dass die Leistungsanforderungen in Zu kunft weiter steigen jedoch besteht stets die M glichkeit mehr als einen Steck verbinder zu verwenden Denn selbst f r gr te Anbauger te ist es eher unwahr scheinlich dass diese dann ber einen einzigen elektrischen Verbraucher gr ter Leistung verf gen Beachtet werden muss bei der Dimensionierung des Steckver binders auch dass es die Stromst rke ist die die Gr e der Kontaktelemente be stimmt Dies bedeutet dass f r all die Antriebe die bei geringen Drehzahlen ver gleichsweise hohe Momente durch elektrische Direktantriebe erzeugen sollen hohe Stromtragf higkeiten notwendig sind Auch muss der Wirkfaktor
176. ten maschinen bergreifenden Regelkreisen beruht So werden das Stellglied Umrichter auf dem Traktor und der Aktor Motor auf dem Ger t angesiedelt Damit wird eine Mehrfachnutzung der Umrichter erm glicht die der h ufigen Rekonfiguration der landwirtschaftlichen Maschinenkombinationen Rechnung tr gt Eine einfache sichere komfortable und wirtschaftliche Anwen dung wird dabei durch einen hohen Grad der Vereinheitlichung der Steckverbin der gepaart mit einer automatischen Identifikation und Konfiguration erreicht An den konkreten Beispielen D ngerstreuer Pflanzenschutzspritze und Trieb achsanh nger konnte in rechnerischen Modellen und anhand von prototypischen Maschinen eine Vielzahl von Vorteilen erarbeitet werden Diese reichen von der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beim D ngerstreuer ber die Reduzierung technischer Restmengen bei der Feldspritze bis zu Verbesserungen in Traktion und Fahrverhalten beim Triebachsanh nger Insbesondere die h ufig mit dem precision farming in Verbindung gebrachten Ger te D ngerstreuer und Spritze profitieren dabei von der guten Regelbarkeit der elektrischen Antriebe Unproduk 142 Zusammenfassung tive Nebenzeiten zum Ankuppeln und Bef llen k nnen verringert werden Ein Triebachsanh nger tr gt auch zur Bodenschonung bei Die hier dargestellten Systeme stehen am Beginn einer Entwicklung Die Vorteil haftigkeit der Entkopplung der Ger teantriebe von der Drehzahl des Verb
177. teuereinheiten und Peripherieger ten behandelt Diese Peripherie ger te k nnen dabei Bedienelemente oder Anzeigen sein ebenso wie ECUs auf einem angebauten Ger t Die ISO 11783 besteht dabei aus mehreren Teilen in denen der physical layer Teil 2 also zum Beispiel der Steckverbinder oder der data link layer Teil 3 definiert sind Der gesamte Standard st tzt sich auf schon vorhandene Werke wie die CAN 2 0b Spezifikation die SAE J1939 und die DIN 9684 Er verwendet das OSI Schichtenmodell was ein Austauschen einzelner Schichten ohne nennenswerte Beeinflussung der anderen Schichten erm glicht So k nnte sich in Zukunft insbesondere der physical layer ndern wenn bei spielsweise h here Bandbreitenanforderungen ein anderes Kommunikationspro tokoll erfordern 19 Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit sind Teile der ISO 11783 noch in Entwicklung dies sind Teil 12 diagnostics und Teil 14 sequence control Andere Teile werden derzeit optimiert Dies betrifft insbesonde re den Teil 6 virtual terminal in Bezug auf Ergonomie und Sicherheit der Ger te Bedienung Der Teil 10 task controller befindet sich derzeit in der Implementie rungsphase HENNINGER 20 liefert hierzu einen detaillierten berblick 10 Stand von Forschung und Entwicklung Der Teil 9 tractor ECU beschreibt derzeit drei Klassen von Traktor Ger te Schnittstellen wobei erst mit class 3 Traktorfunktionen wie Heckzapfwelle und Zusatzsteuerger te vom Ger t gesteue
178. tig ung nstigster D senwahl also D sen mit hohem Widerstandsbeiwert hin auszu legen ist Der maximale Druck der an vom Hersteller der Spritze freigegebenen D sen herrschen darf betr gt 8 bar 92 Bei einer Fahrgeschwindigkeit von Pflanzenschutzspritze 87 12 km h w re f r das Spritzen ohne Mischen mit der hier verwendeten Spritze ein Volumenstrom von ca 280 l min erforderlich Die Gute Fachliche Praxis 90 empfiehlt den Anwendern allerdings eine Fahrgeschwindigkeit von 8 km h nicht Dadurch hohe Abdriftminimierung gew hrleistet Dies gilt solange keine technischen Vorausset zu berschreiten wird eine Verteilgenauigkeit und zungen den negativen Einfluss h herer Fahrgeschwindigkeiten ausgleichen Hier wird vor allem auf den negativen Einfluss kleiner Tr pfchengr e auf die Abdrift verwiesen Diese wird von hohen Dr cken welche ihrerseits durch hohe Durch flussmengen bei hohen Fahrgeschwindigkeiten und ung nstiger D senwahl her vorgerufen werden negativ beeinflusst 4 Das Basisfahrzeug wird mit zwei unterschiedlichen Ausstattungen an Pumpen an geboten In der ersten handelt sich es um eine einzelne Kolbenmembranpumpe in der zweiten werden zwei parallel geschaltete Kolbenmembranpumpen eingesetzt um den verf gbaren Volumenstrom zu erh hen Bei Kolbenmembranpumpen handelt es sich um Verdr ngermaschinen Als Alternative zu diesen beiden Se rien Varianten soll noch eine Kreiselpumpe Str mungsmasc
179. tischen Modell Abrei winkel Fehlerwinkel Abweichung vom idealen Modell Wirkungsgrad Getriebewirkungsgrad Wirkungsgrad der Dichtung Wirkungsgrad des Hydraulikmotors Hydraulisch mechanischer Wirkungsgrad Wirkungsgrad der Lagerung Volumetrischer Wirkungsgrad Wirkungsgrad des Zahneingriffes Triebkraftbeiwert Maximaler Triebkraftbeiwert am Anh nger Triebkraftbeiwert an der Hinterachse Triebkraftbeiwert an der Vorderachse Dichte Rollwiderstandsbeiwert Rollwiderstandsbeiwert an der ersten Anh ngerachse Rollwiderstandsbeiwert an der zweiten Anh ngerachse Rollwiderstandsbeiwert an der Hinterachse Rollwiderstandsbeiwert an der Vorderachse Schlupf Grenzschlupf Schlupf am Anh nger Schlupf am Traktor Phasenverschiebungswinkel Verzeichnisse XIII ABK RZUNGEN ABS Anti Blockier System AC Alternating Current Wechselstrom ASABE American Society of Agricultural and Biological Engineers ASAE American Society of Agricultural Engineers Vorl ufer der ASABE 3AC Dreiphasiger Wechselstrom A C Air Conditioning Klimaanlage BGBI Bundesgesetzblatt BMVEL Bundesministerium f r Verbraucherschutz Ern hrung und Landwirtschaft Bezeichnung von 2001 bis 2005 ca circa CAN Controller Area Network CEN Comit Europ en de Normalisation CIGR Commission Internationale du G nie Rural DC Direct Current Gleichstrom DIN Deutsches Institut f r Normung DLG Deutsche Landwirtschafts Gesellschaft DPS Deere Power Systems
180. tung 132 Ausblick 9 AUSBLICK 9 1 Weiterentwicklung der vorgestellten Konzepte Im hier vorgestellten Traktorkonzept ist das elektrische System durch die Diesel motornebenverbraucher bereits gut ausgelastet Durch diese Grundauslastung wird der Generator in einem Bereich besseren Wirkungsgrades betrieben Dieser Effekt nimmt bei einem leistungsstarkeren Generator und durch einen ausschlieB lichen Ger teantrieb ab auch wenn die Teillastwirkungsgrade der elektrischen Maschinen gut sind Die Verwendung mehrerer kleinerer Generatoren die nach Bedarf zugeschaltet werden und damit h her ausgelastet waren als ein gro er Generator bietet eine zumindest theoretische M glichkeit den Gesamtwirkungs grad zu erh hen Dabei ist eine Abw gung von Bauraum und Kostenzw ngen vorzunehmen Es ist empfehlenswert den Gestaltungsspielraum bei der Ausle gung der Generatoren zu nutzen um einen guten Teillastwirkungsgrad sowie eine ausreichend hohe Leistung auch bei niedrigen Verbrennungsmotordrehzahlen zu gew hrleisten Ein im weitesten Sinne hnliches Problem kann f r die zur Gewinnung der Dreh momentinformation notwendigen Stromsensoren entstehen Wie in Kapitel 2 2 1 dargelegt sind zur Regelung Stromsensoren notwendig deren Messbereich der Strombelastbarkeit des Umrichters entsprechen muss Werden Umrichter f r den Betrieb von Antrieben kleinerer Leistung verwendet ist der Strom bezogen auf den Messbereich des Stromsensors klein Bei gleich
181. ty electrical connector performance standard Warrendale PA SAE 2007 ISO 7637 1 Road vehicles Electrical disturbances from conduction and coupling part 3 Electrical transient transmission by capacitive and inductive coupling via lines other than supply lines Genf ISO 2006 ISO 14982 Agricultural and forestry machinery electromagnetic compatibility test methods and acceptance criteria Genf ISO 1998 Britsch S Evaluierung eines alternativen Antriebskonzeptes f r Traktor Anbauger te Diplomarbeit 2007 Hochschule Pforzheim Fachbereich Maschinenbau unver ffentlicht 152 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 Literatur e Niemann G und H Winter Maschinenelemente Band 2 Getriebe all gemein Zahnradgetriebe Grundlagen Stirnradgetriebe 2 Auflage Ber lin Heidelberg New York Springer Verlag 2002 S 218 229 Compax 3 Servo Drives Firmenschrift 192 120013 N3 UK Parker Hannifin GmbH amp Co KG Offenburg Deutschland 2007 Marquering J und B Scheufler Mineralische D ngung In Harms H H und Meier F Hrsg Jahrbuch Agrartechnik Band 18 M nster 2006 S 119 123 Schauer A N Rauch J Marquering und A von Chappuis Europ ische Norm f r Minerald ngerstreuer Landtechnik 58 2003 H 2 S 102 103 EN 13739 1 Agricultural machinery Solid fertilizer broadcasters and full width distribut
182. tze mit verbesserter Regelungstechnik dieses Einsparpotenzial weiter er h hen kann Gleiches gilt f r einen Fortschritt in der Sensortechnik zur ortsabh n gigen Spritzmitteldosierung ebenso wie f r die Reduzierung der technischen Restmengen Auf Basis des auf klassischer Applikationstechnik aufbauenden Ver suchsaufbaus k nnte eine weitere Restmengenreduzierung durch elektrisch bet tigte Wegeventile erreicht werden Diese k nnen von einem durch den Bediener erreichbaren Ort zu einem den Verschlauchungsaufwand minimierenden Einbau ort verlegt werden Mittels der Direkteinspeisung an der D se kann zus tzlich das Volumen an vorgemischten Wirkstoffen und somit die zu verd nnende Restmenge noch weiter reduziert werden 127 F r den Bereich der Durchmischung und Reinigung entsteht weiteres Verbesse rungspotenzial Mit Hilfe eines elektrischen Pumpenantriebs ist eine sehr pr zise Druckeinstellung im Gest nge realisierbar Dies k nnte ein vergleichsweise einfa ches System mit berdrucksp lung auch ohne Einzeld senabschaltung m glich machen Unterst tz wird dies von zwei weiteren Nebenaspekten erstens sind Druckschwankung oder gar Druckspitzen auf Grund sich ndernder Pumpendreh zahlen wie beim Zapfwellenantrieb weitgehend ausgeschlossen Zweitens kann durch Wahl einer geeigneten Pumpenklasse eine Reduzierung des pumpenbe dingt oszillierenden Drucks der besonders bei den blicherweise verwendeten Kolbenmembranpumpen auftritt 3 e
183. ubwerken stellt man fest dass diese in der Praxis zu einer Vielzahl von Adap terl sungen gef hrt hat Auch im Bereich der mechanischen Zapfwelle und der Hydraulikkupplungen sehen die Normen verschiedene Gr en vor jedoch zeigt sich hier in der Praxis das Streben nach einer einheitlichen L sung Bez glich der Zapfwellenprofile kann auch von einer zumindest regionalen Vereinheitlichung gesprochen werden So wird in Deutschland nach wie vor das Keilwellenprofil mit 6 Keilen bevorzugt w hrend sich in vielen anderen L ndern der Typ 2 mit 21 Z hnen etablieren konnte Der in der Norm vorgesehene Typ 3 mit gr erem Durchmesser und 20 Z hnen ist in Europa selten 3 wird in den USA aber h ufig eingesetzt Aus diesen Erfahrungen l sst sich die Forderung ableiten dass der Steckverbin der in nur einer Gr e vorhanden sein sollte Dabei ist zu beachten dass eine ausreichende Leistungsf higkeit definiert wird Da elektrische Elemente ganz im Gegensatz zu mechanischen keinerlei gr enabh ngige Verluste aufweisen zu mindest solange sie nicht zu klein sind ist es zul ssig eine relativ hohe Leis tungsf higkeit zu definieren auch wenn diese weit ber dem Leistungsbedarf der anf nglich zu erwartenden Ger te liegt Dieser Ansatz ist auch vor der Forderung nach m glichst geringen Kosten zu vertreten Die vergleichsweise geringen St ckzahlen in denen ein solcher Steckverbinder ben tigt wird f hren dazu dass die Kosten f
184. ufgestellt 81 83 MARQUERING UND SCHEUFLER beschreiben auch in Hinblick auf die EN 13739 ver schiedenen M glichkeiten zum Streuen entlang von Feldgrenzen und bewerten diese wie in Tabelle 12 dargestellt 83 Tabelle 12 Einrichtungen zum Grenz und Randstreuen 1 Fahrgasse Fahr gassenabstand zur Grenze 83 sehr gut gut o mittel schlecht Grenz und Randstreu Bedienung Zuschaltbar Arbeits Kosten vorrichtung vom wahrend der qualitat Traktorsitz Ausbringung Streuscheibe Nein Nein Verstellbare Wurf Nein Nein ep yi schaufeln Streuschirm Ja Ja o an des Ja Ja 6 A ngersteuers Aufgabepunkt Ja Ja ver nderung Einseitige Reduzierung der Scheibendrehzahl Ja Ja hydraulisch Einseitige Dreh richtungsumkehr der Ja Nein 0 Scheiben mechanisch Bei getrennter Verstellbarkeit der Drehzahl der zwei Wurfscheiben kann durch ei ne Reduzierung der Drehzahl der der Grenze zugewandten Scheibe die Wurfweite einseitig verringert und damit die spezifische Ausbringmenge konstant gehalten werden wobei beim Grenzstreuen allerdings eine verringerte spezifische Aus 66 D ngerstreuer bringmenge technisch unabdingbar ist und betrachtet man Aspekte wie Abschwemmung unter Umweltschutzgesichtspunkten auch sinnvoll sein kann Der Einzelantrieb der Scheiben erm glicht dabei auch ein Randstreuen zu beiden Seiten der Maschi
185. ug uursersnnsnnnnsennnnnnnennnnnnnnn 84 5 3 1 Anforderungen an das Versuchsfahrzeug 2 84 5 3 2 Aufbau 2 rar 84 5 3 3 Auswahl von Pumpe und Antrieb 2 86 5 3 4 Steuerstrategie n uu nen eisen als paai inuit aaaea 88 6 TRIEBACHSANH NGER ccccccceeeeeceeseaeaseceeeeeseeseeeseseeeeeeseseseeeeceeeecseseeessasaasaaeeeess 6 1 Einf hrung 6 2 Einordnung in das vorgeschlagene Konzept 6 3 Simulationsmodell eneee ERGEBNISSE 4 a bein cock cane e iaeiei e aaas tubal lol 99 Pad EV QOMOMIC ea seath tote ccdscteasrag sh ee pre an 99 7 2 D ngerstreuer 100 7 2 1 Ergebnisse der Simulation 100 7 2 2 Ergebnisse des Feldversuchs 104 7 3 PflanzenschutZspritZe eee eee ee eee teeter eneeseneeeaees 113 7 3 1 Maschinenkonstruktion und Reinigen des Ger ts 113 1 3 2 Bef llen 22 2 20 2er rennen rege perl 116 7 3 3 Transport Spritzen een 117 TA Triebachsanh nger 2 4 eae a aa aa a a Eae dal EEPE eNO Ea na AAAA EAEE E 118 ADI EIET OIN EEEE TE TEE TTT 123 8 1 Trakto vs san rennen 123 8 2 D ngetstre r cccceicse ones ccnsarasvesencescteesneessos A A a TEE TE aa EAEE 124 8 3 Folds p itZ E rinii ee 127 8 4 Triebachsanh nger 2zrr24ssnesnennnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnrnnnnnnnnnnnnnnn 130 OY AUSBIICK eter tsa SSS ct re AM RR ll ES Nee Sekten 132 9 1 Weiterentwicklung der
186. ung So verwendet die Firma Rauch schon seit einiger Zeit ein Verfahren welches einen Verzicht auf eine Abdrehprobe er m glicht Dieses Verfahren fu t auf der Erkenntnis dass die Durchflussmenge 68 D ngerstreuer des D ngers proportional zum Drehmoment an der Scheibe ist 84 Zwar kann der Massenstrom auch auf Basis einer kontinuierlichen Beh lterwiegung ermittelt werden doch bietet diese Methode kaum M glichkeiten der Erkennung von Fehl funktionen wie zum Beispiel einer einseitigen teilweisen oder vollst ndigen Ver stopfung einer Schieber ffnung Die inharente Drenmomentmessung der elektri schen Antriebe liefert hier also auch einen wichtigen Beitrag zur Prozesssicher heit indem sie Fehlfunktionen zu erkennen hilft und Uberlasten ohne weitere Bau elemente wie Rutschkupplungen verhindern kann Um gro e Schlagkraft zu erreichen werden D ngerstreuer mit gro en Beh ltern ausgestattet die die Zuladung einer gro en Nutzlast an D nger erm glichen Dies f hrt zu vergleichsweise hohen Massen f r ein angebautes Ger t Aus diesem Grund sind alle Hersteller bestrebt den Schwerpunkt m glichst nahe an die Kop pelebene zum Traktorheckkraftheber zu bringen um den Hebelarm der Ger te gewichtskraft so kurz wie m glich zu halten und so ein sicheres Anheben des Ge r ts ebenso wie eine sichere und vorschriftsm ige Stra enfahrt zu gew hrleis ten Dies f hrt zu u erst knapp bemessenen Anbaur umen da zwischen Ger t
187. ungstechnischer Sicht genauso zu vermeiden ist wie eine zu geringe Durchmischung Die Neigung zur 80 Pflanzenschutzspritze Schaumbildung ist zwar auch wirkstoffabh ngig wird aber haupts chlich vom F llstand im Tank bzw in Bezug auf die Mischorgane beeinflusst 92 Es ist also zwingend erforderlich dass die Pumpe auch w hrend des Transports zumindest einen gewissen Volumenstrom zur Verf gung stellt Im Falle des Zapf wellenantriebs der Pumpe muss dieser also bei Transportfahrten eingeschaltet bleiben Die in Europa weit verbreiteten Kolbenmembranpumpen werden dabei mit der Normdrehzahl von 540 1 min betrieben Diese Drehzahl wird auf Grund der starren Kopplung an den Dieselmotor in der Realit t aber h ufig berschritten zum Beispiel beim Herunterschalten bei Bergabfahrt wobei dieser Effekt durch eine ung nstige Wahl des Zapfwellengangs 540E statt 540 noch weiter verst rkt wird Die dadurch entstehende berdrehzahl verringert die Lebensdauer der Kolbenmembranpumpen oder zerst rt diese sogar sofort Auch das schnelle Hochlaufen nach einer l ngeren Standzeit kann die Membranen besch digen da das zwischen Kolben und Membran eingeschlossene l nicht schnell genug ent weichen kann 92 Eine geregelte von der Dieselmotordrehzahl unabh ngige Pumpendrehzahl verspricht also einen bedarfsangepassten Volumenstrom und verhindert durch Begrenzung der Drehzahl Pumpensch den durch berdrehzahl Des Weiteren ist die Durchmischung dan
188. urch sich aber die Komplexit t der Sig nalverarbeitung erh ht SCHR DER beschreibt dazu verschiedene Verfahren wo bei insbesondere die Regelung um die Drehzahl Null schwierig bleibt und stark von den Anforderungen an die Regelung abh ngt 32 33 Aus Bild 4 wird auch ersichtlich dass das Drehmoment vergleichsweise einfach aus dem Strom unter Zuhilfenahme eines Maschinenmodells ermittelt werden kann Es gilt vereinfacht die Proportionalit t 2 M I 2 Stand von Forschung und Entwicklung 15 Dabei ist M das Moment an der Rotorwelle und der drehmomentbildende Strom in der feldorientierten Regelung elektrischer Maschinen Es ist festzuhalten dass somit ein Umrichter nach Stand der Technik auch stets mindestens eine Drehmo mentinformation zur Verf gung stellen kann Nachteilig an der feldorientierten Re gelung ist jedoch ihr hoher Bedarf an Rechenleistung der Steuerung da das rotie rende Koordinatensystem des Rotors permanent in die fixen Koordinaten des Stators transponiert werden muss Diese Anforderung erh ht sich bei einer sen sorlosen Regelung zus tzlich F r landtechnische Anwendungen ist eine feldorientierte Regelung nicht immer zwingend notwendig Eine sensorlose Regelung im Sinne des Verzichtes auf einen externen Rotorlage oder Drehzahlgeber ist jedoch auf jeden Fall zu be vorzugen Als Hauptgr nde sind hier Zuverl ssigkeit Kosten Anforderungen an Steckverbinder und nicht zuletzt auch der Bauraum zu b
189. war unm glich Mit Einf hrung des Allradantriebs und steigenden Motorleistungen und Massen bei Traktoren verschwanden die Trieb achsanh nger in Standardanwendungen jedoch fast v llig Ungebrochener Popu larit t erfreuen sie sich jedoch in Sonderbereichen der Landwirtschaft beispiels weise in Forstanwendungen im Weinbau und in der alpinen Gr nlandwirtschaft Der grunds tzliche Aufbau blieb bis heute weitestgehend unver ndert wobei der Antrieb ber eine Wegzapfwelle am verbreitetsten ist In j ngerer Zeit werden auch vermehrt hydrostatische Antriebsstr nge eingesetzt die allerdings ber eine zapfwellengetriebene Hydraulikpumpe versorgt werden da die Hydraulikleistung des Traktors f r einen Hilfsantrieb zwar in der Regel ausreichen w rde aber h u fig auch noch andere Antriebe mitversorgt werden m ssen 106 Besonders gilt dies bei Erntemaschinen f r Kartoffeln und Weintrauben 107 108 Auch f r An h nger zur Ausbringung von Stalldung oder G lle werden wieder vermehrt Trieb Triebachsanh nger 95 achsensysteme angeboten da gerade in diesem Bereich die Anh ngermassen im Zuge der Erh hung der Schlagkraft stark angestiegen sind und h ufig schlechte Bodenbedingungen vorherrschen so dass selbst gr ere Traktoren an die Grenze der bertragbaren Leistung sto en Dieser Umstand l sst sich grafisch wie in Bild 38 darstellen In diesem verschieben sich sowohl die Traktionsgrenze die durch Normalkraft und Triebkraftbeiwe
190. zahl angehoben werden m sste Damit zeigt sich dass auch eine reine Po wer Beyond Konfiguration nicht ohne Kommunikation auskommt Durch alle diese Punkte entstehen h chste Anforderungen an den Determinismus der bertragung sowie an die bertragungs und Verarbeitungsgeschwindigkeit Als Zwischenfazit kann festgehalten werden dass hierbei auch ein erheblicher Normungsbedarf besteht da bisher lediglich propriet re Systeme hierzu in der Lage w ren was aber auf Grund der auch in 25 erw hnten Rekonfigurierbarkeit landwirtschaftlicher Maschinen nicht als vorteilhaft f r den Anwender gesehen werden kann Tabelle 8 Eigenschaften der Grundkonzepte gut o mittel schlecht Kriterium Umrichter Umrichter auf Traktor auf Gerat Mehrfachverwendung in verschiedenen Verfahren Bedarfsangepasste Umrichterdimensionierung Einbindung in das Fahrzeugk hlsystem gt Aufwand f r Sicherheitsschaltung amp Anforderungen an Kommunikation o Leistungsdichte in der bertragung o 34 Traktor Tabelle 8 fasst die Anforderungen an die Konzepte zusammen und bewertet in wie weit diese erf llt werden Die Variante Umrichter auf Traktor ist nach dieser Bewertung vorteilhafter Auf eine umfassendere Bewertung wurde hier bewusst verzichtet da sich der Gro teil der dann ben tigten Gewichtungsfaktoren erst nach Gewinnung von Versuchsergebnissen und Erfahrungswerten ergibt E
191. zeitig hoher Anforderung an die Pr zision der Drenmomentinformation kann in diesem Fall die Aufl sung des Stromsensors unzureichend und ein weiterer Stromsensor mit kleinerem Messbe reich notwendig sein Bei einer Platzierung des Umrichters auf dem Traktor ist da her zu untersuchen wie die aus Anwendungssicht notwendige Aufl sung und Ge nauigkeit der Drehmomentinformation bereitgestellt werden kann Bei einer Plat zierung des Umrichters auf dem Ger te ist diese Fragestellung durch die feste Zuordnung von Umrichter und elektrischer Maschine irrelevant Im Bereich des precision farming bieten sich auf Grund der berlegenen Regel barkeit der elektrischen Antriebe vielf ltige Anwendungsm glichkeiten Manche Ausblick 133 dieser Anwendungen sind aus der Literatur bereits bekannt m ssen jedoch in ih rer Pr zision weiter verbessert oder sogar erst praxistauglich gemacht werden Dies soll im Folgenden anhand konkreter Beispiele veranschaulicht werden Als Versuch einer Prognose stellt Tabelle 28 eine Liste von Anforderungen mit dem zugeh rigen Trend zusammen die sich vor allem auf D ngung und Pflanzen schutz bezieht jedoch auch auf Aussaat und weitere Anwendungen ausgedehnt werden kann Tabelle 28 Prognose f r zuk nftige Anforderungen an precison farming Anwen dungen Anforderung Trend Fahrgeschwindigkeit in Bezug auf heute bei nicht ortsspezifischen Verfahren m gliche Geschwindigkeiten Ortsaufl sung
192. zu angehalten stark verd nnte Restmengen sachgerecht auf dem Feld auszu bringen Dadurch bestimmt die technische Restmenge den erforderlichen Klar wasservorrat auf der Maschine ma geblich vgl Kapitel 5 2 1 Das Klarwasser wird dabei zum Reinigen der Spritze von Innen wie von Au en verwendet wobei ersteres mit einer Verd nnung der Restmenge einhergeht Da diese auf der An wendungsfl che ausgebracht werden soll gibt es nur zwei M glichkeiten Pflanzenschutzspritze 83 e Ausbringung auf bereits behandelter Fl che gt berdosierung e Ausbringung auf noch unbehandelter Fl che gt Unterdosierung Hieraus l sst sich leicht erkennen dass beide L sungen unbefriedigend sind Es kann keine pauschale Aussage getroffen werden welche der beiden Methoden die vorteilhaftere ist aus kologischer Sicht ist aber auf jeden Fall die Ausbringung auf noch unbehandelter Fl che besser Einer der wichtigsten Gr nde hierbei ist dass die Reinigung der Spritze in der Praxis wohl am Feldrand stattfinden d rfte wodurch sich die Gefahr des Eintrags in Gew sser zus tzlich erh ht F r beide F lle aber gilt je geringer die Restmenge desto geringer die Fl che mit ber oder Unterdosierung Zus tzlich verringert sich die f r das Reinigen aufzuwen dende Zeit Der Reinigungsvorgang hat also direkten Einfluss auf Kosten und Er trag Zur technischen Restmenge in Schl uchen Armaturen und Tank kommt unter Umst nden noch eine Restmenge durch

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