Fahrdynamik

Um den Laufwerkwirkungsgrad von Traktoren zu erhöhen, gibt es verschiedene Ansatzpunkte. Dabei ist die Kenntnis der dynamischen Achs- bzw. Radlast nötig. Gerade bei Standardtraktoren sind kostengünstige Lösungen, die die dynamische Achs- bzw. Radlast über die vertikale Beschleunigung von Achse und Aufbau in Kombination mit den auftretenden Druckkräften in den Fahrwerkszylinder bestimmen aufgrund der starren Hinterachse nicht möglich.

Cestari et al. [1] untersuchen eine Methode zur Schätzung der Achslast der Hinterachse von landwirtschaftlichen Fahrzeugen in Echtzeit über die Messung der Reifenkompression mittels optischem Time-of-Flight-Distanzsensor (ToF-Sensor). Optische ToF-Sensoren weisen einen geringeren Energiebedarf sowie eine höhere Zuverlässigkeit bei unebenem Gelände und höheren Geschwindigkeiten gegenüber der Messung der Reifenkompression mittels Ultraschallsensoren auf. Die Methode berücksichtigt verschiedene Parameter wie Zeit, Druck und Geschwindigkeit. Bei Feldversuchen wurde ein Messfehler von ca. 1 % und einen mittleren quadratischen Fehler von etwa 7 % ermittelt [1].

Zur Reduzierung des Energieverbrauchs eines elektrischen Traktors mit Einzelradantrieb der Hinterachse untersuchen Luo et al. [2] eine Steuerungsstrategie, die auf der Identifikation von Bodenparametern basiert. Die Steuerungsstrategie optimiert den Schlupf der Räder, indem sie die horizontalen Bodenkräfte der Räder schätzt und die Antriebsmomente der Motoren anpasst, um den Energieverbrauch zu reduzieren. Die Ermittlung der Bodenparameter erfolgt in der Antriebssteuerung durch ein Modul, das die aktuellen Bodenparameter der linken und rechten Antriebsräder mithilfe eines Partikelfilterverfahrens basierend auf einem Reifen-Boden-Modell identifiziert. Über einen Gleitmodus mit dynamischer Kompensation werden die horizontalen Bodenkräfte der Räder geschätzt. Die Reduzierung des Energieverbrauchs gegenüber einer Betriebsdrehzahlregelung wird durch Hardware-in-the-Loop-Tests und reale Fahrzeugtests validiert. Die vorgeschlagene Steuerstrategie erfordert jedoch eine höhere Rechen- und Kommunikationsleistung des Fahrzeugsteuergeräts, wodurch sie bei bereits bestehenden Fahrzeugen nicht ohne weiteres implementiert werden kann [2].

Kritische Fahrsituationen auf holprigen Feldwegen führen bei kleineren Traktoren in Japan zu Problemen, da sich diese meist durch eine geringe Spurbreite und ungefederte Achsen auszeichnen. Auf den holprigen Feldwegen verlieren die Reifen partiell den Kontakt mit dem Boden oder die vertikale Bodenkraft nimmt so stark ab, dass die Seitenführungskraft die Haftreibungsgrenze überschreitet und es infolgedessen zu einem Unfall oder sogar zum Umkippen kommen kann. Watanabe et al. [3] analysieren das Lenkverhalten und die Stabilität bei Kurvenfahrten über zwei ebene Fahrzeugmodelle mit zwei Freiheitsgraden, zudem wird der Schlupfwinkel und die Giergeschwindigkeit berücksichtigt. In Bild 1 sind die beiden genutzten numerischen Modelle schematisch dargestellt [3].

Bild 1: Schematische Darstellung der dynamischen Modelle der Zugmaschine: (a) Schwingendes Modell in der Seitenansicht und (b) Rutschendes Modell in der Draufsicht [3].

Figure 1: Schematics of tractor dynamic models: (a) Bouncing model in side view, and (b) Sliding model in top view.[3].

In den numerischen Untersuchungen werden die vier möglichen Kombinationen von Federungskonzepten bei zweiachsigen Fahrzeugen untersucht: zwei starre Achsen, eine gefederte Vorderachse mit starrer Hinterachse, eine starre Vorderachse mit gefederter Hinterachse und zwei gefederte Achsen. Die Ergebnisse zeigen, dass Bodenwellen bei Traktoren mit starren Vorderachsen zu Lenkungsinstabilität führen. Im Gegensatz dazu verbessern gefederte Vorderachsen die Lenkstabilität des Traktors erheblich, da das lenkende Rad Kontakt mit dem Boden behält. [3].

Fahrsicherheit

Nicht nur bei japanischen Kleintraktoren sind Überschläge ein Forschungsthema. In hügeligen oder bergigen Regionen kommt es auch bei normalen Traktoren immer wieder zu Überschlägen von Traktoren und diese führen trotz der etablierten Sicherheitseinrichtungen wie Überrollschutzaufbauten und Sicherheitsgurten weiterhin zu Todesfällen.

Alfaro-Lopez et al. [4] untersuchen zur Erhöhung der Sicherheit von landwirtschaftlichen Traktoren im Falle eines Überschlags die Anbringung von mechanischen Energieabsorbern (MEAs) an den Verankerungspunkten des Überrollschutzes (ROPSs). In den Untersuchungen werden drei Varianten verglichen. Eine Starre Platte aus 10 mm Stahl, eine mit Abstandsstücken gestapelte Kombination aus zwei je 2 mm dicken Stahl Energieabsorbern und ein einzelner Energieabsorber aus 2 mm dickem Stahl (siehe Bild 2) [4].

Bild 2: Die drei untersuchten Varianten von mechanischen Energieabsorbern (MEAs) an den Verankerungspunkten des Überrollschutzes (ROPSs), (a) voll Platte, (b) gestapelte Kombination aus zwei MEA, (c) einzelner MEA [4].

Figure 2: The three analyzed variations of mechanical energy absorbers (MEAs) at the anchorage points of the rollover protection system (ROPSs), (a) full plate, (b) stacked combination of two MEAs, (c) single MEA [4].

Getestet wird statisch mittels hydraulischer Presse nach OECD Standards, um die Absorption der Dehnungsenergie und den Schutz der Freiraumzone, in der sich die fahrzeugführende Person im Falle eines Überschlags aufhalten sollte, zu analysieren. Da sich die Energieabsorber nur infolge einer Zugbelastung verformen, ist im Testaufbau vereinfacht ein Verankerungspunkt drehbar gelagert, obwohl in der realen Anwendung beide Verankerungspunkte einen Energieabsorber enthalten würden. Durch die Aufbringung einer seitlichen Last auf den Überrollschutz verformt sich sowohl der Überrollschutz als auch der Energieabsorber, wie in Bild 3 zu sehen ist. [4].

Bild 3: Verankerungsvorrichtung der geprüften Bögen mit MEA: (a) Gesamtansicht, (b) Detail [4].

Figure 3: Anchoring device of the tested arcs with MEA: (a) general view, (b) detail [4].

Die Anbringung von mechanischen Energieabsorbern an den Verankerungspunkten des Überrollschutzes erhöhen die Sicherheit der fahrzeugführenden Person im Falle eines Überschlags durch die größere Freiraumzone bei gleicher Belastung im Vergleich zu einem herkömmlich verankerten Überrollschutz [4].

Der Zusammenhang zwischen der Torsionssteifigkeit des Fahrzeugrahmens eines landwirtschaftlichen Mehrzweckfahrzeuges auf dessen Kippgrenze wird von Belloni et al. [5] untersucht. Hierfür wurde ein numerisches Mehrkörpersystemmodell entwickelt. Validiert wurden die Modellparameter an einem realen Fahrzeug über statische Kippversuche auf einer Neigebühne und dynamische Tests auf einer 4-Stempel-Hydropulsanlage. Die Torsionssteifigkeit des Fahrwerks hat in den Simulationen nur einen geringen Einfluss auf den Überschlagswinkel, aber mit sinkender Torsionssteifigkeit des Rahmens verbessert sich gerade bei beladenen Fahrzeugen die Bodenhaftung, jedoch sinkt der Überschlagswinkel [5].

Carabin et al. [6] erstellen ein mathematisches Modell eines Traktors mit Pendelachse zur Vorhersage der statischen Stabilität auf geneigten Flächen mit Hindernissen. Das Modell berücksichtigt die Reifenverformungen, trotz des bekannten Einflusses nicht. Validiert wurde das mathematische Modell durch Versuche an einem New Holland TN75V Traktor der auf einem Prüfstand der Freien Universität Bozen untersucht wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell die Kippgrenze zuverlässig vorhersagt, auch wenn die Reifenverformung nicht berücksichtigt wird [6].

Zur aktiven Prävention von Überschlägen bei Traktoren untersuchen Wang et al. [7] den Einsatz eines Massenkreisels, der ein Gegenmoment zum Kippmoment um die Traktorachse erzeugen kann. Über einen Servomotor kann die Richtung des Drehimpulses des Kreisels relativ zum Traktor verändert werden. Bild 4 zeigt die schematische Funktionsweise des aktiven Systems [7].

Bild 4: Schematische Darstellung des aktiven Überschlagsicherungssystems [7].

Figure 4: Schematic diagram of the active anti-rollover control system [7].

Zur Regelung wird eine Kombination aus Gleitmodusregelung und PID-Regler eingesetzt. Die Validierung der Wirksamkeit des Systems wurde mittels Simulationen in CarSim und MATLAB/Simulink sowie skalierten Experimenten durchgeführt. Es zeigt sich eine signifikante Verbesserung der Traktorstabilität in hügeligem Gelände. Das System verbesserte die Manövrierfähigkeit unter kritischen Bedingungen und erweitert den sicheren Einsatzbereich [7].

Fahrerplatz

Ganzkörpervibrationen (WBV) während der Bodenbearbeitung können zu Müdigkeit, Unbehagen und gesundheitlichen Problemen der fahrzeugführenden Person hervorrufen. Die Vibrationen werden durch verschiedene Kontaktpunkte wie den Kabinenboden, den Sitz und das Lenkrad auf den Körper der fahrzeugführenden Person übertragen. Zur Erhöhung der Sicherheit und des Wohlbefindens der fahrzeugführenden Person untersuchen Singh et al. [8] die Implementierung eines IoT-Systems zur Echtzeitüberwachung von Vibrationen in Traktoren. Mittels ThingSpeak werden die Echtzeit-Daten analysiert und Warnungen gesendet, wenn die Vibrationen die festgelegten Grenzwerte überschreiten. Neben reinen Warnungen lassen sich auch Empfehlungen zur Reduzierung der Vibrationen bei der Bodenbearbeitung ausgeben. Zukünftig könnte das System die Vibrationsbelastung entlang verschiedener Achsen und Frequenzen messen und durch maschinelles Lernen gefährliche Situationen vorhersagen und präventive Warnungen oder Empfehlungen zur Risikominderung ausgeben [8].

Zur vergleichenden Bewertung von vibrationsbedingtem Unbehagen in Fahrzeugen entwickeln Kat et al. [9] eine Methode die sowohl objektive als auch subjektive Methoden einsetzt. Objektive Methoden sind physikalische Messungen. Als subjektive Methode werden Fragebögen von Testpersonen ausgewertet, um eine qualitative Rückmeldung über den Komfort oder das Unbehagen während der Fahrversuche zu erhalten. Die Methodik soll dazu beitragen, den Fahrkomfort zu erhöhen und die Ergebnisse der physikalischen Messungen besser interpretieren zu können [9].

In einer Simulationsstudie untersuchen Kat und Els [10] die Unterschiede in den frequenzbewerteten Beschleunigungen am Fahrersitz bei gerader Teststreckenüberfahrt gegenüber einer Fahrzeuganregung auf einem 4-Stempel-Hydropulser. Die Autoren zeigen in Simulationen, dass die entstehenden Unterschiede, ausgedrückt durch eine Frequenzbewertung nach dem British Standard BS 6841:1987, die Wahrnehmungsschwelle von Probanden übersteigen würden. Die Simulationsstudien wurden mittels eines validierten Starkörpersimulationsmodells eines Land Rover Defender 110 auf einer Kopfsteinpflaster-Strecke (Belgian Paving im Gerotek Test Facilities) durchgeführt. Hierbei wurden translatorische sowie rotatorische Beschleunigungen an der Fahrersitzposition untersucht, ohne Fahrersitz- und Probandeneigendynamik in die Untersuchgen einzubeziehen. Die aufgezeigten Unterschiede und deren Signifikanz, ausgedrückt durch die Wahrnehmungsschwelle, sind auch für die Untersuchung und Abbildung von landwirtschaftlichen Fahrzeugen in Simulations- und Testumgebungen von Relevanz [10].

Zhang et al. [11] analysieren das Schwingungsdämpfungssystem der Kabine eines Radladers. Die Messdaten zur Erstellung des Modells wurden unter verschiedenen Einsatzbedingungen am realen Fahrzeug erfasst und ein nichtlineares Schwingungsdämpfungssystems der Kabine, des Sitzes und des menschlichen Körpers aufgebaut. In den Test zeigte sich eine Schwingungsverstärkung des Sitzes. An dem Modell wurde mittels genetischem Algorithmus der Effektivwert der vertikalen Beschleunigung von Kabine und Sitz verbessert [11].

Neben Vibrationsbelastungen kann auch eine mangelnde Bedienergonomie des Fahrzeugs Müdigkeit, Unbehagen und gesundheitliche Probleme der fahrzeugführenden Person hervorrufen. Traktoren sind universelle Basisarbeitsmaschinen, die durch die Kopplung von Maschinen für ein breites Spektrum von Arbeiten in der Kommunal-, Bau-, Land- und Forstwirtschaft eingesetzt werden können. Gekoppelte Maschinen nutzen meist spezielle Bediensysteme. Somit ergeben sich bei unterschiedlichen Arbeiten häufig mehrere Bediensysteme in der Kabine oder machen den Wechsel von Bediensystemen für verschiedene Arbeiten notwendigen. Zudem müssen die Bediensysteme der Maschinen auch mit unterschiedlichsten Traktoren kompatibel sein. Eine Beeinträchtigung der Bedienungsergonomie ist die Folge. Schempp [12] untersucht adaptive Bediensysteme in Traktoren, insbesondere die Spezifikation und Bewertung einer adaptiven Armlehne. Durch das adaptive Konzept soll der Zielkonflikt zwischen dem vielseitigen Einsatz eines Traktors und der ergonomischen Bedienbarkeit gelöst werden. Nicht alle Bedienelemente sind in jedem Bedienszenario erforderlich, wodurch Verbesserungen in der physischen und kognitiven Ergonomie erzielt werden können. Mit der Layer-Methode und der Assign-Methode werden zwei neue Methoden vorgestellt, die neben dem Entwicklungsprozess auf Basis des V-Modells die Spezifikation von adaptiven Bediensystemen unterstützen [12].

Bild 5: Einsatz des adaptiven Bediensystems im Feld mit einem Krone BigPack 1270 XC mit ISOBUS [12].

Figure 5: In-field use of the adaptive operator system with a Krone BigPack 1270 XC with ISOBUS [12].

Bild 5 zeigt die entwickelte adaptive Armlehne im Feldeinsatz. Das entwickelte adaptive Bediensystem wurde von fünf Fahrern in verschiedenen Einsatzszenarien getestet und positiv angenommen [12].

Sebald et al. [13] untersuchen die Benutzerfreundlichkeit des User Interface (UI) der NEVONEX Cockpit App, die IoT-Technologien in der Landwirtschaft integrieren soll. Die NEVONEX-Plattform hat inzwischen den Dienst eingestellt. Mit neun Teilnehmenden wurden Usability-Test der mobilen Anwendung durchgeführt, um Schwächen zu identifizieren und Verbesserungsvorschläge zu geben. Die meisten Teilnehmenden sind mit dem UI-Design ihrer gewohnten Traktormonitore zufrieden. Die Benutzeroberfläche der NEVONEX Cockpit App ist anhand der Untersuchung in mehreren Bereichen zu verbessern, um die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen. Überlappende Symbole und unklare Farbschemata erschweren die Bedienung. Zudem sollte eine automatische Speicherung integriert werden [13].

Zusammenfassung

Im Bereich der Fahrdynamik sollen bereits vorhandene oder bekannte Möglichkeiten, die den Energieverbrauch senken oder die Energieeffizienz steigern, verbessert werden. Der Schutz und die Entlastung der fahrzeugführenden Person bleibt weiterhin bedeutend. Untersuchungen zur Überrollstabilität, der aktiven Verhinderung und der Erhöhung des Schutzes bei einem Unfall sind weiterhin Gegenstand der Forschung. Im Bereich des Fahrerplatzes ist nach wie vor die Erkennung und Reduktion von Vibrationen Gegenstand der Forschungen, aber auch die Bedienergonomie des Fahrzeugs und der Systeme wird betrachtet.

Literatur

[1]     Cestari, R. G.; Lucchini, A.; Leati, E.; Norgia, M.; Formentin, S.; Savaresi, S. M.: Vertical load estimation in tractors via in-wheel optical sensing. IFAC-PapersOnLine (2024) H. 58, S. 532–537, DOI:10.1016/j.ifacol.2024.08.584.

[2]     Luo, Z.; Xie, B.; Tong, Y.; Zhao, Z.; Zheng, B.; Chen, Z.; Wen, C.: Energy-saving drive control strategy for electric tractors based on terrain parameter identification. Applied Energy (2024) H. 376, S. 1–15, DOI:10.1016/j.apenergy.2024.124230.

[3]     Watanabe, M.; Kazama, K.; Sakai, K.: Numerical analysis on tractor axle suspension for steering instability induced by bump disturbances. Biosystems Engineering (2024) H. 242, S. 100–106, DOI:10.1016/j.biosystemseng.2024.04.015.

[4]     Alfaro-Lopez, J. R.; Perez-Ezcurdia, A.; Latorre-Biel, J.-I.; Arana-Navarro, I.; Benito-Amurrio, M.; Villanueva-Roldán, P.: The Integration of Mechanical Energy Absorbers into Rollover Protective Structures to Improve the Safety of Agricultural Tractors in the Event of Rollover. Agriculture (2024) H. 14, S. 1050, DOI:10.3390/agriculture14071050.

[5]     Belloni, M.; Vignati, M.; Sabbioni, E.: Analysing the Effect of Chassis Torsional Flexibility on the Rollover Threshold of a Multi-Purpose Agricultural Vehicle. Vehicles (2024) H. 6, S. 415–432, DOI:10.3390/vehicles6010018.

[6]     Carabin, G.; Becce, L.; Mandler, A.; Nicolosi, F.; Mazzetto, F.: Experimental Validation of the Influence of Obstacles on Tractor Rollover Stability. In: Berruto R, Biocca M, Cavallo E, Cecchini M, Failla S, Romano E (Hrsg.). Safety, Health and Welfare in Agriculture and Agro-Food Systems. Cham, Springer Nature Switzerland 2024.

[7]     Wang, L.; Zhu, J.; Liu, F.; He, Z.; Lai, Q.; Zhu, Z.; Song, Z.; Li, Z.: Algorithm and scale experiment of gyro-based tractor rollover control towards hilly farmland application. Computers and Electronics in Agriculture (2024) H. 220, S. 1–17, DOI:10.1016/j.compag.2024.108925.

[8]     Singh, A.; Nawayseh, N.; Dhabi, Y. K.; Samuel, S.; Singh, H.: Transforming farming with intelligence: Smart vibration monitoring and alert system. Journal of Engineering Research (2024) H. 12, S. 190–199, DOI:10.1016/j.jer.2023.08.025.

[9]     Kat, C.-J.; Skrickij, V.; Shyrokau, B.; Kojis, P.; Dhaens, M.; Mantovani, S.; Gherardini, F.; Strano, S.; Terzo, M.; Fujimoto, H.; Sorniotti, A.; Camocardi, P.; Victorino, A. C.; Ivanov, V.: Vibration-Induced Discomfort in Vehicles: A Comparative Evaluation Approach for Enhancing Comfort and Ride Quality. SAE International Journal of Vehicle Dynamics, Stability, and NVH (2024) H. 8, S. 139–153, DOI:10.4271/10-08-02-0009.

[10]   Kat, C.-J.; Els, P. S.: Ride comfort comparison between 4-poster and full vehicle driving simulations using difference thresholds. Journal of Terramechanics (2024) H. 116, S. 101000, DOI:10.1016/j.jterra.2024.101000.

[11]   Zhang, X.; Liu, Y.; Li, Z.; Xiao, Z.: Measurement and optimization of nonlinear damping systems for agricultural engineering vehicle cab. Journal of Agricultural Engineering (2024) , DOI:10.4081/jae.2024.1592.

[12]   Schempp, T. T.: Adaptive operator systems in tractors : analysis of potentials and methods for specification and evaluation. Dissertation, 2024, Universität Stuttgart.

[13]   Sebald, C.; Treiber, M.; Eryilmaz, E.; Bernhardt, H.: Usability Testing of Novel IoT-Infused Digital Services on Farm Equipment Reveals Farmer’s Requirements towards Future Human–Machine Interface Design Guidelines. AgriEngineering (2024) H. 6, S. 1660–1673, DOI:10.3390/agriengineering6020095.