Langtitel: Elektrisch-hydraulisch-mechanisches Antriebssystem für Landmaschinen mit Leistungsversorgung über Traktor-Schnittstellen
Förderkennzeichen: 313-06.01-28-RF-5-034
Zeitraum: 16.11.2016 - 29.02.2020
Fördermittelgeber: Landwirtschaftliche Rentenbank
Forschungseinrichtung(en): Technische Universität Braunschweig, Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge
Die Förderung des Vorhabens erfolgte aus Mitteln der Landwirtschaftlichen Rentenbank im Rahmen des Förderprogramms 'Forschung für Innovationen in der Agrarwirtschaft'
Postanschrift
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Projekthintergrund
Kartoffelvollernter besitzen für das Aufnehmen der Erddämme, das Abtrennen von Erde und Beimengen und schließlich das Sortieren und Überladen der Kartoffeln eine Vielzahl von Antrieben mit unterschiedlichsten Anforderungen hinsichtlich Leistung, Variabilität und Genauigkeit der Bewegung. Aufgrund der besonderen Bedingungen im Kartoffelanbau sind vom Traktor gezogene Maschinen am weitesten verbreitet. Letztere beziehen ihre Antriebsleistung über genormte Schnittstellen vom Traktor, sowohl mechanisch (Zapfwelle) als auch hydraulisch. Der Gesamtleistungsbedarf der Maschinen ist sehr hoch und unterliegt dabei großen Schwankungen, sodass diese bei Lastspitzen (schwerer Boden, Erdhaufen, Steine) an der Grenze der Schnittstellenleistung, insbesondere der Zapfwelle, arbeiten. Die Abstimmung der Fahrgeschwindigkeit und der Hauptantriebsgeschwindigkeit (Zapfwelle) sowie die Geschwindigkeitsabstimmung der einzelnen hydraulischen Prozessantriebe erfolgen weitgehend manuell. Um einen kontinuierlichen, störungsfreien Betrieb bei guter Arbeitsqualität zu erreichen, bedarf es viel Erfahrung seitens des Maschinenführers. Um Maschinenstillstand und -schäden durch plötzliche Überlastung zu vermeiden, wird im Dauerbetrieb mit einer deutlich geringeren Fahrgeschwindigkeit geerntet, als aufgrund der verfügbaren Traktorleistung möglich wäre. Eine weitere signifikante Erhöhung der Schlagkraft bei gleicher oder besserer Arbeitsqualität ist ohne die Nutzung zusätzlicher Leistungsschnittstellen des Traktors und ohne weitergehende Automatisierung nicht möglich.
Motivation und Zielsetzung
Die Grundidee des Forschungsvorhabens besteht darin, über den Einbezug elektrischer Schnittstellen in ein Gesamtsystem zur Leistungsübertragung und -steuerung vorhandenes Entwicklungspotential für leistungsintensive, komplexe Arbeitsmaschinen mit Antrieb über den Traktor zu erschließen. Im Vergleich zur Zapfwelle kann die Übersetzung der Leistungsübertragung auf dem hydraulischen und elektrischen Pfad stufenlos variiert werden. Somit kann durch die parallele Nutzung von drei Schnittstellenarten sowohl die auf der Maschine verfügbare Gesamtleistung als auch der Anteil bedarfsabhängiger, individuell und automatisiert regelbarer Leistungsübertragung erhöht werden.
Ergebnisse
Der zunehmende Elektrifizierungsgrad auf mobilen Arbeitsmaschinen erhöht die Komplexität von Antriebssystemen. Insbesondere auf batterieelektrischen Maschinen bietet sich durch die Nutzung elektrischer, hydraulischer und mechanischer Antriebskomponenten eine hohe Anzahl an Auslegungsmöglichkeiten. Um diesen Entwicklungen gerecht zu werden, wurde eine Methode abgeleitet, die eine automatisierte Simulation und Bewertung des Lösungsraums ermöglicht. Damit gelingt es bereits in Vorentwicklungsprozessen eine objektive Ermittlung von optimalen Antriebskonfigurationen durchzuführen.
Durch den Einsatz rechnergestützter Antriebssynthesen lassen sich theoretische Lösungsräume anhand von Simulations- sowie Bewertungsergebnissen sukzessive auf einen relevanten Lösungsraum verkleinern. Darüber hinaus können diese ohne weitere Annahmen und auf Basis repräsentativer Langzeitmessungen nach der optimalen Lösung durchsucht werden. Dies führt zu konkreten Konfigurationsvorschlägen für die anschließende Detailauslegung. Damit kann das vorgestellte Entwickler-Werkzeug zur automatisierten multidomain Simulation ein Werkzeug in Entwicklungsprozessen darstellen, um umfangreiche Lösungsräume handhabbar zu machen und vielversprechende Antriebslösungen zu ermitteln. Durch die technologieübergreifende Beschreibungsform ermöglicht die parallele Betrachtung elektrischer und hydraulischer Antriebe eine objektive Entscheidungsbasis, um die beste Antriebslösung abzuleiten. Aufgrund der hohen Anzahl von Lösungsmöglichkeiten ist diese objektive Auswahl aus aktueller Sicht nicht möglich, da anhand zahlreicher Annahmen Antriebskonfigurationen ausgeschlossen werden müssen, um den Entwicklungsprozess auf eine beherrschbare Komplexität herunter zu brechen.
