Projekt 35510/01

Verbesserung der Umwelt beeinflussenden Bodenfaktoren (Verdichtung, Wasserhaushalt, Ertragsoptimierung, Schlupfminderung und Kraftstoffreduzierung) durch Integration eines zu entwickelnden Radlastsensors in ein Reifendruckregelsystem

Projektträger

Steuerungstechnik StG GmbH & Co. KG
Gewerbepark Ebbendorf 4
49176 Hilter
Telefon: 05409403690

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In der Pflanzenproduktion stehen heute leistungseffiziente Traktoren und Großmaschinen zur Verfügung. Deren hohe Radlasten verbessern zwar die Traktionseffizienz, verdichten aber den Boden mit negativen Auswirkungen auf Pflanzenwachstum und Bodenwasserhaushalt.
Die Pflanzen wurzeln weniger tief, leiden in trockenen Jahren an Wassermangel und in regenreichen an Staunässe. Verdichtete Böden fördern Erosion und Hochwasser. Denn Niederschläge versickern weniger schnell, fließen deshalb in beträchtlichem Maß oberflächlich ab und reißen den Boden mit.
Ein niedriger Reifendruck bewirkt durch das Anwachsen der Kontaktfläche positive Effekte bei der Traktion durch Schlupfminderung und mit geringerer Bodenverdichtung günstigeres Pflanzenwachstum und bessere Regulierung des Wasserhaushaltes (Verdunstung und Speicherfähigkeit). Allerdings kann der Reifendruck nicht beliebig abgesenkt werden, ohne dass es zu Schäden an den teuren Reifen kommt. Um die Bodenschonung zu fördern, ohne den Reifen bei Änderungen der dynamischen Radlast durch Reaktionskräfte der Geräte, Antriebsmoment und Hangeinfluss zu schädigen, ist es folglich notwendig, den Reifeninnendruck kontinuierlich entsprechend der dynamisch auftretenden Lasten und Momente an die jeweiligen Einsatzbedingungen anzupassen.
Mit dem Ziel, Reifendruckregelsysteme mit Sensoren zur Ermittlung der dynamischen Radlasten zu entwickeln und in den Markt zu bringen, sieht das Konsortium einen praktikablen Weg, negative Effekte auf den Boden abzumildern. Mit derartigen Systemen können die beschriebenen Bodenverdichtungen und die damit einhergehenden negativen Folgen für die Umwelt bei gleichzeitiger Gewährleistung sicherer Fahrten schwerer Landmaschinen auf der Straße reduziert werden – ohne Nachteile für die Lebensdauer Reifen. Die Lebensdauer kann sogar erhöht werden, wenn kein Kompromissdruck mehr gefahren wird.
Der Antragsteller hat sich gemeinsam mit seinem Kooperationspartner das Ziel gesetzt, einen Radlastsensor in ein Reifendruckregelsystem zu integrieren. Im Rahmen des hier berichteten Vorprojektes wird die technisch-physikalische Machbarkeit des Konzeptansatzes überprüft. Im Fokus stehen Messverfahren, um innerhalb der Felge anhand deren Verformung unter Last auf die angreifenden Kräfte schließen zu können.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Mangel an Sensoren erfordert eigene Untersuchungen zur Eignung verschiedener Sensorprinzipe. Aufgrund der einfachen Integrierbarkeit wurden Dehnungssensoren favorisiert. In einer ersten Arbeit wurden eigenentwickelte Dehnungsaufnehmer getestet. Diese werden an der Felge angeschraubt. In Fortführung des Gedankens wurde dann ein Messsystem zur Übermittlung der Messdaten aus dem drehenden Rad zusammen mit kommerziellen Dehnungssensoren der Fa. ME-Messsysteme beschafft und das linke Vorder- und Hinterrad eines Traktors damit ausgerüstet.
Bisherige Messungen an der Professur für Agrarsystemtechnik der TU Dresden verdeutlichten, dass die Felge trotz ihres einfachen Aufbaus ein komplexes Verformungsverhalten im Zusammenspiel mit den Reifen zeigt. Zum besseren Verständnis der Felgenstruktur sind deshalb kontrollierbare Versuchsbedingungen von Vorteil.

Folgendes systematisches Vorgehen erfolgte bei der Evaluierung von Sensorprinzipien:
1) Messungen im Prüfstand
2) kontrollierte Messfahrten mit einem Traktor
3) Messungen bei der Feldarbeit
Grundsätzlich kann sowohl die lokale Dehnung als auch die globale Verformung der Felge Informationen über die Kräfte enthalten.

Als grundsätzlich geeignet wurden folgende Messprinzipe ausgewählt, die aufgebaut werden sollen:
• Direkt applizierte Dehnmesstreifen zur ungestörten Erfassung der lokalen Dehnung
• Induktive Näherungssensoren zur Messung der globalen Verformung der Felgen
relativ zum Fahrzeugrahmen
• Laserabstandssensoren zur Bestimmung der globalen Verformung



Ergebnisse und Diskussion

Das Projekt hat gezeigt, dass
• stetige, langsame Veränderungen (z. B. Befüllen oder Entleeren von Transportbehältnissen) automatisch berücksichtigt werden können und
• messtechnisch allerdings alles „nur“ auf Mittelwertbildung von mindestens 6 – 8 Radumdrehungen (40 – 50 m) darstellbar ist.
• Ansätze zur Kompensation des Einflusses von Querkräften in der Praxis wurden noch nicht entwickelt. Deren Störpotenzial ist groß. Sie müssen kompensiert werden.
• Die Fülle an Daten und deren komplexen Zusammenhänge mit den Zielgrößen lassen die Chance vermuten, dass zukünftige Untersuchungen und Datenanalysen zu verbesserten Ergebnissen führen.
• Unter kontrollierten Bedingungen kann die Radlast mit folgendem Fehler geschätzt werden:
o ohne Zugkraft: ~150 kg (einfache Standardabweichung, bei Sensorik ist mind. 2 s üblich à 300 kg)
o mit Zugkraft: ~ 300 kg (einfache Standardabweichung, bei 2 s à 600 kg)
• Mit Kenntnis des Raddrehwinkels kann die anliegende Zugkraft abgeleitet werden.




Fazit

Es muss festgestellt werden, dass noch weitere notwendige Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten erforderlich sind:
• Alle bisherigen Ergebnisse sind nur an einer konkreten Felge belegt. Der Nachweis der Verallgemeinerbarkeit steht noch aus und bedarf weiterer Untersuchungen.
• Auf kurzzeitige große Schwankungen, wie bei Wendevorgängen, kann sowohl das Messsystem als auch das Verstellsystem nicht reagieren. Hierzu sind mit noch zu entwickelnden „vorausschauenden Algorithmen“ besondere Betriebszustände zu erkennen und eine zusätzliche Intelligenz zu integrieren.
Die Menge an gesammelten Daten ist nicht allumfänglich ausgewertet. Sie bietet aber eine wertvolle Datengrundlage, um bei Auftauchen neuer Fragen bei der Weiterentwicklung der Projektidee diese an diesen systematisch erhobenen Daten zu untersuchen und zu beantworten.