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Kraftstoffverbrauch beim Einsatz von

1.
2. 0 5 10 km h 1 0 5 10 15 cm 20 Geschwindigkeit Arbeitstiefe Bild 13 Einfluss von Fahrgeschwindigkeit links und Arbeitstiefe rechts auf den Zug kraftbedarf gemessen und modelliert mit Gl 27 nach Schutte 165 3 7 3 Leistungsabnahme ber Zapfwelle und Fahrzeughydraulik Neben dem Zugleistungsbedarf wird f r verschiedene Ger te auch Zapfwellenleistung oder hydraulische Leistung ben tigt um Antriebe oder Verstellungen am Ger t zu realisieren Mit Ausnahme der zapfwellengetriebenen Bodenbearbeitungsger te ist dieser Leistungsbedarf verglichen mit der Zugkraft gering weshalb auch nur wenige Untersuchungen zu diesem Thema vorliegen Um den Betrieb zapfwellengetriebener Bodenbearbeitungsger te zu opti 54 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht mieren schl gt Frerichs eine Untersuchung des optimalen Zapfwellen Zugleistungs verh ltnisses vor 153 F r eine solche Optimierung ist allerdings f r viele Arbeiten eine stufenlose bersetzung des Zapfwellenantriebes erforderlich um mit angepasster Motordreh zahl arbeiten zu k nnen 186 Thakur und Godwin stellen einen Modellansatz f r Fr sen vor bei dem auch Bodenparameter ber cksichtigt werden 187 und geben eine Zusammenstellung der g ngigsten Gleichungen hierf r Aus der komplexen Geometrie der Werkzeugbewegung durch den Boden resultieren aufw ndige Gleichungen die Modellrechnungen ohne die Bestimmung zahlreicher Bodenpa rameter u
3. 58 Entwicklung des Krafistoffverbrauchs Modells Der erwartete Einfluss dieser Parameter wird als sehr unterschiedlich eingestuft dennoch sind sie alle detailliert auf ihre Bedeutung zu tiberpriifen Nur so kann fiir weitere Untersuchungen eine objektive Auswahl durchgef hrt werden Es wird ein statisches Modell entwickelt Beschleunigungsvorg nge sind zur Beurteilung konstanter Fahrzust nde unter Ber cksichtigung von Schlepper und Ger teeinstellungen kaum von Bedeutung Lediglich f r den Vergleich mit den bei der Bodenbearbeitung gemes senen Verbrauchswerten wird die Beschleunigung des Fahrzeugs durch eine zus tzliche Kraft ber cksichtigt die verglichen mit der Zugkraft jedoch gering ist Hinzu kommt dass bei der Feldarbeit die Kraft des Abbremsens nicht in den Fahrzeugbremsen umgesetzt wird sondern die ben tigte Triebkraft reduziert Zugkraftspitzen k nnen so durch Reduzierung der Fahrge schwindigkeit sogar kompensiert werden Die sehr kurzzeitigen Geschwindigkeitsschwan kungen w hrend der Bodenbearbeitung sind f r den Kraftstoffverbrauch von geringerer Be deutung und werden daher bei den Modellrechnungen in Kapitel 5 vernachl ssigt Ein weiterer Punkt f r die Wahl des statischen Modells ist die Durchf hrbarkeit der Einzelpa rameterbetrachtung bei vertretbaren Rechenzeiten W hrend dynamische Modelle oft mit dem Kraftfluss des Antriebsstranges rechnen also von Seiten des Motors her wird f r dieses statische Mo
4. 163 164 165 166 e Frerichs L Grundlagen f r das elektronische Traktor Pflug Management Dissertation Universit t Hohenheim 1991 Forschungsbericht Agrartechnik der MEG Nr 204 e Kipp C Optimierung des Leistungsumsatzes von Traktoren durch den Einsatz elektronischer Hilfsmittel Dissertation Technische Universit t Berlin 1987 Jaufmann A Optimierungsstrategien f r ein Traktormanagement Landtechnik 52 1997 H 1 S 8 9 Jaufmann A Potential eines Traktormanagementsystems Landtechnik 52 1997 H 6 S 290 291 Stoll A Leitlinienplanung f r die automatische F hrung mobiler Arbeitsmaschinen Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Halle Wittenberg 2002 S 163 168 Stoll A H D Kutzbach and S B ttinger Automatic Control and Path Planning for GPS Guided Machinery Proceedings of the 15th International Conference of the ISTVS Hayama Japan 2005 Brenninger M Four wheel driven tractors and the effect of circulating power Proceedings of the 13th International Conference of the ISTVS Munich Germany 1999 S 613 620 Brenninger M Stufenlos geregelter Allradantrieb Landtechnik 58 2003 H 3 S 172 172 e Brenninger M Stufenlos geregelter Allradantrieb f r Traktoren Dissertation Technische Universit t M nchen 2003 Steinkampf H Die Auswirkungen unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeiten der R der eines Allradschleppers auf seine Zugf higkeit Grundlagen der Landtechn
5. 193 e Gorjatschkin W Theorie des Pfluges Grundlagen zu einer systematischen Berechnung der Pfl ge Band 1 Industrie Verlag Moskau 1927 S hne W Anpassung der Pflugk rperform an h here Fahrgeschwindigkeiten Grundlagen der Landtechnik 10 1960 H 12 S 51 62 Domsch H Pflugscharoptimierung Zur Vorhersage des spezifischen Bodenwiderstandes von Pflugk rpern Landtechnik 48 1993 H 1 S 39 40 Godwin R J and M J O Dogherty Integrated soil tillage force prediction models Proceedings of the 9th European Conference of the ISTVS Harper Adams UK 2003 S 2 21 e Konig G Berechnungsmethodische Grundlagen zur rechnergestiitzten Ermittlung des Kraft und Leistungsbedarfs fiir die Projektierung und fiir den Betrieb von Bodenbearbeitungsger ten Maschinen und Aggregaten Dissertation Ingenieurhochschule Berlin Wartenberg 1988 Harrigan T M and C A Rotz Draft Relationships for Tillage and Seeding Equipment Applied Engineering in Agriculture 11 1995 H 6 S 773 783 Stroppel A Stufenlose Regelzapfwelle SRZ bei Traktoren VDI Tagung Landtechnik Braunschweig 1991 Thakur T C und R J Godwin The present state of force prediction models for rotary powered tillage tools Journal of Terramechanics 26 1989 H 2 S 121 138 Kalk W D und O Bosse Darstellung der an rotierenden Bodenbearbeitungswerkzeugen mit horizontalen Drehachsen wirkenden Kr fte und Drehmomente Grundlagen der Landtechnik 3
6. 6 0 m Stra en und Wege BREN SY MY iA Ee N N Oa mA EE K SE EE 200 kg 100 102 47 109 aM m m Zugkraftbeiwert gx R E n SH EN dE i A NNN N 7 Su Sta N STIMA A WC SS ORR 00k Lehm Toth ST SSS SI mee e pi oe Ces es EIER ERBE L t et Zehen d 20 40 A 3 80 Schlupf 0 Bild 6 Rollwiderstand f r unterschiedliche Reifen und Fahrbahnbedingungen nach Mey er links und Triebkraft Schlupf Kurven f r unterschiedliche B den nach S hne rechts 3 5 1 Messungen zum Triebkraftverhalten Zur Messung des Triebkraftverhaltens wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Pr fst nde entwickelt Dabei ist allen gemeinsam dass ein definiert angetriebenes Rad mit einer definier ten Geschwindigkeit und Aufstandskraft ber den Boden bewegt wird Die gemessene Trieb kraft h ngt dabei stark von dem Verh ltnis zwischen Fahrgeschwindigkeit v und Umfangsge Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 29 schwindigkeit vm ab Daher wird sie blicherweise abh ngig vom Schlupf o angegeben der sich nach Gleichung 8 berechnet Vth OI Tun Diese Definition wird im Allgemeinen fiir angetriebene Rader Triebschlupf genutzt Bei gebremsten R dern Bremsschlupf m ssen Z hler und Nenner jeweils im zweiten Summand der Gleichung 8 vertauscht werden 92 Diese Fallunterscheidung ist bei Betrachtung des gesamten Antriebs und Bremsspektrums notwendig um Schlupfwerte zwische
7. Fahrstrecke wird vornehmlich durch die ber cksichtigte Wegl nge beeinflusst ansonsten l sst er sich mit dem beschriebenen Modell sehr genau berechnen 4 11 Gesamtmodell Im Gesamtmodell werden die einzelnen Komponenten des Schleppermodells mit dem Zug kraftmodell und den Nebenleistungsdaten kombiniert Dann kann der Verbrauch bei der Feldarbeit oder Stra enfahrt berechnet werden Um den fl chenbezogenen Verbrauch zu ermitteln muss auch noch der Verbrauch in den Wende R st Neben und Wegezeiten wie in Kapitel 4 10 beschrieben ber cksichtigt werden Die Optimierung des Arbeitsprozesses erfolgt ohne diese Anteile wenn sie durch die untersuchten Einstellungen nicht beeinflusst werden Ergebnisberechnungen 107 5 ERGEBNISBERECHNUNGEN Mit dem beschriebenen Modell lassen sich Schlepper und Ger tekombinationen mit einer Vielzahl von Einstellungen untersuchen und die Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch k nnen in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt werden Da in dieser Arbeit allgemeine Aussagen zum Verbrauchsverhalten und nicht spezielle Untersuchungen zum Einfluss eines bestimmten Parameters im Vordergrund stehen werden in diesem Kapitel die wesentlichen grundlegenden Zusammenh nge anhand von beispielhaften Schaubildern dargestellt Somit sollen Grunds tze zum Verbrauchsverhalten aufgezeigt Basisuntersuchungen f r die Erstel lung von vereinfachten Berechnungsgleichungen durchgef hrt und M glichkeiten f r Be
8. Gewahlte Geschwindigkeit Tempomat Drehzahl oder Radar geregelt m tT A o Ggf Kraftheberregelungsart 1 Ggf Klimaanlage 1 Gleichungen zum L sen der Gleichungssysteme aus A3 A5 und A6 A8 Al A2 Anhang 179 Erstes Gleichungssystem Fiz x Fy ve 1 1 1 1 he hy ER ER l4y hy ly bh l4x 0 0 tan y h h tan y h 14 Fg Fpz g Foy lee For lay Fry Ipc Fee py Fah hee Foy lez Fez lox Fey lp Fpz Jm Fry Fox bn 0 Zweites Gleichungssystem A3 A4 A5 A6 A7 A8 180 Anhang Tabelle A2 Bodenparameter f r das Reifen Boden Modell und das Zugkraftmodell Boden Nr 1 2 3 4 5 6 Pye eee ST o 2 23 5 3 2 2 3588 2 Bezeichnung E a SENG S gt E 2 g8 g g lt 5 50 D L 35 ic Z ee Bewuchs Koewuchs 1 0 5 0 9 0 0 o 95 05 0 Oberbodenfestigkeit ren 1 0 6 0 7 EE Unterbodenfestigkeit Kretu 1 o 8 0 8 0 1 0 6 0 9 9 8 0 8 0 9 Tongehalt Kron 4 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 9 1 0 9 0 6 Feuchtegehalt krenchte D 0 5 0 6 0 5 0 5 0 6 9 9 0 5 0 4 Tabelle A3 Schlepperparameter f r die Modellberechnungen 1 Teil kleiner Standard gro er Standard schlepper 1 schlepper 2 Radstand m 2 65 2
9. antrieb unterschieden Tabelle 9 Gleichungssystem f r den Antriebsstrang Linkes Hinterrad alo 1 2 G1 y Mile Fiz klo Jr ala G2 Fix o F2 o G3 Rechtes Hinterrad oy 1 2 2 GA y Mlo n Po Leslie lr plo G5 Polo Fo rlo G6 Linkes Vorderrad M3 r3 o3 a 1 G7 M3 03 13 F k3 03 p3 03 G8 F 03 Fy sales G9 Rechtes Vorderrad DEE G10 M4 o4 14 Faz 4 04 P4 04 G11 F4 04 Faz ale G12 Endantriebe ou Ten G13 M Ma G14 ley MEI gu O Te G15 M Mn G16 EM ou 3173 G17 M Masi G18 NEWS O 4 04 feu G19 M Murs G20 Iga EA Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 85 Hinterachsdifferenzial Gesperrt Ungesperrt O oi Mj Miz G21 O On A G22 Ma M My G23 IDH DH Vorderachsdifferenzial Gesperrt Ungesperrt oi Ou M3 M 4 G24 a Loi Oy Hipp G25 Mi M My G26 pt pv Allradverteilergetriebe Allradantrieb Hinterradantrieb On a SE Og Oy Op fu G28 M M Melon My G29 Ir ML Zusatzbedingung f r Zugkraft Fzug Fri Fro Fr3 Fra G30 Die L sung dieses Gleichungssystems w re die einzige M glichkeit den Antriebsstrang ohne iterative oder numerische Verfahren zu berechnen da er insgesamt mit d
10. l o 6 2 4 Der Antriebsstrang Die Wirkungsgrade der unterschiedlichen Bauarten von Antriebsstrang und Getriebe lassen sich weder durch eine bestimmte Schleppleistung noch durch einen konstanten Wirkungsgrad gut erkl ren Daher wird ein vereinfachter Ansatz des in Kapitel 4 5 gezeigten Verfahrens vorgeschlagen der beides ber cksichtigt und im Wesentlichen dem Ansatz nach Dubbel 81 entspricht Die Fahrleistung kann dann f r die Nabenleistung bei mechanischer Leistungs bertragung nach Gleichung 89 berechnet werden Die leichte Drehzahlabh ngigkeit der Planschverluste wird dabei vernachl ssigt Die Parameterwerte sind in Tabelle 18 f r unter schiedlich gute Getriebe sowie einen hydrostatischen Fahrantrieb aufgelistet F r Acker Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 147 schlepper kann die gesamte Nennleistung Penn ber das Getriebe bertragen werden ein Teil dieser Leistung f llt als Schleppleistung an zweiter Summand Da f r hydrostatische Fahr antriebe in der Regel lediglich ein Teil der Motorleistung ber das Getriebe bertragen wer den kann ist der Wert g2 in diesem Fall bereits gedrittelt worden um auf einen weiteren Parameter zur Festlegung der maximal bertragbaren Getriebeleistung zu verzichten Zur Ber cksichtigung hydrostatischer Fahrantriebe bei Ackerschleppern und anderen Zugmaschi nen m ssten die Parameter gesondert festgelegt werden In der landwirtschaftlichen Praxis werden solche Sy
11. 134 Ergebnisberechnungen Vergleich zum geringeren spezifischen Verbrauch bei gr erer Motorauslastung Hinzu kommt das bei diesem g nstigeren spezifischen Verbrauch auch der gr te Teil der Leistung verglichen mit dem geringen Anteil bergab bei schlechteren spez Verbrauchswerten ben tigt wird Erst bei Steigungen bei denen der Schlepper bergab zus tzlich gebremst werden muss kehrt sich der Einfluss wieder um und der Verbrauch steigt an Diese Effekte sind in Bild 53 anschaulich dargestellt Dazu wurden f r einen Schlepper bei konstanter Zugkraft unter schiedliche Fahrgeschwindigkeiten simuliert um die Motorauslastung zu variieren Motorleistung nicht ausreichend co 5 F ee a A D e d Rd Ba Ka N S 2 T bergab ziehen bremsen x rollen 12 d 18 Steigung bergauf bergab o Bild 53 Kraftstoffverbrauch bergauf und bergab gemittelt in Abh ngigkeit von der Stei gung Schlepper Nr 2 Boden Nr 3 F 10 kN Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Bei der Kurve f r 10 km h zeigt sich der berwiegende Einfluss des Schlupfes da der Motor auch bergab relativ gut ausgelastet ist Bei 8km h gleichen sich der Schlupfeinfluss und der Auslastungseinfluss in etwa aus bis der Schlepper ab einem Gef lle von 12 9 bergab ge bremst werden muss Bei 5 km h berwiegt der Auslastungseinfluss bis zum Rollen bergab F r geringere Zugkr fte verhalten sich die Kurven auch bei 10 km h analog
12. D ls II lax lay az Un e IEN Bild 16 Kr fte an den Radaufstandspunkten 1 bis 4 sowie den Angriffspunkten der Gewichtskraft G und der Zugkraft P 62 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells Bei bekanntem Rollwiderstandsbeiwert p und Rollradius r kann der Hebelarm der Radlast bereits in erster N herung ber cksichtigt werden Die Koordinaten der Aufstandspunkte liegen folglich um diesen Wert in Fahrtrichtung verschoben Im erster N herung werden die Radlasten ohne Ber cksichtigung der Zug und Seitenkraft verteilung auf die Einzelr der ermittelt Da die Radlasten in z Richtung wirken ist das Mo mentengleichgewicht um diese Achse vorerst ohne Bedeutung Zug und Seitenkr fte in den Radaufstandspunkten erzeugen jedoch auch ein Moment um die x bzw y Achse welches in den entsprechenden Momentengleichgewichtsbedingungen Gl 34 und Gl 35 ber cksich tigt werden muss Da die Zug und Seitenkr fte der Einzelr der unbekannt sind wird ihr Anteil am Momentengleichgewicht nach den Gleichungen 31 und 32 ersetzt Dazu wird ausgenutzt dass die Hebelarme mit denen Zug und Seitenkr fte auf den Bezugs punkt Ursprung des Koordinatensystems mittig in der Hinterachse wirken f r alle Radauf standspunkte gleich sind Es wird die Ersatzgr e hy H he der Hinterachse eingef hrt Gleichung 28 hy hz ER EH lg 28 Aus den Kraftegleichgewichten in x und y Richtung kann di
13. Literatur bersicht 53 sind insbesondere die schnelle und einfache Berechnung f r unterschiedliche Arbeitsbreiten Arbeitstiefen und Fahrgeschwindigkeiten Au erdem kann auf die Bestimmung von Bodenpa rametern verzichtet werden und es liegen Parameterwerte f r eine Vielzahl von Ger ten vor die so f r praxisnahe Berechnungen angewendet werden k nnen siehe Tabelle A4 im An hang Daher ist dieses Modell zur Untersuchung des Kraftstoffverbrauchs gut geeignet Der Einfluss von weiteren Ger teparametern wie Scharform oder Anordnung der verschiedenen Werkzeuge soll nicht Gegenstand dieser Arbeit sein Solche Untersuchungen k nnen gezielt zur Minimierung des ben tigen Zugkraftbedarfs und zur Optimierung des Arbeitsergebnisses durchgef hrt werden Der Vergleich der mit dem ASAE Standard berechneten Werten mit in Hohenheim durchgef hrten Messungen zeigt sowohl f r die Geschwindigkeitsabh ngigkeit als auch f r den Tiefeneinfluss dass das grunds tzliche Verhalten des Ger tes gut abgebildet wird Bild 13 165 Dennoch k nnen durch Bodenunterschiede Abweichungen auftreten wie im Bild 13 rechts f r Standort A dargestellt Der Anstieg mit der Tiefe wird auch dabei sicht bar 40 40 r m Messwerte Heidfeldhof Schlag 22 A M8 Zugkraft Standort A KN Modellwerte Grubber kN M8 Zugkraft Standort B Wendelschare Packer 30 t ke ke 3 3 E E at E S S N N Modellwerte Grubber Wendelschare Packer
14. 2 2 Qualit tsanforderungen an Dieselkraftstoff Die Herstellung von Diesel erfolgt aus Roh l das nach der Entsalzung auf 350 400 C erhitzt und dann im Fraktionierturm getrennt wird Dabei kondensieren die unterschiedlich langen Kohlenstoffketten bei abfallender Temperatur nacheinander und werden getrennt abgef hrt Es entstehen Gase Rohbenzin leichte und schwere Mitteldestillate sowie der atmosph rische R ckstand R ckstand der atmosph rischen Destillation am Boden der Ko lonne Die leichten Mitteldestillate werden zur Herstellung von Diesel weiterverarbeitet und entschwefelt Die L nge der Kohlenstoffketten in Dieselkraftstoff betr gt 10 bis 20 C Atome Der Dieselkraftstoff muss den in der DIN EN 590 festgelegten Qualit tsanforderungen ent sprechen Tabelle 3 Emissionen beim Einsatz von Verbrennungsmotoren 7 Tabelle 3 Qualit tsanforderungen an Dieselkraftstoff nach DIN EN 590 Auszug Grenzwerte Eigenschaften Einheiten Min Max Dichte bei 15 C kg m 820 860 Viskosit t bei 40 C mm s 2 4 5 Flammpunkt C 55 Schwefelgehalt mg kg 350 Koksr ckstand 0 3 Cetanzahl 51 Wassergehalt mg kg 200 Asche 0 01 2 3 Kraftstoffe auf Pflanzen lbasis Durch die gestiegenen Kraftstoffpreise und die aktuelle Politik gewinnt die Substitution von Diesel durch Kraftstoffe auf Pflanzen lbasis zunehmend an Bedeutung Der Gesamtanteil der so genannten biogenen Kraftsto
15. aber auch die geringere Triebkraft durch den reduzierten Rollwiderstand an der Vorderachse wirkt sich positiv aus Bei Allrad antrieb ohne Ber cksichtigung des Multipasseffektes sind stets gr ere Lasten auf der Achse mit der gr eren Bereifung normalerweise der Hinterachse von Vorteil da diese f r besse res Triebkraftverhalten verantwortlich ist Die Vorteile maximaler Hinterachslast werden jedoch nicht durch Messungen best tigt die ein Optimum bei etwa 30 Vorderachslast zeigen Unter Ber cksichtigung des Multipasseffekts siehe Kapitel 4 3 2 kann das Verbrauchsoptimum berechnet werden Bild 46 Ergebnisberechnungen 123 14 kg h 13 5 P Schlepper Nr 1 Boden Nr 4 v 6 km h G 4 LS 2 Pal 8 KN 13 12 5 Kraftstoffverbrauch By 12 0 20 40 60 80 100 Anteil Vorderachslast Bild 46 Abh ngigkeit der ben tigten Motorleistung von der Achslastverteilung Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Es zeigt sich in dieser Darstellung eine optimale Vorderachslast von etwa 30 Dieser Wert ergibt sich sowohl f r Zugarbeiten als auch f r Pflegearbeiten Das Optimum stimmt mit den Messwerten berein die Auswirkungen sind jedoch erst bei starken Abweichungen von die sem Optimumswert signifikant Etwas geringere Werte f r die optimale Vorderachslast erge ben sich bei B den die schon vor der berfahrt st rker verdichtet waren Bei sehr lockeren B den sind gr ere Vorderachsla
16. chen mit dem Gesamtleistungsbedarf allerdings vernachl ssigbar gering Der Luftkompressor f r die Bremsanlage ist druckgeregelt und bedingt somit nur bei Druckabbau durch Bremsun gen einen h heren Leistungsbedarf Bei der Feldarbeit ist er somit kaum von Bedeutung nur bei der Stra enfahrt tritt ein etwas gr erer Leistungsbedarf hierf r auf Von gr erer Bedeutung hingegen ist der Leistungsbedarf der lpumpe der wiederum von dem in Kaptitel 3 7 3 beschriebenen hydraulischen Leistungsbedarf der Ger te und des Kraft hebers abh ngt Bei bekanntem hydraulischen Leistungsbedarf kann unter Ber cksichtigung der Verluste in den Leitungen und Ventilen sowie dem Pumpenwirkungsgrad die hierf r erforderliche Motorleistung berechnet werden Da w hrend den Motorleistungsmessungen von Brunnhuber kein lverbraucher betrieben wurde ist die Pumpenleistung im Motorkenn feld Getriebeeingangskennfeld nicht ber cksichtigt 73 Folglich entsteht bei Ber cksichti gung der Pumpleistung ber den hydraulischen Leistungsbedarf kein systematischer Fehler Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 23 Einen weiteren besonderen Punkt f r den Leistungsbedarf stellt der Klimakompressor dar Er kann vom Fahrer zugeschaltet werden und ben tigt bis zu 5 kW Leistung Bei einem ohne Klimakompressor gemessenen Motorkennfeld verschiebt sich der Betriebspunkt dann hin zu gr erem Drehmoment In einem Fahrzeugmodell kann so die Klimaan
17. glich des Bodenverhaltens mit dem Ger t und dem Reifen sind verallgemeinernde Aussagen zu Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch nur eingeschr nkt m glich Es bleibt festzuhalten dass der Bodeneinfluss auf den Zugkraftbedarf und damit auch auf den Kraft stoffverbrauch bei schweren Zugarbeiten den der Reifen berwiegt Bei leichtz gigen Arbei ten ist hingegen der Reifen Boden Einfluss von gr erer Bedeutung Bei Pflegearbeiten tritt gar keine Zugkraft auf weshalb der Boden lediglich das Triebkraftverhalten und nur dadurch den Kraftstoffverbrauch beeinflussen kann 5 10 Einfluss der Abmessungen des Reifens und des Reifenluftdrucks Die Reifenabmessungen und der Luftdruck wirken sich je nach Bodeneigenschaften unter schiedlich auf den Kraftstoffverbrauch aus So k nnen die Optimalbedingungen f r Reifen und Luftdruck bei unterschiedlichen Bodeneigenschaften in der Realit t auch vollkommen unterschiedlich sein Beispielsweise ist auf festem Boden stets hoher Reifenluftdruck vorteil haft w hrend auf weichem Boden niedriger Luftdruck bessere Wirkungsgrade erzielt Mit dem Modell lassen sich die meisten dieser Effekte nachbilden Um den Einfluss der Reifen abmessungen auf den Kraftstoffverbrauch darzustellen ist in Bild 56 der relative Mehr verbrauch von zwei Bereifungen bezogen auf die gr te Bereifung mit minimalem Luftdruck in Abh ngigkeit von der Zugkraft auf zwei B den dargestellt Um die gesamte Einflussbreite des Reifens zu zei
18. muss auch der Verbrauch in diesen Zeiten zur Ermittlung des Gesamtverbrauchs ber ck sichtigt werden Untersuchungen zu diesen Nebenzeiten 190 wurden insbesondere von Herrmann durchgef hrt 46 195 196 Dabei wird jedoch nicht der Kraftstoffverbrauch sondern vorrangig der Arbeitszeitbedarf und die Arbeitskosten f r unterschiedlich gro e Schl ge ber cksichtigt Eine direkte Untersuchung des Kraftstoffverbrauchs in dieser Zeit liegt nicht vor Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine solche Untersuchung durchgef hrt die in Kapitel 4 10 beschrieben ist Standzeiten wurden wegen des meist abgeschalteten Motors nicht ber cksichtigt Der Verbrauch w hrend den Wegezeiten kann bei bekannter Fahrstrecke mit dem im Folgenden vorgestellten Modell berechnet werden Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 57 4 ENTWICKLUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS MODELLS Der Kraftstoffverbrauch beim Einsatz von Ackerschleppern wird einerseits stark durch die ben tigte Zugkraft der Ger te andererseits durch die diversen Wirkungsgrade der Schlepper komponenten beeinflusst Das sind insbesondere der Motor Getriebe und Laufwerkwir kungsgrad die im Einzelnen betrachtet werden sollen Von besonderer Bedeutung ist dabei der Laufwerkwirkungsgrad der mit Werten von 30 bis 80 relativ niedrig ist und abh ngig von den schlepper und bodenspezifischen Einflussfaktoren stark variiert Um die Bedeutung der einzelnen Parameter gezielt beurteilen zu k nnen eignen s
19. stoffverbrauch kann bei einem Mittelwert von Grubber und Pflug bei einmaligem Zur ckset zen von 47 ml je Wendevorgang und einer Gesamtmasse von Schlepper und Ger t von 8 5 t der massenbezogene Wendeverbrauch Bw angegeben werden Gleichung 79 I Bau 5 5 T 79 Schleppermasse und Motorleistung stehen in einem engen Verh ltnis welches in Bild 34 dargestellt ist Die Daten stammen aus Messungen der FAT 198 und der DLG 199 Im 102 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells Durchschnitt kann f r Schlepper mit Motorleistungen bis 200 KW von einem Leistungsge wicht von 60 kg kW ausgegangen werden dieser Wert wird in der Literatur best tigt 192 250 kW e 200 S i D oo Cc o 3 150 e Z N o o e 2 100 e git 50 ager 0 3 6 9 12 15 t 18 Schleppermasse Bild 34 Motorleistung und Schleppermasse f r getestete Schlepper DLG 199 und FAT 198 Da nun f r ein Ger t mit gr erer Arbeitsbreite auch Schlepper mit proportional gr erer Motorleistung und somit auch Masse ben tigt werden gleicht dieser Nachteil beim Verbrauch f r den einzelnen Wendevorgang den Vorteil der geringeren Anzahl an Wendevorg ngen genau aus vgl Gleichung 77 Folglich kann unter der Voraussetzung eines linearen Zu sammenhangs zwischen Leistung Arbeitsbreite und Masse der Kennwert Bw arbeitsbrei tenbezogener Verbrauch je Wendevorgang eingef hrt werden F r den Grubber
20. te und das bis heute aktuelle Triebkraftverhalten f r Reifen auf nachgiebigem Boden Damit stellt dieses Modell in den 80er Jahren den detailliertesten Ansatz dar und ist auch den Modellen der Folgezeit an Genauigkeit und Darstellungsm glichkeiten berlegen Ohne entsprechende Rechnerleistung sind die Berechnungsverfahren jedoch zeitaufw ndig und fehlende Gleichungen zur Darstellung aller Eingangsdaten wie beispielsweise vom Motor kennfeld machen das Ablesen aus Tabellen oder von Kurven notwendig Das Modell wurde nicht weiterverfolgt zur Ermittlung der Faustzahlen wurden vereinfachte Verfahren genutzt Bis auf wenige Abweichungen und Erweiterungen der Teilgleichungen ist das Berechnungs verfahren bis heute aktuell Ein weiterer Ansatz zur Verbrauchsermittlung wird von Kalk durchgef hrt 49 Bei diesem stark vereinfachten Verfahren wird der Kraftstoffverbrauch f r unterschiedliche Arbeiten durch Polynome zweiten Grades an Messwerte angepasst Dabei wird f r Bodenbearbeitung jeweils eine reine Tiefenabh ngigkeit f r andere Arbeiten eine Weg bzw Mengenabh ngig keit angegeben Es werden keine schlepperseitigen Parameter ber cksichtigt und die Glei Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 15 chungen nicht ber bekannte physikalische Ans tze belegt Einfl sse von Einstellungen am System Schlepper Ger t k nnen nicht dargestellt werden Schrogl stellt kein komplettes Modell f r den Verbrauch vor so
21. v 20 km h D v 30 km h Z So 4 Wa Schlepper Nr 1 Z Boden Nr 2 Anh nger 18 t 2 0 2 4 6 8 Steigung in Fahrtrichtung a Bild 54 Kraftstoffverbrauch in Abh ngigkeit von der Steigung f r unterschiedliche Fahr geschwindigkeiten Parameter aus Tabellen A2 bis A4 F r die Wahl der optimalen Geschwindigkeit zeigt diese Abbildung dass bei gr eren Ge schwindigkeiten ein geringerer Verbrauch auftritt als bei kleineren was durch die bessere 136 Ergebnisberechnungen Auslastung des Motors bedingt ist Optimal ist das Fahren mit etwa 95 der maximal er reichbaren Geschwindigkeit allerdings wird auch bei schnellerem Fahren nur minimal mehr Kraftstoff verbraucht weshalb aus Arbeitszeitgr nden m glichst hohe Geschwindigkeiten im m glichst gro en Gang als optimal einzustufen ist Um den Einfluss der Steigung isoliert betrachten zu k nnen wird der Verbrauch bezogen auf die Fahrstrecke f r unterschiedliche Anh ngemassen berechnet Die Geschwindigkeit wird dabei stets optimal eingestellt und entspricht fast immer der maximal erreichbaren Geschwin digkeit im jeweils optimalen Gang Die 18 t Kurve aus Bild 55 entspricht der unteren H ll kurve aus Bild 54 Schlepper Nr 1 Boden Nr 1 v optimal maximal 5 Anhangermasse 12 t 2 Ka 18t co 24 t gt x km We oO gt Q 5 2 5 Z O 2 x 4 0 4 8 12 16 Steigung in Fahrtrichtung a Bild 55 Kraftstoffve
22. 08 01 09 1994 S 510 511 and Paper 94 D 034 Shmulevich I D Ronai and D Wolf A New Field Single Wheel Tester Journal of Terramechanics 33 1996 H 3 S 133 141 Shmulevich I U Mussel and D Wolf The Effect of Velocity on Wheel Performance Proceedings of the 12th International Congress on Agricultural Engineering AgEng 1994 Milano 29 08 01 09 1994 S 1 9 and Paper 94 D 056 e Langenbeck B Untersuchungen zum Fahrverhalten von Ackerschleppern unter besonderer Ber cksichtigung der Reifeneigenschaften Dissertation Universit t Stuttgart 1991 VDI Reihe 14 Nr 55 e Plesser J Dynamisches Verhalten von Ackerschlepperreifen in Vertikal und L ngsrichtung auf fester Fahrbahn Dissertation Universit t Stuttgart 1997 VDI Reihe 14 Nr 83 Pacejka H B Tyre factors and vehicle handling International Journal of Vehicle Design 1 1979 H 1 S 1 23 Literatur 171 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 Upadhyaya S K and D Wulfsohn Review of Traction Prediction Equations ASAE Paper No 90 1573 e Bekker M G Theory of land locomotion The University of Michigan Press Michigan 1956 Bekker M G ber die Wechselbeziehungen zwischen Fahrzeug und Boden bei Gel ndefahrt Automobiltechnische Zeitschrift ATZ 7 1960 H 62 S 181 183 Bekker M G Die Mechanik der Gel ndefahrt Landtechnische Forschung
23. 2 vorgestellte Verfahren zur Verbrauchsberechnung f r die Faustzahlen 44 wird zurzeit vom KTBL berarbeitet um einige Schw chen des bisherigen Berechnungsver fahrens zu beseitigen Im bestehenden Modell werden einerseits Fallunterscheidungen getrof fen die in manchen F llen Ungenauigkeiten resultieren lassen zum Anderen werden wichtige Einflussfaktoren vernachl ssigt oder nur als pauschaler Konstantwert ber cksichtigt Die wesentlichen diesbez glichen Punkte sollen in diesem Kapitel aufgezeigt werden Es werden f r Arbeiten mit Ackerschleppern vier F lle unterschieden 1 Schlepper mit Allradantrieb und Anbauger t das keine Zugleistung ben tigt 2 Schlepper mit Allradantrieb und Ger t das Zugleistung aus Rollwiderstand und Ar beitswiderstand des Ger tes und Zapfwellenleistung ben tigt 3 Schlepper mit Hinterradantrieb und Ger t das keine Zugleistung ben tigt 4 Schlepper mit Hinterradantrieb und Ger t das Zugleistung aus Rollwiderstand und Arbeitswiderstand des Ger tes und Zapfwellenleistung ben tigt Die Leistung f r die Eigenbewegung des Schleppers wird in diesen F llen unterschiedlich ber cksichtigt obwohl praktisch keine Unterschiede bestehen So wird f r Zugarbeiten Fall 2 und 4 der Rollwiderstand gemeinsam mit dem Zugleistungsbedarf ber cksichtigt und die 142 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches Schleppermasse dabei vernachl ssigt F r hinterradgetriebene Schlepper wird nur
24. 21 097 0 736 4 077 21 097 0 544 3 015 123 944 0 225 7 092 21 316 0 922 5 736 21 316 0 682 4 242 125 232 0 281 9 978 21 542 1 092 7 248 21 542 0 808 5 361 126 561 0 333 12 609 21 769 1 246 8 625 21 769 0 922 6 379 127 890 0 380 15 004 22 002 1 387 9 877 22 002 1 026 7 305 129 261 0 423 17 182 22 242 1 515 11 016 22 242 1 120 8 147 130 673 0 462 19 163 22 490 1 631 12 050 22 490 1 206 8 912 132 127 0 498 20 962 22 737 1 737 12 988 22 737 1 284 9 606 133 581 0 530 22 594 22 992 1 832 13 838 22 992 1 355 10 234 135 076 0 559 24 072 27 651 2 501 19 757 27 651 1 850 14 613 162 448 0 764 34 370 28 033 2 514 19 870 28 033 1 860 14 696 164 691 0 768 34 566 28 421 2 525 19 962 28 421 1 867 14 764 166 976 0 771 34 726 Zur Berechnung des idealen Differenzials ist das rechnerische Vorgehen grunds tzlich iden tisch nur dass Wertetripels mit jeweils gleichem Moment gegen bergestellt werden Dann werden die mittlere Winkelgeschwindigkeit und die Summe der Momente berechnet nach Ber cksichtigung der bersetzung und des Wirkungsgrades ergeben sich die Werte der Ein gangswelle Gleichungen 67 und 68 Bei abweichenden Werten f r das Moment in den Tabellen wird interpoliert Mit diesem Verfahren kann nach Berechnung der Drehwider standslinien f r definierte Zugkr fte direkt der Leistungsbedarf bestimmt werden ohne Itera tionsverfahren
25. 3 1963 13 S 70 78 Sch ring D Zur Theorie des Gel nderads Forschung im Ingenieurwesen 33 1968 H 6 7 S 165 177 Wismer R D and H J Luth Off road Traction Prediction for Wheeled Vehicles Journal of Terramechanics 10 1973 H 2 S 49 61 Wismer R D and H J Luth Off Road Traction Prediction for Wheeled Vehicles Trans ASAE 17 1974 S 8 14 e Wong J Y Terramechanics and Off Road Vehicles Elsevier Amsterdam 1998 Wong J Y und J Preston Thomas On the Characterization of the Shear Stress Displacement Relationship of Terrain Journal of Terramechanics 20 1983 H 4 S 225 234 Wong J Y An Introduction to Terramechanics Journal of Terramechanics 21 1984 H 11 S 5 17 Brixius W W Traction Prediction Equations for Bias Ply Tires ASAE Paper No 87 1622 Godbole R R Alcock and D R P Hettiaratchi The Prediction of Tractive Performance on Soil Surfaces Journal of Terramechanics 30 1993 H 6 S 443 459 Upadhyaya S K A Semi Empirical Traction Prediction Equation for Radial Ply Tires ASAE Paper No 97 1023 Upadhyaya S K M Sime N Raghuwanshi and B Adler Semi Empirical Traction Prediction Equations based on relevant Soil Parameters Journal of Terramechanics 34 1997 H 3 S 141 154 Upadhyaya S K J Mehlschau D Wulfsohn and J L Glancey Development of a unique mobile single wheel traction testing machine Trans ASAE 28 1985 H 5 S 1243 1246 172 Literat
26. 373 Stadler E und I Schiess Gepr fte Traktoren Schweizer Landtechnik 62 1999 H 9 S 59 70 e Traktoren und Transportfahrzeuge Deutsche Landwirtschafts Gesellschaft e V Frankfurt 1999 Gee Clough D G Pearson and M McAllister Ballasting Wheeled Tractors to Achieve Maximum Power Output in Frictional Cohesive Soils Journal of Agricultural Engineering Research 27 1982 S 1 19 178 Anhang 11 ANHANG Tabelle Al Eingangsparameter des Schleppermodells Parameter f r Anzahl Fahrzeuggeometrie Radstand Spurbreite Lage des Schwerpunktes Lage des Pendelgelenks der Vorderachse Ger teeinfluss Lage des Zugangriffspunktes Richtung der Zugkraft Zugkraft Antriebsstrang Wirkungsgrade der Endantriebe bersetzung der Endantriebe Wirkungsgrade der Differentialgetriebe bersetzungen der Differentialgetriebe Sperrwerte der Differentialgetriebe Getriebe Lagerreibung Pantschverluste Zahnreibungsverluste Motor Iso Verbrauchslinien Volllastkurve Abregelkurve vols Vie VINV V By BIR WW Go GQ Re 4 Triebkraftbeiwert Kurven Traktionseigenschaften m nN 4 Rollwiderstands Kurven 4 dynamische Rollradien Steigungen Steigung in Fahrtrichtung Seitliche Hangneigung Fahrstrategie Gang Schaltgruppe Allradantrieb An Aus Differentialsperre An Aus
27. 6 B 6 gt km L m h h c O ag D gt 8 SER 8 e E 2 3 L E 2 TS lt U 0 5 10 15 S 20 Zeit t Bild 32 Kraftstoffverbrauch und Fahrgeschwindigkeit w hrend eines Wendevorgangs mit dem Grubber Im Bild 33 sind die Ergebnisse der Fahrstrecke der Zeit und des Kraftstoffverbrauchs f r eine Vielzahl von Wendevorg ngen in Boxplots dargestellt Die Wendevorg nge mit dem Grubber sind in einmaliges und zweimaliges Zur cksetzen unterteilt Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 101 80 m s mi Strecke Zeit Verbrauch e gt 560 co o 3 g x x x OC o _ CN Kg SE E Air Z E 040 x 02 eh 05520 Ca ans EFF 27 2 gt CN w CN Bild 33 Boxplots zur Fahrstrecke zur Zeit und zum Verbrauch Bw f r einen Wendevor gang mit Grubber Gr bzw Pflug Pf bei einmaligem 1xR und zweimaligem 2xR Rangieren Bei der Einzelwertbetrachtung zeigt sich eine Korrelation sowohl zwischen Zeit und Verbrauch als auch zwischen Strecke und Verbrauch W hrend die Zeit und der Verbrauch bei zweimaligem Rangieren zunehmen bleibt die Strecke hier unbeeinflusst Der Verbrauch mit Grubber bzw mit Pflug bei jeweils einmaligem Zur cksetzen zeigt keinen signifikanten Unterschied was die These der weitgehenden Ger teunabh ngigkeit des Wendeverbrauches best tigt 4 10 4 Bestimmung des Verbrauchs zum Wenden Unter der getroffenen Annahme eines proportionalen Einflusses der Masse auf den Kraft
28. Dieselpreise und steigendes Umweltbewusstsein bez glich der Emission von klimarelevanten Gasen insbe sondere von CO zunehmend an Bedeutung Untersuchungen dieses Themas werden daher immer wichtiger Neben der Messung von Verbrauchswerten beim Feldeinsatz sind das He rausfinden von Minderungsm glichkeiten und die Absch tzung von Einsparungspotenzialen von besonderem Interesse In dieser Arbeit wurde gezeigt dass Messungen sich daf r nur eingeschr nkt eignen da die Rahmenbedingungen wie die Bodenparameter nicht konstant gehalten werden k nnen Bei der Nutzung eines Modells zur Verbrauchsberechnung k nnen Fehler an dieser Stelle ausgeschlossen und Kosten zur Versuchsdurchf hrung eingespart werden Dennoch kann zur Validierung von Verbrauchsmodellen nicht ganz auf Feldversuche verzichtet werden Mit dem vorgestellten Modell k nnen Einzelparameteruntersuchungen sowie Berechnungen zur Variation mehrerer Parameter gleichzeitig durchgef hrt werden Die Ergebnisse zeigen das Einsparungspotenzial durch verschiedene Ma nahmen und geben gleichzeitig Hinweise zur Optimierung der Einstellungen Insbesondere bei Verbesserung mehrerer Einstellungen ergeben sich teilweise erhebliche Einsparungspotenziale von bis zu 30 wobei bereits klei ne Ver nderungen starke Auswirkungen haben k nnen F r derartige Untersuchungen ist das Modell sehr gut geeignet Unsicherheiten bez glich des genauen Reifen Boden Verhaltens und dem Zugkraftbedarf der Ger te s
29. Getriebe kompensieren 86 Vorteilhaft ist besonders die genau einstellbare Geschwindigkeit bei vorgegebener Zapfwellendrehzahl insbesondere bei Pflegearbeiten Aus diesen Gr nden setzen sich die stufenlosen Getriebe die inzwischen von den meisten Herstel lern angeboten werden trotz der h heren Kosten verst rkt gegen ber Schalt und Lastschalt getrieben durch Im neuen Modell k nnen Stufenlosgetriebe entweder durch die Darstellung sehr vieler im Modell 8 6 4 194 extrem eng gestufter G nge dargestellt werden die beliebig gew hlt werden k nnen Eine weitere M glichkeit ist die Berechnung der optimalen Getriebe berset zung mit dem Modell um die Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch verglichen mit Stufengetrieben beurteilen zu k nnen 3 4 3 Verteilergetriebe und Endantriebe Die Verluste in Verteilergetrieben und Endantrieben sind zwar verglichen mit dem Schaltge triebe den Motorverlusten und vor allem den Laufwerksverlusten mit wenigen Prozent ver h ltnism ig gering d rfen jedoch bei der Modellierung des Gesamtfahrzeugs nicht vernach l ssigt werden Grundlegende Berechnungsverfahren der Verluste bei den Planeten oder Stirnradgetrieben der Endantriebe sowie der Kegelradstufe beim Verteilergetriebe werden von Reiter gezeigt 80 Die Verluste in der Vorderachse wurden von Brenninger ausf hrlich untersucht 87 Insbesondere bei kaltem l und hohen Fahrgeschwindigkeiten treten beim Einsatz nasser Vollscheibenbremse
30. H 5 2100 gemessen 2000 simuliert a oO 7 5 ba 2 km h kei D A baal LL Kraftstoffverb tonreiche Bodenzonen Bild 29 Vergleich zwischen Modellergebnissen und Messwerten zweier Fahrspuren Der Schlupf in der zweiten Kurve dargestellt zeigt die gr ten Werte an den Stellen der tonreichen Bodenzonen ebenfalls wird der Einfluss des Hanges deutlich Die vorgegebenen Triebkraft Schlupf Kurven die normalerweise einen der gr ten Ungenauigkeitsfaktoren darstellen konnten aufgrund der guten Bedingungen bei einem trockenen Stoppelacker als f r den Schlag konstant angenommen werden die bereinstimmung ist auch hier sehr gut Die Kurve der Fahrgeschwindigkeit korreliert entsprechend der Motordrehzahl und dem Schlupf gut Kleinr umige Schwankungen k nnen auf Messungenauigkeiten beruhen oder resultieren aus Reduzierungen der Geschwindigkeit die nicht durch die Zugkraft begr ndet sind Dies ist beispielsweise beim Einbrechen kurz vor dem Wendepunkt zu sehen Der Schlepper wurde langsamer um zu wenden im Modell wurde dieses Verhalten nicht ber ck 94 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells sichtigt Der Kraftstoffverbrauch im untersten Teil zeigt einen der Messung entsprechenden Verlauf In Bild 30 ist die gesamte Karte des Schlages mit den simulierten Kraftstoffverbrauchswerten dargestellt In dem vergr erten Teil wird der Unterschied der Fahrspuren bergauf und bergab deutlic
31. Minimum und Maximumbedingungen Parameterwert Eingangsparameter 0 der Modellfunktion Bewuchs Bearbeitet Stoppelacker Gr nland k ewuchs Oberbodenfestigkeit Lockerer Oberboden Verdichteter Boden Krest o Unterbodenfestigkeit Lockerer Unterboden Verdichteter Boden krestu Tongehalt Sandboden Tonboden kron Bodenfeuchtegehalt Trocken 5 Nass 30 kreuchte Rollradius 50 cm klein 90 cm gro Kradius Reifenbreite 25 cm 80 cm kgreite Reifendruck 0 5 bar 2 bar kpruck Um den Einfluss der Reifen und Bodenparameter auf die Kennwerte Oxmax Kmax K 0 und pe 0 zu ermitteln werden die verschiedenen Abh ngigkeiten dargestellt wie beispielsweise das Maximum des Triebkraftbeiwertes in Abh ngigkeit des Tongehaltes Bild 19 Die linien f rmige Anordnung der Punkte resultieren aus der Einteilung in Bodenklassen Steinkampf ermittelte nicht f r jeden Versuch den exakten Tongehalt In diesem Fall wurden alle 850 Messergebnisse dargestellt ohne auf ceteris paribus Bedingungen zu achten So ist auch die starke Streuung der Werte zu erkl ren die durch unterschiedliche Rahmenbedingungen wie Reifen oder Bearbeitungszust nde entstehen Dennoch wird durch die gro e Anzahl an Mes sungen diese Streuung kompensiert und es ist ein eindeutiger Trend zu erkennen der durch eine lineare Regression dargestellt wird Der mit dem Tongehalt ansteigende Triebkraftbei wert spiegelt auch d
32. R S and C E Goering A new traction model for crawler tractors Trans ASAE 48 2005 H 1 S 39 46 Esch J H L L Bashford K von Bargen and R E Ekstrom Tractive Performance Comparisons between a Rubber Belt Track and a Four Wheel Drive Tractor Trans ASAE 33 1990 H 4 S 1109 1115 Zoz F M and R D Grizzo Traction and Tractor Performance ASAE Distinguished Lecture Series 27 Paper No 913 CO 403 Zoz F M R J Turner and LR Shell Power Delivery Efficiency A Valid Measure of Belt and Tire Tractor Performance Trans ASAE 45 2002 H 3 S 509 518 Upadhyaya S K U A Rosa M N Josiah and M Koller Effect of Belt Width and Grouser Wear on the Tractive Characteristics of Rubber Tracked Vehicles Trans ASAE 44 2001 H 4 S 267 271 Lindgren M and P A Hansson Effects of engine control strategies and transmission characteristics on the exhaust gas emissions form agricultural tractor Biosystems Engineering 83 2002 H 1 S 55 65 Vahlensieck B Steigende Motorauslastung durch geregelte stufenlose Getriebe Landtechnik 52 1997 H 5 S 234 237 Brunotte D Antriebsstrategie f r den Teillastbereich beim Traktoreinsatz Landtechnik 55 2000 H 5 S 334 335 Pischetsrieder T M und R M lle CVT Getriebesteuerung f r PKW und mobile Arbeitsmaschinen Landtechnik 57 2002 H 5 S 296 297 174 Literatur 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162
33. Umstellungen auf andere Ger te oder auf anderen Produktionsketten zur Einsparung von Kraftstoff denkbar die dann jedoch mit gro en externen Effekten einhergehen Diese werden in Kapitel 6 5 anhand der verein fachten Berechnungsgleichungen dargestellt Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 141 6 VEREINFACHTE BERECHNUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHES Das detaillierte Modell eignet sich gut zur Untersuchung von Einzelparametern wie in den vorhergegangenen Kapiteln gezeigt Es ist ebenso m glich Kraftstoffverbrauchswerte f r unterschiedliche Arbeiten zu berechnen Allerdings muss daf r eine Vielzahl an schlepper und ger tespezifischen Parametern bekannt sein das resultierende Ergebnis ist dann f r diese Einstellungen spezifisch und kann nicht ohne weiteres auf eine bestimmte Arbeit verallge meinert werden Um f r eine Vielzahl von unterschiedlichen Arbeiten Standardverbrauchs werte zu berechnen die dann als Faustwerte entsprechend denen vom KTBL genutzt werden k nnen sind daher einfachere Berechnungsverfahren vorteilhaft In Anlehnung an das KTBL Verfahren das f r einige Spezialf lle nicht nachvollziehbare Ergebnisse liefert und verzicht bare Fallunterscheidungen trifft Kapitel 6 1 wurde unter Zuhilfenahme der Erkenntnisse aus den Berechnungen mit dem detaillierten Modell ein vereinfachtes Berechnungsverfahren abgeleitet welches in Kapitel 6 2 vorgestellt wird 6 1 Das KTBL Berechnungsverfahren Das in Kapitel 3
34. Zahl der Zahneingriffe bei relativ gro er Streuung w hrend der Einfluss der Drehzahl bei gro en G ngen st rker ist als bei kleinen bersetzungen Dies ist durch die entsprechend langsamer drehenden Aus gangswellen begr ndet bei denen dann kleinere Plansch und Lagerverluste auftreten Nach Dubbel 81 sind die Verluste welche im Getriebe auftreten durch ein konstantes Wi derstandsmoment etwa 3 der maximal bertragbaren Leistung in Form von Planschverlus ten und durch Zahnreibungsverluste gekennzeichnet durch den Zahnreibungsverlustgrad GZahn die etwa 1 5 der bertragenen Leistung P je Zahneingriff betragen bedingt Diese etwas vereinfachte Aussage ist mit Reiters Berechnung vergleichbar da nach Einsetzen von Gleichung 5 und 6 in Gleichung 7 der Wirkungsgrad lediglich von einem lastabh ngigen und einem drehzahlabh ngigen Widerstandsmoment bestimmt wird Noch weiter wird der grunds tzlich gleiche Ansatz von Ryu vereinfacht 82 Die Getriebeverluste werden in einen lastabh ngigen Anteil vom bertragenen Moment und ein lastunabh ngiges Widerstandsmo ment aufgeteilt Trotz Vernachl ssigung der Drehzahl werden gute bereinstimmungen mit Messungen erreicht allerdings wurde der Einfluss von Drehzahlvariationen dabei auch nicht gesondert untersucht Obwohl dieser Einfluss auch nach Reiter verh ltnism ig klein ist sollte f r eine genaue Betrachtung der Getriebeverluste nicht auf den Drehzahleinfluss ver zichtet w
35. Zapfwellenger ten bezogen auf das bearbeitete Bodenvolumen verdeutlicht Ergebnisberechnungen 127 5 6 Einfluss der Getriebe bersetzung Um den Einfluss der Getriebe bersetzung auf den Kraftstoffverbrauch zu untersuchen m s sen einerseits die Abstufung der G nge insbesondere im Hauptarbeitsbereich und die Folgen daraus auf den Verbrauch betrachtet werden Andererseits ist auch die Wahl des richtigen Ganges aus den m glichen bersetzungen des Getriebes von noch gr erer Bedeutung da diese bei Schaltgetrieben noch immer manuell erfolgen muss F r Stufenlosgetriebe liegen unterschiedliche Fahrstrategien und entsprechende Regelungen vor um die optimale berset zung zu erreichen Da Schaltgetriebe allerdings noch immer einen erheblichen Anteil der Neuzulassungen vor allem aber beim Schlepperbestand ausmachen werden hier die Stufen getriebe n her betrachtet Dabei wird auch der Vorteil von Stufenlosgetrieben deutlich da diese stets das Optimum erreichen k nnen und somit alle Nachteile der Stufengetriebe opti mal kompensieren 5 6 1 Leistungsl cken Als Leistungsl cken werden geschwindigkeitsspezifische Bereiche bezeichnet bei denen bersetzungsbedingt nicht die volle Motorleistung verf gbar ist Sowohl die Motorcharakte ristik moderner Ackerschleppermotoren mit gro em Drehmomentanstieg als auch die enge Stufung der G nge lassen die Bedeutung dieser Leistungsl cken f r moderne Ackerschlepper nahezu vollst ndig versc
36. als auch die Massenverteilung Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch Grundlagen zur optimalen Ballastierung liegen vor 200 In diesem Kapitel sollen die genauen Auswirkungen Ergebnisberechnungen 121 der Gesamtmasse der Massenverteilung zwischen Vorder und Hinterachse sowie der Aus wirkungen sich mit der Zeit ver ndernder Massen untersucht werden 5 4 1 Gesamtmasse Dass sowohl zu gro e als auch zu geringe Schleppermassen f r den Kraftstoffverbrauch von Nachteil sind begr ndet sich einerseits durch zu gro en Schlupf bei zu leichten Ackerschlep pern andererseits durch zu viel Rollwiderstand bei zu gro en Schleppermassen Dieser Effekt kann in Bild 45 f r unterschiedliche Zugkr fte veranschaulicht werden 50 S kw Schlepper Nr 1 2 az ap Boden Nr 5 v 4 km h p 40 Cc N a a 3 d Bes Li 2 20 y 9 a 2 10 O Cc 8 0 0 2 4 6 8 t 10 Schleppermasse m Ges Bild 45 Ben tigte Motorleistung und Schlupf in Abh ngigkeit von der Schleppermasse f r zwei unterschiedliche Zugkr fte Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Der minimale Leistungsbedarf liegt in beiden F llen bei etwa 10 Schlupf und f llt mit dem Optimum des Laufwerkwirkungsgrades zusammen Folglich ist die optimale Ballastierung eines Schleppers nicht von der Motorleistung sondern lediglich von der Zugkraft abh ngig Bei vorhandener Schlupfanzeige kann diese genutzt werden um gegebenenfalls au
37. anwenden zu m ssen Insbesondere in der hohen Rechengeschwindigkeit macht sich dieses Verfahren positiv bemerkbar Auch die korrekte Ber cksichtigung unter Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 83 schiedlicher Bereifungen Traktionsverh ltnisse und Radlasten f r jedes Rad ist ohne weiteren Aufwand m glich 4 4 4 Gleichungssystem f r den Antriebsstrang Um den Nutzen des gezeigten Berechnungsverfahrens zu veranschaulichen wird der An triebsstrang insgesamt durch ein Gleichungssystem beschrieben Es muss bei konstanten Fahrzust nden ein Gleichgewichtszustand zwischen Motormoment und Drehzahl dem ge samten Antriebsstrang mit Verteilergetrieben und Endantrieben dem Traktionsverhalten der einzelnen R der und dem Zugkraftbedarf des Fahrzeugs bestehen Die hierzu ben tigten Bezeichnungen und Indices sind in folgendem Bild 25 schematisch dargestellt F313 Foy 4 lg NE2 KA rd Bild 25 Schema des Antriebsstranges mit allen Bezeichnungen fiir Eingangsgr en kur siv und Ausgangsgr en Das Gleichungssystem f r den Antriebsstrang besteht aus 30 Gleichungen und 30 Unbekann ten Tabelle 9 F r die Differenzialgetriebe wird auch hier nur voll gesperrtes oder unge 84 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells sperrtes Differenzial ber cksichtigt Auch ein L ngsdifferenzial kommt bei Ackerschleppern kaum vor und wird daher nicht vorgesehen es wird lediglich zwischen Hinterrad und Allrad
38. auf die Lademenge aus der letzten Spalte von Tabelle A3 im Anhang abgelesen werden Dies unterschl gt zwar Verbrauchsunterschiede zwischen verschiedenen Bef llmethoden Frontladerfahrzeuge mechanische F rderer Pumpen allerdings sind die erwarteten Unterschiede insbesondere im Verh ltnis zu dem Feldverbrauch minimal Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 151 Der Verbrauch zum Bef llen berechnet sich dann nach Gleichung 98 wobei f r den spezifi schen Verbrauch bei der in der Regel geringen Motorauslastung ein Wert von b 300 g kWh angenommen werden kann Bei bekannter Ausbringmenge je Fl che kann auch dieser auf den jeweiligen Arbeitsgang umgelegt werden Bom be HI Ausbring W pef lt 98 6 3 M glichkeiten und Einschr nkungen des vereinfachten Modells Mit den vorgestellten vereinfachten Berechnungsgleichungen werden alle wesentlichen Ein flussfaktoren von Schlepper und Ger t auf den Kraftstoffverbrauch ber cksichtigt Die fol genden Zusammenh nge k nnen dabei zumindest vereinfacht dargestellt werden Masseeinfluss Triebkraftverhalten Rollwiderstandsunterschiede Zugkrafteinfluss Arbeitsbreite Motorauslastung stark vereinfacht Einfluss von zugeh rigen Transportarbeiten Schlaggr e Untersuchungen zum genauen Verbrauchsverhalten bei Einzelparametervariation wie in Kapitel 5 k nnen nicht durchgef hrt werden da Einflussfaktoren wie die Schr glage oder das genau
39. consumption values considering the major criteria of engine transmission and tractive per formance of the tractor as the drawbar pull and the needed PTO power of the implement On the basis of these equations implemented into Microsoft Excel the required standard values for fuel consumption can be calculated for different tractors with implements of different size and defined soil conditions However the required data of some implements are not complete For the most important agricultural implements these parameters were determined by meas urements or collected from KTBL or FAT values The results for different operations and production chains are correlating well with values measured in the field The effect of the field size or the distance between field and the farm yard on fuel consumption can be shown as well The saving potential by changing the whole production chain like zero tillage is enormous however there are horticultural and economical external effects As those economical effects can hardly be estimated the conversion of the production chain has to be reviewed for the individual case In the future the importance of fuel consumption will increase Different saving strategies will gain in importance in order to optimize agricultural operations with respect to fuel consump tion The approach of this thesis can be used to show saving potentials to develop optimiza tion strategies and to calculate values for the fuel consu
40. den Rollwiderstand st rker beeinflusst als die Reifenparameter siehe Kapitel 3 5 und so auf eine genaue Be stimmung der Achslastverteilung verzichtet werden kann Tabelle 16 Rollwiderstandsbeiwerte f r landwirtschaftliche Reifen auf verschiedenen B den Bodenzustand Rollwiderstandsbeiwert p Asphalt 0 015 Feldweg festgefahrene Fahrspur 0 05 Trockener Stoppelacker 0 08 Gegrubberter Acker feucht Saatbett 0 12 Gepfl gter Acker sehr locker 0 16 Bez glich des Zugkraftbedarfs der Ger te wird zwischen der arbeitsbreitenbezogenen Zug kraft Fzug und der arbeitsbreiten und tiefenbezogenen Zugkraft Fzug w unterschieden Beide Werte k nnen f r unterschiedliche Ger te und Bearbeitungswiderst nde des Bodens aus Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 145 Tabelle A5 im Anhang entnommen werden Dabei ist zu beachten dass f r ein Ger t auch beide Werte auftreten k nnen wenn beispielsweise ein Grubber mit einer Nachlaufwalze gefahren wird Die Zugkraft von Anh ngeger ten die auf R dern laufen Anh ngespritze Pressen usw wird durch die entsprechenden Achslasten und den Rollwiderstand ber ck sichtigt Folglich berechnet sich die ben tigte Zugkraft Fzug nach Gleichung 86 zg Sue 6 9 ae le 86 Der Schlupf kann nach Gleichung 87 berechnet werden jes en ee sz mit x Zug G G Trieb P 87 c FG Trieb Die Parameterwerte a b und c f r das Triebkraftve
41. den gemessenen und modellierten Werten betr gt 0 93 wobei die gr ten Abweichungen bei Drehmomentwerten unter 100 Nm liegen Im Bereich gr erer Auslastung ist die bereinstimmung besser 500 Nm 400 300 oO E O E 200 E 2 Q 100 0 1000 1500 2000 1 min 2500 Motordrehzahl Du Bild 27 Modelliertes Motorkennfeld des Versuchsschleppers Aus diesem Kennfeld wird nun der spezifische Kraftstoffverbrauch bem ermittelt und dann durch Multiplizieren mit der Leistung der absolute Kraftstoffverbrauch B berechnet Wenn der ben tigte Leistungspunkt oberhalb der Maximalleistungskurve liegt kann die gew hlte Einstellung von Geschwindigkeit Zugkraft und Getriebe bersetzung nicht gefahren werden So werden beispielsweise bei geschwindigkeitsabh ngigen Verbrauchslinien sofort die maxi malen Geschwindigkeiten sichtbar 90 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 4 7 Validierung des Fahrzeugmodells Mit den gezeigten Verfahren ist es m glich den Kraftstoffverbrauch f r den Schlepper unter den Vorgaben von Zugkraft und den schlepperspezifischen Parametern aus Bild 15 zu be rechnen Zur Validierung wurden Messergebnisse herangezogen um diese mit den berechne ten Verbrauchswerten zu vergleichen 4 7 1 Messeinrichtung zur Modellvalidierung Zur Messung des Zugkraftbedarfes und des Kraftstoffverbrauches bei der Bodenbearbeitung wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Zugkraftkartierung
42. der Fl chenleistung gezeigt werden 192 Daher ist auch eine Aussage bez glich des Kraftstoffverbrauchs inte Ergebnisberechnungen 125 ressant Grunds tzlich kann mit zapfwellengetriebenen Bodenbearbeitungsger ten die Leis tung auch ohne gro e Schleppermasse umgesetzt werden weshalb in diesem Fall stets niedri ge Leistungsgewichte wegen des geringeren Rollwiderstands zu bevorzugen sind siehe auch Kapitel 5 5 Gleiches gilt f r Pflegearbeiten und Arbeiten mit selbstfahrenden Arbeitsma schinen F r gezogene Bodenbearbeitungsger te kann der Einfluss auf den Verbrauch nicht so allgemein bewertet werden Wie bereits in Kapitel 5 4 1 gezeigt kann f r die Zugkraft eines Ger tes die optimale Schleppermasse und die zum Ziehen mit einer definierten Geschwindig keit ben tigte Motorleistung berechnet werden Somit ist f r den Verbrauch nicht die leis tungsbezogene Masse sondern vielmehr die optimale Masse und die optimale Leistung f r bestimmte Ger te bei definierter Fahrgeschwindigkeit zu bestimmen Eine solche Berechnung w rde allerdings zu sehr hohen optimalen Motorleistungen f hren da das motorspezifische Verbrauchsoptimum zwischen 60 und 80 der Nennleistung liegt Da grunds tzlich im Durchschnitt eine zu geringe Auslastung der Maschinen vorliegt und der Nachteil von zu hohen Auslastungen deutlich kleiner ist als der bei zu geringen Auslastungen wird bei dem in Bild 47 dargestellten Zusammenhang von Zugkraft optimaler Masse
43. der Rollwi derstand der Vorderr der ber cksichtigt obgleich sich auch der Rollwiderstand angetriebener R der im Leistungsbedarf bemerkbar macht Der Schlupf wird in Fall 2 und 4 nicht abh ngig von der Zugkraft ber cksichtigt sondern f r unterschiedliche B den gemeinsam mit dem Rollwiderstand als Pauschalwert angenommen Dies hat zur Folge dass leichtz gige Ger te mit deutlich zu guten Wirkungsgraden berechnet werden der Unterschied von leichter Zugkraft zu Fall 1 oder 3 ohne Zugkraft ist dann erheb lich da bei diesen der Schlupfeinfluss komplett vernachl ssigt wird Die Leistungsbedarfsangaben f r die Ger te sind arbeitsbreitenspezifisch und werden f r einen Fahrgeschwindigkeitsbereich angegeben Der fl chenbezogene Kraftstoffverbrauch wird aber ma geblich von der Geschwindigkeit bestimmt weshalb auch hier Ungenauigkei ten auftreten Au erdem ist eine Angabe des Zugkraftbedarfs vorteilhaft um den Laufwerk wirkungsgrad korrekt einzubeziehen Auch der Leistungsbedarf f r Steigungsfahrten wird als reine Steigleistung zu der Motorleis tung addiert tats chlich muss diese jedoch ber die R der als Zugkraft aufgebracht werden und somit auch f r diese der Laufwerkwirkungsgrad ber cksichtigt werden Insgesamt ma chen diese Unstimmigkeiten das Modell zwar nicht unbrauchbar da trotz allem realistische Verbrauchswerte resultieren eine Optimierung ist dennoch w nschenswert Auch ist mit den genannten und weiteren Fallun
44. der genauen Bestimmung durch Messungen anzustreben und prob lemlos m glich Zur Berechnung von Standardverbrauchswerten wie vom KTBL 44 190 wird von ebenen Feldern ausgegangen Des Weiteren wird stets vom Arbeiten im optimalen Gang bei Zapf wellenarbeiten mit Nenndrehzahl ausgegangen Der gr te Vorteil bei den einfachen Berech nungsgleichungen ist die kleine Zahl an Parametern die zur Berechnung von Verbrauchswer ten f r Schlepper und Ger t bekannt sein m ssen Einerseits sind so weniger Absch tzungen n tig da nur selten alle Parameter des genauen Modells f r die einzelnen Arbeiten bekannt sind Andererseits sind die berechneten Ergebnisse auch weniger schlepperspezifisch und somit besser verallgemeinerbar Bei dem genauen Modell k nnten f r grunds tzlich verbrauchsintensivere Arbeiten g nstigere Werte resultieren wenn zuf lligerweise die Schleppereinstellungen vorteilhaft gegen ber anderen Arbeiten eingestellt sind In der folgen den Tabelle 19 sind exemplarisch Verbrauchswerte f r unterschiedliche Ger te B den und Schlaggr en dargestellt Dabei sind im Verbrauchswert auch Wendevorg nge Anfahrten zum Feld und zugeordnete Transportarbeiten ber cksichtigt Die hierf r ben tigte durch schnittliche Feldentfernung ist mit 3 km angesetzt Es zeigt sich der nicht unerhebliche Einfluss der Schlaggr e der f r die unterschiedlichen Arbeiten Verbrauchsunterschiede zwischen 10 und 25 f r 2 bis 20 ha gro e Sch
45. die Ber cksichtigung eines Einflusses des Bewuchses der Verdichtungen reduziert Ebenso ist eine aufstandsfl chen feuchte und tongehaltsab h ngige Verdichtung des Ober und Unterbodens denkbar allerdings fehlt die Datengrundla ge f r entsprechende Gleichungen Entsprechendes gilt auch f r schlupfabh ngige Verdich Entwicklung des Krafistoffverbrauchs Modells 77 tungen die sowohl ein Verschmieren als auch ein Auflockern der obersten Bodenschicht bei gro em Schlupf verursachen k nnen Daher wird mit der beschriebenen vereinfachten An nahme gerechnet Die Ergebnisse und die Auswirkungen der Massenverteilung unter Ber ck sichtigung des Multi Pass Effekts sind in Kapitel 5 4 2 dargestellt 4 4 Der Antriebsstrang Zur Berechnung des Antriebsstrangs zwischen Getriebeausgang und Rad m ssen die berset zungsverh ltnisse und Wirkungsgrade der Endantriebe und der Differenzialgetriebe bekannt sein Dann kann der Leistungsbedarf genauer Drehzahl und Drehmomentbedarf f r eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit und eine bestimmte Zugkraft berechnet werden Da hierf r bei unterschiedlichem Traktionsverhalten und Radlasten der Einzelr der der Einfluss der Differenzialgetriebe bei unterschiedlichen Nabendrehzahlen ber cksichtigt werden muss wird im Folgenden ein Verfahren zur Berechnung dieser Einfl sse vorgestellt 4 4 1 Drehwiderstandslinien der R der Um Drehzahl und Drehmoment der Ausgangswellen eines Differenzialgetriebes berec
46. ein Messsystem mit umfangreicher Messwerterfassung aufgebaut 197 Der eingesetzte Ackerschlepper John Deere 6620 besitzt eine Motorleistung von 92 kW bei Nenndrehzahl und hat einschlie lich der Messeinrichtungen und Ballastierung ein Leergewicht von 7500 kg Als Bodenbearbei tungsger t steht ein Fl gelschargrubber Smaragd 9 300 der Firma Lemken mit einer Ar beitsbreite von 3 m zur Verf gung Die Hauptkomponenten des Messsystems sind ein hoch genaues RTK GPS 6 Komponenten Kraftmessung zwischen Schlepper und Ger t Erfassung von Messwerten wie dem Kraftstoffverbrauch aus dem CAN BUS des Ackerschleppers sowie Messeinrichtungen zur Bestimmung der Arbeitstiefe des Bodenbearbeitungsger tes Bild 28 Bild 28 Ackerschlepper und Bodenbearbeitungsger t mit Zugkraftmesseinrichtung 165 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 91 Die hier betrachteten Messwerte wurden w hrend der 2 Stoppelbearbeitung mit einem Fl gelschargrubber aufgezeichnet wobei die durchschnittliche Arbeitstiefe 15 cm betrug Im aufgezeichneten Datensatz sind den Punktwerten der GPS Position die Messwerte aus Tabel le 10 zugeordnet Auswahl die Aufzeichnungsrate betrug 10 Hz Tabelle 10 Auswahl der erfassten Messwerte bei der Bodenbearbeitung Messwert Einheit Drehzahl CAN Dm Imn Hubwerksstellung CAN Kraftstoffverbrauch CAN l h Lastschaltstufe CAN Fahrgeschwindigkeit CAN km h Fahrtrichtung GPS Fahrge
47. gen gen oder innere Widerspr che bestehen Dennoch konnte sich unter den halbempirischen Modellen bis heute kein grundlegend neuer Ansatz durchsetzen um diese Probleme zu l sen Das erste rein empirische Modell wurde von Wismer und Luth 115 116 vorgestellt Zwar wird der grunds tzliche physikalische Zusammenhang zur Beschreibung von Triebkraft und Schlupf beibehalten allerdings wird auf eine genaue Analyse des Einsink und des Scherver haltens verzichtet Es wird nur der Cone Index CI als einziger Bodenparameter sowie Breite und Durchmesser des Reifens in der Gleichung 18 ber cksichtigt Ed F Zz F nie 5 0 75 h e SE HE an mit C 18 Dabei wird der Rollwiderstandsbeiwert von dem Umfangskraftbeiwert abgezogen Die Ein fachheit dieser Gleichung hat viele Vorteile durch die unkomplizierte Nutzung mit wenigen Parametern und die recht guten Ergebnisse dennoch bleiben wichtige Boden und Reifenfak toren unber cksichtigt Wong entwickelt die Gleichung f r das Scherweg Schubspannungs Verhalten weiter so dass mit zwei Exponentialfunktionen ein lokales Maximum dargestellt werden kann hinter dem die Kurve wieder abf llt und dann gegen einen Endwert bei 100 Schlupf l uft 117 118 Diese Ans tze werden neben der genaueren Beschreibung der Reifen Boden Kontaktfl che und den entsprechenden Kr ften in das Reifenmodell einbezogen 119 Vorg nge zwischen Reifen und Boden k nnen mit diesem Modell gut beschrieben we
48. in der bestehenden Form jedoch Schwierigkeiten bei der Ermittlung aller Para meter und der bertragbarkeit auf Praxisbedingungen mit sich weshalb sich einfachere An s tze h ufig als praktikabler erweisen Gleiches gilt f r das Modell von K nig f r verschiede ne Bodenbearbeitungsger te 184 Einen Ansatz der dem von S hne entspricht und der die Grundlage des ASAE Standard 497 4 darstellt machen Harrigan und Rotz 185 Sie liefern gleichzeitig eine gro e Datenbasis zur Parametrisierung der einfachen Gleichung 27 f r unterschiedliche B den F s4 la b vte v2 ba to 27 Der Parameter a gibt den Bodenwiderstand an die Parameter b und Cg den Anstieg mit der Geschwindigkeit Dabei wird f r nicht wendende Bodenbearbeitungsger te jeweils Cg 0 f r wendende Bodenbearbeitung bg 0 gesetzt Somit entspricht die Gleichung 27 genau Glei chung 26 von S hne Arbeitsbreite bg und Arbeitstiefe tg werden linear ber cksichtigt der Faktor s nimmt f r unterschiedliche B den Werte zwischen 0 45 und 1 0 an um den Zugwi derstand zu ber cksichtigen Ein weiterer Vorteil dieser Gleichung ist dass auch Nachl ufer oder flach arbeitende S schare ohne Geschwindigkeitseinfluss ber cksichtigt werden k nnen indem sowohl b 0 als auch cg 0 gesetzt werden Kombinierte Bodenbearbeitungsger te k nnen durch Addition der jeweiligen Teilger te modelliert werden Vorteile dieses Modells Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern
49. integriert ber die Gewichtsabnahme und bei Durch schnittsgewicht Schlepper Nr 1 Boden Nr 11 v 6 km h G 3 LS 4 Para meter aus Tabellen A2 bis A4 Verbrauch Bu a Lademasse kg ha Unterschied Minerald nger Integriert 2 0 t 4 7290 0 038 0 streuen Durchschnitt 1 t 4 7308 Stalldung Integriert 8 0 t 8 2587 0 047 2 o ausbringen Durchschnitt 4 t 8 2626 In den gezeigten Beispielen tritt praktisch kein Unterschied zwischen gemitteltem Ladungs gewicht und der Ber cksichtigung der langsamen Abnahme der Ladungsmasse auf Abh ngig vom Triebkraft und Rollwiderstandsverhalten der Vorder und Hinterr der den Bodenpara metern und der Voreilung sowie aller Parameter der Schleppergeometrie wurde der Effekt mit unterschiedlicher Auspr gung und unterschiedlichem Vorzeichen simuliert Die gr ten Unterschiede konnten wegen des h heren Rollwiderstandsbeiwerts auf weichem Boden ge zeigt werden allerdings waren die Abweichungen stets deutlich kleiner als 1 Folglich kann der Effekt sich ver ndernder Massen auch f r exakte Berechnungen vernachl ssigt werden da er von anderen Unsicherheiten so stark berlagert wird dass keine eindeutige Aussage getroffen werden kann Die Annahme einer Durchschnittsmasse ist somit zul ssig 5 4 4 Leistungsgewicht F r die in der Literatur auftauchende Frage nach der optimalen leistungsbezogenen Masse k nnen grunds tzliche Zusammenh nge bez glich der Maximierung
50. modell Antriebsstrangkennwerte N Reifenkennwerte N Differentialsperre ein aus Allradantrieb an aus N a a Fahrgeschwindigkeit_v N 2 P 2 2 Getriebekennwerte N 5 Gang Schaltgruppe 3 o Ggf Lastschaltstufe gt c 28 ee SG Motorkennwerte Bu kg h Bild 15 Schematischer Aufbau des Modells mit allen Eingangsparametern Zwischen den einzelnen Modulen sind die Parameter dargestellt die jeweils als Rechengr Den weitergegeben werden Die Eingangsparameter sind mit breiten Pfeilen gekennzeichnet wenn mehr als ein Wert in das Modell einflie t Die einzige gezeigte R ckkopplung ist die im Folgenden beschriebene Nutzung der Zugkr fte F x bis F4x f r die Radlastverteilung die aus diesem Grund vom Antriebsstrangmodell zur Radlastverteilung zur ckgef hrt werden Die Anzahl der ben tigten Iterationsschritte ist jedoch so klein dass die Rechenzeit nur geringf gig beeinflusst wird in der Regel werden bereits bei einmaliger R ckf hrung der Werte ausreichend genaue Ergebnisse erzielt 60 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 4 2 Fahrzeuggeometrie und Radlastverteilung Die Fahrzeuggeometrie des Schleppers ist f r das dynamische Fahrverhalten von gro er Bedeutung Auf den Kraftstoffverbrauch wirkt sich insbesondere die Radlastverteilung aus da diese erheblichen Einfluss auf das Triebkraftverhalten der einzelnen R der und den Antriebs strang hat Des weiteren ergeben sich bei Steigungen und Besc
51. performance and emissions for petroleum diesel fuel yellow grease biodiesel and soybean oil biodiesel Trans ASAE 46 2003 H 4 S 937 944 McDonnel K P S M Ward P B McNulty and R Howard Hildige Results of engine and vehicle testing of semirefined rapeseed oil Trans ASAE 43 2000 H 6 S 1309 1316 Moreno F M Munoz and J Morea Roy Sunflower methyl ester as a fuel for automotive diesel engines Trans ASAE 42 1999 H 5 S 1181 1185 Peterson C L J C Thomson and J S Taberski One thousand hour engine durability test with HySEE and using a 5X EMA test cycle Trans ASAE 42 1999 H 1 S 23 30 Wiegand S Dezentrale Biodieselproduktion in der Landwirtschaft Landtechnik 60 2005 H 1 S 18 19 164 Literatur 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Stotz K und S Remmele Dezentrale lsaatenverarbeitung Landtechnik 60 2005 H 1 S 16 17 Hansson P A O Noren and M Bohm Emissions from tractors AgEng Paper 98 E 048 Gragg K Effects of Environmentally Classified Diesel Fuels RME and Blends of Diesel Fuels and RME on the Exhaust Emissions MTC Report 9209 B Weidmann K Anwendung von Raps l in Fahrzeug Dieselmotoren Automobiltechnische Zeitschrift ATZ 97 1995 H 5 StVZO 19 24 26 Erg nzungslieferung 2000 e Reiser W Ermittlung von motor und verbrennungstechnischen Kenndaten an einem Dieselmotor mi
52. r Arbeitsbreite und tiefe S Zugkraft Fag _ 1 in Fahrtrichtung oder 3 in x y und z Richtung Boden Nr 5 oder Asphalt aus Tabelle A2 im Anhang Fahrgeschwindigkeityv 1 Gang G 3 bei Nichtangabe wird jeweils die verbrauchsoptimale Penne To To der m glichen Getriebe bersetzungen gew hlt Kriechgruppe ko Steigung ax _ 1 bei Nichtangabe eben ax 0 Schr glage o 1 bei Nichtangabe eben ay 0 Zur Veranschaulichung der Kurzschreibweise von Schlepper Ger te und Bodenparametern wird ein Beispiel f r einen Standardschlepper mit Grubber und zwei Nachl uferwalzen bei der Stoppelbearbeitung auf Lehmboden gezeigt Die Fahrgeschwindigkeit betr gt 5 km h und es wird eine Steigung von 3 gefahren Dabei sind Gang und Lastschaltstufe verbrauchsopti mal eingestellt Kurzschreibweise Schlepper Nr 1 Ger t Nr 3 7 7 Boden Nr 2 v 5 km h ax 3 Ergebnisberechnungen 109 Wenn die einzelnen Parameter f r die Berechnungen variiert werden sind diese gesondert aufgef hrt Beispielsweise wird h ufig die Zugkraft Fzug als variable Gr e auf der x Achse abgetragen beim Vergleich einzelner Schlepperreifen werden diese bei der entsprechenden Berechnung angegeben 5 1 Einfluss des Zugkraftbedarfs Der Zugkraftbedarf bestimmt gemeinsam mit der Fahrgeschwindigkeit den Zugleistungsbe darf Da dieser Leistungsbedarf sich in der Motorleistung widerspiegeln muss gilt es zun ch
53. realisiert werden Diese Anforderungen machen die modernen Schleppergetriebe zu einem der fortschrittlichsten Bauteile der Traktoren die Technik wird inzwischen auch im Bereich anderer Nutzfahrzeuge diskutiert 78 Reiter zeigt den weitergehenden Trend zu komfortableren Getrieben mit Lastschaltung und zunehmend auch Leistungsverzweigung in stufenlosen Getrieben bei Gro schleppern 79 Bei kleineren Maschinen setzt sich dieser Trend jeweils etwas sp ter durch da die hohen Entwicklungskos ten st rker ins Gewicht fallen Trotz dieser fortschreitenden Entwicklung werden in weniger stark industrialisierten L ndern auch die einfacheren Bauformen ihre Bedeutung behalten so dass auch diese f r die Wirkungsgradbetrachtung von gro em Interesse sind 5 24 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 3 4 1 Schaltgetriebe Trotz der gro en Bedeutung der Schleppergetriebe wurden nur wenige ausf hrliche Messun gen zum Wirkungsgrad ver ffentlicht Eine umfassende theoretische Betrachtung der unter schiedlichen Verluste sowie eine detaillierte Messung der Wirkungsgrade f r ein Getriebe wurden von Reiter 80 durchgef hrt Grunds tzlich l sst sich die Verlustleistung in lastab h ngige Verzahnungs und Lagerverluste und eine nicht lastabh ngige Leerlaufverlustleistung unterteilen Letztere wiederum beinhaltet Planschverluste bei Tauchschmierung lbeschleu nigung bzw Umlenkung und Ventilation Am Getriebe ist eine gesonder
54. sich um ein stufenloses Getriebe mit hydrauli schen Komponenten allerdings wurde bei der zum Vergleich herangezogenen Messung die Getrieber bersetzung so gew hlt dass die Kraft bertragung rein mechanisch ist In Bild 26 ist ein Vergleich der gemessenen und berechneten Wirkungsgrade in Abh ngigkeit der Drehzahl f r unterschiedliche Momente dargestellt Die Werte zeigen eine sehr gute bereinstimmung die auch f r Messungen von Reiter best tigt werden kann 88 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 86 500 Nm 82 450 Nm 400 Nm 80 SCH Nm 78 e e Nm 76 a oe 74 I Nm nn u T 70 Getriebewirkungsgrad No 68 200 Nm 1200 1400 1600 1800 min 2200 Getriebeeingangsdrehzahl Bild 26 Gemessene Getriebewirkungsgrade nach Seeger 55 mit den modellierten Kur ven agi ag3 0 0065 ac2a aca 30 1 Nzahn 0 932 Korrelationskoeffizient r 0 998 Es zeigt sich eine sehr gute Ubereinstimmung der gemessenen Wirkungsgrade mit der Mo dellfunktion Fiir den Versuchsschlepper zur Validierung des Modells wurden die Kennlinien zwar nicht gemessen dennoch lassen sich grunds tzliche Effekte schon mit abgesch tzten Werten gut darstellen 4 6 Motorkennfeld Nachdem die ben tigte Motordrehzahl und das Motormoment ermittelt wurden muss der Kraftstoffverbrauch aus dem Motorkennfeld h ufig als Muscheldiagramm bezeichnet ermit telt werden Dieses Kennfeld wurd
55. und optimaler Leistung von voll ausgelasteten Motoren als optimal ausgegangen 150 15 e Schlepper Nr 1 Es GEN Boden Nr 5 E t lt v 8 km h er o 100 7 10 2 So ben tigte Leistung DE Li E o2 E 5 2 of eal 2 250 Se 5 leistungsbezogene Masse D E gt optimale Masse 0 0 10 20 30 40 kN 50 Zugkraft Bild 47 Optimale Masse in Abh ngigkeit von der Zugkraft sowie die ben tigte Leistung bei 8 km h Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Es zeigt sich das optimale Leistungsgewicht zwischen 60 und 70 kg kW Dieses liegt etwas ber dem Durchschnittswert der angebotenen Ackerschlepper was sich unter anderem durch 126 Ergebnisberechnungen den flexiblen Einsatz auch f r Pflege und Zapfwellenarbeiten oder eine geforderte Leistungs reserve erkl ren l sst Da dieser Wert geschwindigkeitsspezifisch ist kann bei Stellen gr e ren Zugkraftbedarfs durch langsamere Fahrt reagiert werden falls die Motorleistung nicht mehr ausreicht 5 5 Optimale Zapfwellen Zugleistungsverteilung Die Frage nach Vor und Nachteilen von zapfwellengetriebenen Bodenbearbeitungsger ten ist nicht eindeutig zu beantworten da die Arbeitsergebnisse mit denen von gezogenen Ger ten nicht direkt vergleichbar sind 153 Dennoch lassen sich einige grunds tzliche Aussagen treffen Mit der vereinfachten Annahme dass mit einer definierten Leistung am Ger t unabh ngig von Zug oder Zapfwellenleistung die gleic
56. vereinfachte Gleichungen mit dem Hintergrund Aussagen ber Energiebilanzen und Gesamtemissionen aus der Land wirtschaft in Kanada abzusch tzen 54 Zur Untersuchung einzelner Einflussparameter bildet es das Verhalten der Maschine jedoch nicht ausreichend genau ab Seeger stellt ein Simulationsmodell f r Ackerschlepper vor 55 mit dem das Verhalten auf dem Feld nachgebildet werden kann Es wurde anhand von Pr fstandsmessungen validiert und parametrisiert Ziel ist die anschlie ende Nutzung dieser Daten f r ein Traktormanage ment mit dem der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs optimiert werden kann Schwerpunkt dieses Modells sind Motor und Getriebe Wichtiger als die Wirkungsgrade der Einzelkompo 16 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht nenten ist nach Seeger die Wahl des optimalen Betriebspunktes der bei hoher Motorauslas tung und abgesenkter Drehzahl liegt Sitkei stellt die wesentlichen Betriebsparameter anhand weniger Gleichungen zusammen und zeigt das grunds tzliche Verhalten zur Optimierung der Schleppernutzung 56 Dabei geht er zwar nicht direkt auf den Kraftstoffverbrauch ein dennoch verfolgt die Optimierung der Wirkungsgrade schlussendlich dieses Ziel Die zusammenfassenden Ergebnisse haben zum Teil noch G ltigkeit manche Punkte sind allerdings fraglich und stehen im Widerspruch zu anderen Artikeln Ein Simulink Modell f r den Antriebsstrang und das Laufwerk zur Untersuchung des Einflu
57. vorteilhaft zu bewerten das Einsparungspotenzial durch die korrekte Bereifung liegt je nach Rahmenbedingung zwi schen 1 und 8 nur im Extremfall bei bis zu 15 5 11 Einsparungspotenzial Anhand der gezeigten Auswirkungen von Schleppereinstellungen unter verschiedenen Rah menbedingungen kann das Einsparungspotenzial f r den Kraftstoffverbrauch durch unter schiedliche Ma nahmen abgesch tzt werden Da f r die Gr enordnung des Einsparungspo tenzials immer der Ist Zustand bei der jeweiligen Arbeit verantwortlich ist ist lediglich die Angabe eines Bereichs m glich Dieser beginnt stets bei 0 wenn bereits im Optimum gefahren wird und endet im Extremfall bei ber 30 Im Durchschnitt k nnen Einsparungen zwischen 5 und 25 bei nicht allzu gro en externen Effekten erzielt werden Zur besseren Beurteilung sind im Folgenden die Potenziale durch die Einzelparameter dargestellt 140 Ergebnisberechnungen Tabelle 15 Kraftstoff Einsparungspotenzial durch unterschiedliche Ma nahmen Ma nahme Einsparung Richtige Schleppermasse bis zu 10 Richtige Radlastverteilung bis zu 2 Richtige Bereifung und Luftdruck bis zu8 Wahl des richtigen Ganges bis zu 26 Schlepper Ger te Kombination bis zu 20 Anpassung der Fahrgeschwindigkeit bis zu8 Zuschalten von Allradantrieb bis zu8 Zuschalten von Differenzialsperren bis zu 5 Fahren quer zur Hangneigung bis zu 5 Die dargestellten Wer
58. wird In diesem Fall ist der Leistungsbedarf minimal zumal er nur zeitweise auftritt Beim Betrieb von lmotoren wird eine Dauerleistung ben tigt die allerdings durch die begrenzte hydraulische Leistung nicht erheblich ist Dennoch muss diese f r entsprechende Arbeiten ber cksichtigt werden Der Zapfwellenleistungsbedarf kann ins besondere f r Bodenbearbeitungsger te wie beispielsweise die Kreiselegge erheblich sein und den Zugleistungsbedarf bei weitem bersteigen Abh ngig ist dieser Leistungsbedarf neben der Arbeitstiefe auch von Boden und Ger teeigenschaften sowie der Fahrgeschwindigkeit Sowohl umfangreiche Messungen als auch Simulationsans tze fehlen f r diese Ger te Daher muss gro teils auf Faustwerte zur ckgegriffen werden die aus Untersuchungen zum Gesamt leistungsbedarf oder Kraftstoffverbrauch bei solchen Arbeiten stammen indem der Fahrleis tungsbedarf f r die jeweilige Arbeit abgezogen wird Da zur Berechnung von Produktionsketten und der Absch tzung von Einsparungspotenzialen Datengrundlagen ben tigt werden werden Basiswerte f r das vereinfachte Modell zur Verbrauchsberechnung in Kapitel 6 vorgestellt Genauso k nnen diese Richtwerte in Zusam menhang mit dem detaillierten Modell genutzt werden indem die Nebenleistung gemeinsam mit der Fahrleistung f r die Motorauslastung verwendet wird F r eine Betrachtung eines optimalen Zapfwellen Zugleistungsverh ltnisses sind allerdings auch Sch tzwerte als Grund la
59. zeigen bei gro en Zugkr ften minimale Vorteile f r den niedrigen Zugangriffspunkt was in diesem Fall durch den Multi Pass Effekt und die Massenverteilung zwischen Vorder und Hinterachse bedingt ist siehe Kapitel 5 4 2 Genauere Betrachtungen zu diesem Thema sind von unterge ordneter Bedeutung da durch den Allradantrieb keine Nachteile beim Wirkungsgrad auftreten und daher f r Zugarbeiten ein Zuschalten stets sinnvoll ist Bei Stra enfahrt ist wegen der Voreilung siehe Kapitel 5 2 2 bei leichter Zugarbeit vom Fahren mit Allradantrieb abzuse hen um die von Brenninger beschriebene Blindleistung zu vermeiden 161 Lediglich beim Ziehen gro er Lasten an Steigungen kann auch hier der Allradantrieb ohne Nachteil beim Wirkungsgrad und gr eren Reifenverschlei zugeschaltet werden 5 2 2 Einfluss der Voreilung Da bei Ackerschleppern der zuschaltbare Allradantrieb normalerweise nicht ber ein Diffe renzialgetriebe zwischen Vorder und Hinterachse verf gt weicht die Umfangsgeschwindig keit der Hinter und Vorderr der voneinander ab Der Effekt etwas schneller drehender Vor derr der wird als Voreilung bezeichnet Die Bestimmung des Einflusses der Voreilung ist mit dem vorgestellten Modell m glich das Optimum reagiert jedoch sehr sensibel auf das Trieb kraftverhalten von Vorder und Hinterr dern Durch die abweichende Umfangsgeschwindig keit tritt unterschiedlicher Schlupf auf normalerweise bei positiver Voreilung etwas gr er an
60. 0 00 0 00 Oberbodenfestigkeit 0601 0 60 0 25 0 25 D Unterbodenfestigkeit 0801 0 80 0 60 0 60 Tongehalt 010 0 90 0 10 0 90 M Feuchtegehalt 0501 0 50 050 0 0 Grubber be 3m Zugkraft Fzug kN 23 66 25 49 21 03 22 85 te 20 cm v 6 km h Verbrauch B kg h 13 94 14 88 14 08 15 17 Pflug ba 1 6 m Zugkraft Fzug KN 36 47 42 23 28 18 33 95 te 40 cm v 4 km h Verbrauch B kg h 14 08 16 43 12 33 14 77 Es zeigen sich Verbrauchsunterschiede beim Grubbern mit zwei Nachl uferwalzen von knapp 10 beim Pfl gen von mehr als 25 Der gr ere Unterschied beim Pfl gen be gr ndet sich einerseits durch den geringeren Rollwiderstandsanteil bei gr erer Zugkraft und andererseits durch den Zugkraftanteil der Nachl uferwalzen beim Grubber der nicht boden abh ngig ist Ebenso wird deutlich dass der Zugkrafteinfluss sich zwar im Kraftstoff verbrauch widerspiegelt es durch die berlagerung mit dem Laufwerk aber durchaus zu gr eren Verbrauchswerten bei geringerer Zugkraft kommen kann wie beim Grubbern auf lockerem Tonboden und auf Stoppelacker bei Sandboden Diese Zusammenh nge zeigen dass f r die Beurteilung eines Bodens in Bezug auf den Kraft stoffverbrauch die Ber cksichtigung des Zugkraftbedarfs allein nicht ausreichend ist Sowohl durch die berlagerung von Triebkraft und Zugkrafteinfluss als auch durch die Unsicherhei 138 Ergebnisberechnungen ten bez
61. 0 I ha Steigung Gef lle in Fahrtrichtung a y NOON a 12 18 seitliche Hangneigung a CH I Bild 52 Einfluss von seitlicher Neigung und Steigung Gef lle auf den Kraftstoff verbrauch Schlepper Nr 1 Boden Nr 2 Ger t Nr 3 7 7 tc 11 cm be 3 m v 5 km h Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Es zeigen sich starkere Auswirkungen der Steigung in Fahrtrichtung Seitliche Neigung beein flusst den Verbrauch erst bei Werten gr er als 5 nennenswert durch Zuschalten der Diffe renzialsperre in der Hinterachse kann dieser Einfluss nahezu vollst ndig kompensiert werden siehe auch Kapitel 5 2 daher wird dieser Einfluss nicht weitergehend untersucht und ver st rkt die Steigung in Fahrtrichtung betrachtet Um den Einfluss der Steigung auch ohne komplexe Modelle beurteilen zu k nnen liegt die Untersuchung dieses Mehrverbrauches f r unterschiedliche Rahmenbedingungen nahe Dabei zeigt sich allerdings dass keine allgemein g ltige Aussage dazu gemacht werden kann Zwar steigt beim Fahren bergauf und bergab die ben tigte Durchschnittsleistung schlupfbedingt immer an diese Aussage ist jedoch nicht auf den Kraftstoffverbrauch zu bertragen Nur bei Fahrzust nden die auch beim Bergabfahren den Motor auslasten also schweren Zugarbeiten ist Fahren bergauf und bergab auch von Seiten des Verbrauchs her von Nachteil Bei geringen Motorauslastungen wie bei leichten Zugarbeiten ist der Einfluss des Schlupfes klein im
62. 1 e Duquesne F Eeen Tractiemodel voor het optimaliseren van de Benuttingsgraad van het Tractorenvermogen Dissertation Universit t Gent 1996 Verschoore R F Duquesne J Pieters and I Pollet A traction model for the optimisation of traction and slip distribution AgEng Paper 02 PM 010 e Duquesne F A traction model for the optimalisation of the degree of the utilisation of the tractor capacity Dissertation Universitat Gent 1996 e Matthies H J und F Meier Herausgeber Jahrbuch Agrartechnik Yearbook Agricultural Engineering Band 13 Frankfurt 2001 e Wiegandt M Grundlagen eines Traktorbremsmanagements Dissertation TU Braunschweig 2004 Wilmer H Wer gewinnt am Vorgewende profi 11 1999 H 12 S 12 17 e Tarasinski N Elektronisch geregelte Dieseleinspritzung f r Traktoren Dissertation Berlin 1994 VDI Reihe 14 Nr 68 Kutzbach H D und H Schrogl Kraftstoffverbrauch und Auslastung von Ackerschleppern Ergebnis einer Umfrage in Baden W rttemberg Landtechnik 36 1981 H 3 S 123 127 Schulz H Motorcharakter Das Kennlinienfeld ist sein Abbild Landtechnik 51 1996 H 9 S 9 11 Schulz H Motoren sind massgeschneidert Das Kennlinienfeld zeigt die Optimierung Landtechnik 52 1997 H 1 S 24 26 Schulz H Und er l uft und l uft und der Traktormotor Landtechnik 52 1997 H 3 S 8 10 e van Basshuysen und Schafer Handbuch Verbrennungsmotor Vieweg Verlag Braunschwe
63. 5 1985 H 4 S 118 126 Kofoed S S Kinematics and Power Requirements of Oscillating Tillage Tools Journal of Agricultural Engineering Research 14 1969 H 1 e Taschenbuch Landwirtschaft 2000 01 Kuratorium f r Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e V Darmstadt 2000 e Sch fer W Theoretische Untersuchungen zur optimalen Kombination von Allradschleppern und gezogenen Ger ten zur Bodenbearbeitung Dissertation Universit t Hohenheim 1983 Forschungsbericht Agrartechnik der MEG Nr 83 Jahns G und H Steinkampf Einflussgr en auf Fl chenleistung und Energieaufwand beim Schleppereinsatz Grundlagen der Landtechnik 32 1982 H 1 S 20 27 Mugrauer A Einsatzm glichkeiten von Elektromotoren zum antrieb von M hdreschern Diplomarbeit Universit t Hohenheim 2002 unver ffentlicht Literatur 177 194 195 196 197 198 199 200 Freye T und F Heidjann Gebrauchswertverbesserung an M hdreschern 10 Internationaler Kongress f r Landwirtschaftstechnik Budapest 1984 Herrmann A Schlaggr e Landtechnik 51 1996 H 1 S 50 52 Herrmann A Auswirkung der Schlaggr e auf die Leistung und den Arbeitszeitbedarf in der Gesamtarbeitszeit sowie auf die Kosten der Arbeitserledigung 10 Arbeitswissenschaftliches Seminar Hohenheim 1995 S 129 138 Schutte B und H D Kutzbach Positionsbezogene Erfassung von Zugkraftwerten Landtechnik 58 2003 H 6 S 376
64. 50 5 80 E4 vorne rechts 5 50 5 80 S ne hinten links 0 98 0 98 ne hinten rechts 0 98 0 98 B Ines vorne links 0 97 0 97 2 NE4 vorne rechts 0 97 0 97 E Diff Hinten 5 88 5 88 Ki Diff Vorne 5 88 5 88 g os L ngs 1 00 1 00 NDiff Hinten 0 98 0 98 g N Diff Vorne 0 98 0 98 noir L ngs 0 98 0 98 Sperrwert Hinterachse 1 00 1 00 Sperrwert Vorderachse 1 00 1 00 Sperrwert L ngsdifferential 1 00 1 00 182 Anhang Tabelle A4 Parameter zur Berechnung des Zugkraftbedarfs nach dem ASAE Standard 497 4 Nr Ger t Ger teparameter Bodenparameter Einheit ag bg Cg S1 S2 S3 1 Pflug gt 65 0 051 1 0 0 7 0 45 2 Grubber 5cm Schar ee 91 5 39 1 0 0 85 0 65 3 Grubber 10 cm Schar oS 123 7 29 1 0 0 85 0 65 4 Mulchgrubber Fr 3 64 0 19 1 0 0 85 0 65 5 Scheibenegge a 3 09 0 16 1 0 0 88 0 78 6 Federzinkenegge Z 2000 10 1 0 10 7 Packerwalze 600 10 10 10 8 Pneu Drillmaschine 3700 1 0 1 0 1 0 Tabelle A5 Zugkraft und Leistungsbedarfsparameter f r unterschiedliche Ger te Bef ll Zugkraftbedarf Nebenarbeits und leistungsbedarf arbeit Bezeichung Fab Fab W Neben_m Pveten bt P eben_b Woer n Bezogen auf Breite Tiefe Breite Menge Breite Tiefe Breite Menge Einheit KN m cm KN m kJ kg kW m cm kW m kJ kg Moen mite schwer ioien miei schwer eicht mier schwer o N Oo
65. 83 H 8 S 369 372 S hne W Die Kraft bertragung zwischen Schlepperreifen und Ackerboden Grundlagen der Landtechnik 2 1952 S 75 87 Kalk W D und K H lsbergen Dieselkraftstoffeinsatz in der Pflanzenproduktion Landtechnik 54 1999 H 6 S 332 333 Schrogl H Bei der Bodenbearbeitung Energie sparen Feld und Wald 32 1982 H 8 S 4 5 Steinkampf H Energieeinsparender Einsatz von Schleppern Erntemaschinen und Transportfahrzeugen Vortrag auf der DLG Wintertagung 1980 Kutzbach H D Ein Beitrag zur Fahrmechanik des Ackerschleppers Reifenschlupf Schleppermasse und Fl chenleistung Grundlagen der Landtechnik 32 1982 H 2 S 41 48 Harnisch C and B Lach Off road vehicles in a dynamic three dimensional realtime simulation Proceedings of the 14th International Conference of the ISTVS Vicksburg USA 2002 Dyer J A and R L Desjardin Simulated farm fieldwork energy consumption and related greenhouse gas emissions in canada Biosystems Engineering 85 2003 H 4 S 503 513 e Seeger J Antriebsstrangstrategien eines Traktors bei schwerer Zugarbeit Dissertation TU Braunschweig 2001 Literatur 167 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 Sitkei G Allgemeine Zusammenh nge zwischen der Leistung dem Gewicht und den optimalen Betriebsparametern von Schleppern Grundlagen der Landtechnik 28 1978 H 5 S 189 19
66. 84 Spur hinten m 1 81 2 56 g Spur vorne m 1 81 2 56 g Massenkraft kN 70 00 82 20 E Schwerpunkt x m 0 92 1 21 E y m 0 00 0 00 2 z m 0 50 0 50 2 Zugpunkt D m 0 60 0 50 S y m 0 00 0 00 O Z m 0 00 0 00 Stat Rollrad hinten m 0 80 0 90 vorne m 0 65 0 70 Reifen hinten 650 65 R 38 580 70 R 42 Reifen vorne 540 65 R 28 540 65 R 34 m 524 702128986 779 806623965 Ma 0 111412994 0 373353900 m3 0 000045704 0 000102730 2 m 1 105983637 1 008029073 L ms 0 001417170 0 000681799 Ime 0 000056945 0 000118635 x mv1 219 464966880 153 924638113 g mv2 0 269584393 0 842616948 iv 0 000020555 0 000249427 Mya 0 000000034 0 000000027 Mat 8 771 628305089 5 182 434683971 Maz 3 592207413 2 166569684 Anhang 181 Tabelle A3 Schlepperparameter f r die Modellberechnungen 2 Teil Schlepper 2 CZahn 0 07 0 07 ac Nm 0 02 0 02 ac2 Nm 19 19 aG3 Nm 0 02 0 02 ac4 Nm 19 19 1 6 3680 9 3952 2 2 6090 5 8720 3 1 6000 3 6700 g 2 14 0 9750 2 2938 L 6 5 0 6000 1 4336 6 0 4440 0 8960 7 0 5600 2 8 0 3500 3 N l 1 1 7667 1 4830 O g 2 1 4672 1 3706 g 583 1 2250 1 2667 2 12814 1 0000 1 1707 SC EE 1 0820 6 1 0000 SI 1 0000 1 0612 6 2 2 1 0404 38 z 3 1 0200 4 1 0000 Ice hinten links 7 07 7 07 le hinten rechts 7 07 7 07 Ir vorne links 5
67. Fakult t Agrarwissenschaften Institut f r Agrartechnik Universit t Hohenheim Grundlagen der Agrartechnik Prof Dr Ing Dr h c H D Kutzbach Kraftstoffverbrauch beim Einsatz von Ackerschleppern im besonderen Hinblick auf CO Emissionen Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften vorgelegt der Fakult t Agrarwissenschaften von Matthias Schreiber aus Steinheim Westfalen 2006 Die vorliegende Arbeit wurde am 25 01 2006 von der Fakult t Agrarwissenschaften der Uni versit t Hohenheim als Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwis senschaften angenommen Tag der m ndlichen Pr fung 02 05 2006 Prodekan Prof Dr rer nat K Stahr Berichterstatter 1 Pr fer Prof Dr Ing Dr h c H D Kutzbach Mitberichterstatter 2 Pr fer Prof Dr rer nat U Haas 3 Pr fer Prof Dr sc agr Dr h c J Zeddies Vorwort IH Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand w hrend meiner T tigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Grundlagen der Landtechnik des Instituts f r Agrartechnik an der Universit t Hohenheim Mein herzlicher Dank gilt Professor Kutzbach der diese Arbeit angeregt und wissenschaftlich betreut hat Er lie mir bei dem Thema alle Freir ume und stand mir immer mit seinem Fachwissen und seiner Erfahrung als wertvolle Unterst tzung f r jede Frage zur Seite Be sonders die M glichkeit die Forschungsergebnisse auf nati
68. HNIS POR MER ZEIGHE ING sccctheasd sagsscnvdesonawassinassesneeicucnntonsuedd pensosbien siseses sesos vso ssis soseri IX 1 EINLEITUNG UND ZIEL DER ARBEIT cccsscossssssssosssonssonsssnnssnnssnonsnonsssnnssnnssnunene 1 2 EMISSIONEN BEIM EINSATZ VON VERBRENNUNGSMOTOREN cccsce0 5 2 1 EE HEES 5 2 2 QUALITATSANFORDERUNGEN AN DIESELKRAFTSTOFF s cccessceeseeceesneceesneeeeseeeesaees 6 2 3 KRAFTSTOFFE AUF PFLANZEN LBASIS una Rena ee 7 2 34 Biodiesel e nee ee 8 232 E 9 RE EE 10 2 35 4 Designerkraftstoffe BTL GH nun 10 A KRAFTSTOFFVERBRAUCH VON ACKERSCHLEPPERN LITERATUR BERSICHT a une 11 3 1 MESSEINRICHTUNGEN FUR DEN KRAFTSTOFFVERBRAUCH ssesesessesreereersrreresrsreerese 11 3 2 VERBRAUCHSMODELLE F R ACKERSCHLEPPER ccsssssscssscssssecssseseessecsasonseeeaoseeess 13 e len e EE 17 3 3 1 Darstellung EE 18 3 3 2 Leistungsbedarf der Nebenaggre gate cccccccccccecsceeseesecesseessecuseeeessesseecnseeneenaees 21 3 4 EINFLUSS VON GETRIEBEART UND KONSTRUKTION 23 34A Schaltgetriebe ae een 24 3 4 2 St fenlo e Getriebe See ersehen 26 3 4 3 Verteilergetriebe und Endantriebe s an na N 27 3 5 LAUFWERK UND ACKERSCHLEPPERREIFEN vies cncniscesoscosescnsedsdesudecdegsnendesesedabsea dennis dees 27 3 5 1 Messungen zum Triebkraftverhalten aaschiesea usa 28 3 5 2 EE been Ee bie eeh eebe ee 33 3 5 3 Rollradius und Schlupfnullpunktdefinitionen Hebelarm der Radlast 39 3 5 4 BodenVerdichiUNBe
69. Harper Adams UK 2003 S 487 496 Kiss P Rolling Radii of a Pneumatic Tyre on Deformable Soil Biosystems Engineering 85 2003 H 2 S 153 161 Sommer C K Walter M Lebert L Jaklinski und B Jasinski Effiziente und bodenschonende Triebkraft bertragung vom Reifen zum Boden Landtechnik 56 2001 H 5 S 316 317 S hne W Terramechanics and its Influence on the Concepts of Tractors Tractor Power Development and Energy Consumption Journal of Terramechanics 13 1976 H 1 S 1 27 S hne W und I Bolling Der Einfluss der Lastverteilung auf die Triebkraft Schlupf Kurve von Ackerschleppern Grundlagen der Landtechnik 31 1981 H 3 S 81 85 Literatur 173 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 Wei bach M Landtechnische Untersuchungen zur Wirkung bodenschonender Fahrwerke an Schleppern und Arbeitsmaschinen mit verschiedenen Radlasten Habilitation Universit t Kiel 2003 Isensee E und T Wilde Nachwirkungen schwerer Maschinen und Fahrgassen im Boden Landtechnik 54 1999 H 4 S 218 219 Diserens E Ermittlung der Reifen Kontaktfl che im Feld mittels Rechenmodell FAT Berichte Nr 582 Wei bach M und K Winter Bodenbelastung und Zugkraft bertragung RKL Schrift 2 1 2 1 1996 S 243 276 Wong J Y and W Huang Traction Technology Model Behaviour iVT International 2004 H 04 05 S 28 33 Book
70. Leerfahrt ist oder die volle Maschine w hrend des Ausbringens langsam entleert wird 144 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches bzw sich langsam f llt Erntearbeiten Der Fehler durch die Annahme einer durchschnittli chen Masse wird in Kapitel 5 4 3 dargestellt und ist vernachl ssigbar klein Ebenfalls muss die Achslast aller Triebachsen Fg Trieb bekannt sein Da f r Feldarbeiten stets von Allradantrieb ausgegangen wird ist diese proportional zur Schleppermasse gegebenen falls zuz glich der St tzlast eines Anh ngeger tes oder der Masse des Anbauger tes Bei Arbeiten mit geringer Zugkraft ist wie gezeigt kein Nachteil gegen ber Hinterradantrieb zu erwarten Zus tzliche Kr fte durch Untergriff von Bodenbearbeitungsger ten werden nicht ber cksichtigt Bei Stra enfahrt kann von der Hinterachslast ausgegangen werden die etwa 70 der Schleppermasse entspricht Bei Anbauger ten darf sie 80 nicht berschreiten Eine genauere Bestimmung ist nicht notwendig da bei den relativ kleinen Triebkr ften der Schlupfunterschied auf Asphalt minimal ist und daher kaum Wirkungsgradunterschiede auf treten Auf dem Feld wird mit zugeschaltetem Allradantrieb gerechnet so dass die Lastvertei lung keinen Einfluss hat 6 2 3 Einfluss des Laufwerks und des Zugkraftbedarfs Es wird gleicher Rollwiderstand an allen R dern Schlepper Ger t Anh nger f r unter schiedliche B den angenommen Das ist daher sinnvoll da der Boden
71. T j _____ leistung H chste Zugleistung 9 150 kW o ON O 0 2 l i Kur 2 E u T S E SE e 5 140 kW I 120 kW 100 kW 18 kw RZ 80 0 0 0 1 0 2 0 3 Schlupf Vorderachse Bild 12 Wirkungsgrad und Zugkraft in Abh ngigkeit vom Radschlupf vorne und hinten nach Brenninger 161 Steinkampf zeigt ein vereinfachtes Verfahren zur Berechnung der Auswirkungen einer Diffe renzialsperre auf die Zugkraft und den Laufwerkwirkungsgrad 162 unter der Annahme identischer Rollwiderstandswerte und Rollradien sowie eines idealen Differenzials Unter diesen Annahmen ist die Sperrung des Differenzials im Bezug auf den Laufwerkwirkungs grad stets von Vorteil der allerdings je nach Einsatzbedingungen minimal werden kann Der Wirkungsgrad des Allradantriebes in Abh ngigkeit der Voreilung ist schwierig absch tz bar da sowohl das Triebkraftverhalten als auch die genaue Radlastverteilung bekannt sein m ssen F r gro e Vorderr der wird von S hne eine optimale Vorderachslast von 45 50 vorgeschlagen 138 Weitere Untersuchungen konzentrieren sich auf den Einfluss eines geregelten Allradantriebs mit dem Verspannungen im Antriebsstrang vermieden werden k nnen und somit der Wirkungsgrad erh ht werden kann 159 161 163 164 Der Wir kungsgradvorteil bei schwerer Zugarbeit mit hohem Schlupf wird in Kapitel 5 2 2 untersucht Auf Asphalt ist der Allradantrieb im Normalfall nicht zugeschalt
72. Vorderachse In der Vorderachse finden bei Ackerschleppern fast ausschlie lich Selbstsperrdifferenziale Verwendung Der Einfluss von Differenzialsperren in der Vorderachse auf den Kraftstoff verbrauch ist nicht sehr gro wof r es haupts chlich vier Gr nde gibt Erstens ist bei fester bersetzung zwischen Vorder und Hinterachse das Drehmoment an den Vorderr dern nicht gleichzeitig begrenzend f r die Hinterachse es wird selbst bei einem durchdrehenden Vorder rad z B ohne Bodenkontakt Zugleistung an der Hinterachse bertragen Zweitens ist bei Ackerschleppern die Vorderachse als Pendelachse ausgef hrt deren Pendelpunkt stets unter halb des Schwerpunktes liegt und so die Gewichtsverteilung der Vorderr der kleinere Unter schiede zeigt als die der Hinterr der Drittens kommt der Vorderachse mit den kleineren R dern und der geringeren Achslast der geringere Zugkraftanteil zu was die Bedeutung der Sperre verglichen mit der in der Hinterachse reduziert Viertens wird bei hoher Zugkraft bei der die Sperre erst sinnvoll wird die Vorderachse durch Achslastverlagerung zus tzlich ent lastet Insgesamt sind somit die Auswirkungen einer Differenzialsperre in der Vorderachse f r den Kraftstoffverbrauch nur von geringer Bedeutung In Bild 42 ist der Mehrverbrauch von idealem gegen ber voll gesperrtem Differenzial in Abh ngigkeit von der Zugkraft f r unter schiedliche seitliche Hangneigungen dargestellt 2 Schlepper Nr 1 Boden N
73. Werte vorteilhaft was durch harte Boden fragmente im trockenen und klebenden Boden bei feuchten Bedingungen begr ndet werden kann Grundlegende Untersuchungen zur gegenseitigen Beeinflussung von Feuchte und Ton gehalt stellt Vilde an 173 Zu den Auswirkungen von Ger teparametern wurden insbesondere f r Pfl ge zahlreiche theoretische und praktische Untersuchungen zum Zugkraftbedarf f r unterschiedliche Schar geometrien durchgef hrt die das Ziel einer Optimierung der Scharform verfolgen Es zeigt sich f r nicht wendende Bodenbearbeitungsger te wie Grubber ein linearer Einfluss der Fahrgeschwindigkeit 174 175 f r wendende Bodenbearbeitungsger te Pfl ge ein quadra tisch ansteigender Zugkraftbedarf 176 178 der in der Literatur wegen der zahlreich best tigten Messergebnisse als allgemein g ltig angenommen wird 165 Der Einfluss der Ar beitsbreite wird stets als linear angenommen die Arbeitstiefe verh lt sich in einem gewissen Bereich nahezu linear Durch steigende Bodendichte in tieferen Schichten wird jedoch h ufig auch ein progressiver Anstieg der Zugkraft mit der Arbeitstiefe festgestellt 3 7 2 Modellans tze f r den Zugkraftbedarf Eine grundlegende Arbeit zur Modellierung des Zugwiderstandes stellt Gorjatschkin bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts vor 179 180 Dabei wird der Zugwiderstand eines Pflu ges aus spezifischem Widerstand des Streichblechs Widerstand des Bodens gegen Verfor men Reibung zw
74. Zusammenfassung durch richtige Ballastierung und entsprechende Reifenwahl maximiert werden Zugfahrzeug und Ger t m ssen optimal aufeinander abgestimmt sein Allradantrieb und Differenzialsper ren m ssen bei Bedarf zugeschaltet werden und die Getriebe bersetzung muss so gew hlt werden dass nahe dem optimalen Betriebspunkt des Motors gefahren wird Neben diesen Kriterien der Prozessoptimierung ist auch die Bereitstellung von Standard Verbrauchswerten Faustzahlen f r unterschiedliche Arbeiten und Produktionsketten von gro er Wichtigkeit f r die Praxis Da f r das vorgestellte Modell sehr viele Eingangsparame ter bestimmt werden m ssen und f r eine Faustzahlenberechnung kein so genaues Modell erforderlich ist wurden aus dem genauen Modell vereinfachte Gleichungen zur Verbrauchs berechnung abgeleitet Diese erm glichen eine schnelle und einfache Berechnung von Kraft stoffverbrauchswerten und spiegeln dabei das grunds tzliche Motor Getriebe und Trieb kraftverhalten des Schleppers gut wider Auch der Zug und Zapfwellenleistungsbedarf der Ger te wird ber cksichtigt Anhand dieser Gleichungen die in ein Excel Modell umgesetzt wurden k nnen nun schnell und einfach Verbrauchswerte f r unterschiedliche Arbeiten berechnet werden Bei den ben tigten Daten f r die verschiedenen Ger te treten allerdings noch L cken auf die es zu beheben gilt F r die wichtigsten ackerbaulichen Arbeiten wurden bereits Parameter anhand von Messu
75. admesseinrichtung und einem Bandlaufpr fstand zur Untersuchung des Schwin gungsverhaltens durchgef hrt 92 96 107 108 Im Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und den Laufwerkwirkungsgrad ist lediglich das Zugkraft und Rollwiderstandsverhalten von Reifen von Interesse Seitenkr fte sind von untergeordneter Bedeutung da sie nur bei Kur venfahrt und bei Hangneigung auftreten und den Laufwerkwirkungsgrad erst bei gro en Schr glaufwinkeln nennenswert beeinflussen Messungen zum Triebkraft Schlupf Verhalten bei Seitenkraft liegen zwar vor 92 Modellans tze beschr nken sich bisher jedoch auf Aus sagen zu maximalen Seiten und Zugkr ften ohne dabei die Abh ngigkeit vom Schlupf zu ber cksichtigen 109 Da auch f r das neue Schleppermodell zur Verbrauchsberechnung eine Vorhersage des Triebkraftverhaltens von wichtiger Bedeutung ist werden die wesentlichen Modelle im folgenden erl utert Die heute vorliegenden Ans tze zur Triebkraftmodellierung traction prediction k nnen nach Upadhyaya in drei Klassen eingeteilt werden 110 Analytische Methoden Halbempirische Methoden Empirische Methoden Diese unterscheiden sich in Ihrer Komplexit t und im Rechenzeitbedarf stark wobei die analytischen Modelle die aufwandigsten darstellen Empirische Modelle sind einfach gehalten und basieren auf einer Interpretation des Reifenverhaltens ohne die genauen Vorg nge zwi schen Reifen und Boden einzubeziehen Die halbempirischen Modell
76. ahl unterschiedlich sind und die Planschverluste nicht von einer dieser Drehzahlen allein beeinflusst werden werden sie aufgeteilt und zu einem Teil mit Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 87 der Eingangsdrehzahl am Anfang und zum anderen Teil mit der Ausgangsdrehzahl nach den Zahnreibungsverlusten Czahn 1 Nzann ber cksichtigt Somit entf llt auch das Problem festzu legen welche dieser Verluste zuerst ber cksichtigt werden Die Gleichung 70 hat nach Aufl sen in und gegen die Richtung des Kraftflusses die gleiche Form 1 Mg Mu M Plansch oy 1 Zahn E T M Plansch log 70 G Das drehzahlabh ngige Planschmoment Mpiansch f r die Getriebeeingangs und Getriebeaus gangswelle wird durch die Parameter ag bis ag4 dargestellt Gleichung 71 M plansch Om gen u 462 M piansch G ge gie aa 71 Diese Gleichung entspricht bis auf die Aufteilung der Planschverluste den Gleichungen Rei ters Gleichung 5 und 6 nach entsprechender Umformung Durch die Ber cksichtigung sowohl von Eingangs als auch von Ausgangsdrehzahl wird auch der grunds tzliche Einfluss der Getriebe bersetzung ber cksichtigt Der Getriebewirkungsgrad berechnet sich nach Gleichung 72 _ Ma g NG 72 My Ou Nach Einsetzen von den Gleichungen 70 und 71 kann der Getriebewirkungsgrad in Ab h ngigkeit von Motormoment und Drehzahl bestimmt werden Bei dem von Seeger 55 aufgenommenen Getriebekennfeld handelt es
77. als geometrische Gr e messbare halbe Durchmesser des radius unbelasteten Rades Statischer Radius Der auf Asphalt als geometrische Gr e messbare Abstand Istat vom Radmittelpunkt zum Boden Dynamischer Dieser Radius berechnet sich aus direkt messbaren Gr en dem Rollradius Verh ltnis von Fahrgeschwindigkeit zur Winkelgeschwindigkeit Troll Mit zunehmendem Schlupf wird er kleiner und ist daher eine sehr unanschauliche Gr e Nullschlupf Berechnet sich aus dem Verh ltnis von Fahrgeschwindigkeit zur Rollradius Winkelgeschwindigkeit bei Nullschlupfbedingungen Dazu Tdyn bedarf es der Definition des Nullschlupfes Momenten Berechnet sich aus dem Eingangsmoment geteilt durch die Um Radius fangskraft Daher muss entweder der Rollwiderstand oder der IM Momentenradius selbst gesch tzt werden Die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Radiusannahmen lassen sich in der energetischen Betrachtung in Bild 9 anschaulich darstellen 40 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht Bild 9 Schematische Darstellung der Kr fte Geschwindigkeiten und Leistungen am angetriebenen Rad ver ndert nach Persson 131 Dabei sind die Geschwindigkeit v die Triebkraft Fx sowie die Nabenleistung die der Fl che des gro en Rechtecks entspricht direkt messbare Gr en Folglich kann auch der Laufwerk wirkungsgrad nach Gleichung 24 eindeutig berechnet werden Pr F v F v K Trieb x x 24 Pnabe M Not
78. alsperren Bei der Ber cksichtigung von Differenzialgetrieben muss zwischen gesperrtem und unge sperrtem sowie Selbstsperrdifferenzial verschiedener Bauformen in der Vorderachse unter schieden werden In dieser Arbeit wird jedoch lediglich der Einfluss von idealem und voll gesperrtem Differenzial auch in der Vorderachse gezeigt da unterschiedliche Sperrwerte lediglich einen minimalen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch haben vgl Kapitel 5 2 3 2 Die L sung f r die beiden Sonderf lle des voll gesperrten und idealen frei laufenden Diffe renzials kann anschaulich wie folgt berechnet werden Die Wertetripels von den Drehwider standslinien der Differenzialgetriebeausgangswellen werden f r gesperrtes Differenzial je weils bei gleicher Winkelgeschwindigkeit zugeordnet Dann werden die Winkelgeschwindig keit das Eingangsmoment und die zugeh rige Zugkraft mit der bersetzung und dem Wir kungsgrad des Differenzialgetriebes nach den Gleichungen 67 und 68 berechnet Sollten in den Wertetabellen nicht die identischen Werte f r die Winkelgeschwindigkeiten bzw Mo mente vorliegen so wird entsprechend interpoliert Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 81 0 On AR ipy 67 M M Ma 68 IDH DH Die Zugkraft die der Eingangsdrehwiderstandslinie zugeordnet wird entsteht durch Addition der beiden Zugkr fte von den Ausgangswellen Anschaulich kann dieser Zusammenhang f r ein Beispiel in Tabelle 8 dargestellt werden D
79. auchsmessung in Landmaschinen Landtechnik 54 1999 H 5 S 278 279 Bernhard B und M Schreiber Vergleich elektrischer und hydraulischer Fahrantriebe f r M hdrescher Tagungsband VDVMEG Tagung Landtechnik Dresden 2004 VDI Berichte Nr 1855 S 211 219 Degrell O und T Feuerstein DLG PowerMix Ein praxisorientierter Traktorentest Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik Hannover 2003 VDI Berichte Nr 1798 S 339 345 166 Literatur 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 Fischer G und G Wolff Rahmenmethodik zur Berechnung des Kraftstoffverbrauchs landtechnischer Arbeitsmittel f r Feldarbeiten und landwirtschaftlichen Transport agrartechnik 33 1983 H 8 S 366 368 Gro e W Spezifischer Energieaufwand bei verschiedenen Verfahren der Pflanzenproduktion agrartechnik 30 1980 H 10 S 455 457 Eifler R Technisch technologische Probleme rationeller Energieanwendung in der Bodenbearbeitung agrartechnik 30 1980 H 11 S 511 514 e Dieselverbrauch in der Pflanzenproduktion und der Tierhaltung Darmstadt KTBL 1999 Grisso R M F Kocher and D H Vaughan Predicting tractor fuel consumption ASAE Paper No 03 1107 e Hernanz J L und J Ortiz Canavate Energy Saving in Crop production 1999 Schulz H und K Queitsch Motorbelastung und Kraftstoffverbrauch des Traktors ZT 300 beim Grubbern agrartechnik 33 19
80. beim Einsatz von Verbrennungsmotoren einen allgemeinen Vergleich verschiedener alternativer Kraftstoffe vor wobei er auch tha nol als Beimischung f r Ottokraftstoffe ber cksichtigt Grunds tzlich wird aufgrund der Fl chenknappheit den Pflanzen len langfristig eine untergeordnete Rolle einger umt 20 Die CO gt Emissionen bei der Verbrennung biogener Kraftstoffe sind mit denen von minerali schem Diesel vergleichbar und leicht abh ngig von der Qualit t der Verbrennung Bei Kraft stoffen auf Pflanzen lbasis sind sie allerdings nicht fossilen Ursprungs weshalb diese teilwei se als CO gt neutral bezeichnet werden Die Wirtschaftlichkeit dieser Kraftstoffe ist auf landwirtschaftlichen Betrieben stark einge schr nkt da durch die Dieselbeihilfe pro Betrieb jeweils 10000 1 Diesel steuerbegiinstigt sind So k nnen Biodiesel oder Pflanzen l erst bei gr eren Mengen eine m gliche Alternative f r Diesel darstellen au erdem werden auch parallele Tanksysteme f r die unterschiedlichen Kraftstoffe ben tigt was die Wirtschaftlichkeit noch weiter einschr nkt F r eine st rkere Umsetzung der Dieselsubstitution in der Landwirtschaft m ssten folglich weitere finanzielle Anreize f r die Einzelbetriebe geschaffen werden 2 3 1 Biodiesel RME Die g ngigste und gleichzeitig einzige von einigen Motorenherstellern zugelassene Alternati ve f r Diesel ist RME das inzwischen fl chendeckend an Tankstellen verf gbar ist und des
81. bershausen und D Bockey Biodiesel im Gespr ch ADAC Motorwelt 2001 H 10 S 48 49 Vellguth G Eignung von Pflanzen len und Pflanzen lderivaten als Kraftstoff f r Dieselmotoren Grundlagen der Landtechnik 32 1982 H 5 S 177 186 Kern C B Widmann H Sch n K Maurer und T Wilharm Standardisierung von Raps l Landtechnik 52 1997 H 2 S 68 69 Remmele E Rapsdlgewinnung und Treibstoffqualit t Arbeitsgemeinschaft Landtechnik und l ndliches Bauwesen Baden W rttemberg e V Hohenheim 2005 Rinaldi M E Stadler I Schiess und H W J ckle Pflanzen lgemische als Dieselkraftstoff FAT Berichte Nr 502 Schumacher L G W Wetherell and J A Fischer Cold flow properties of biodiesel and its blends with diesel fuel ASAE Paper No 99 6133 Mobilit t und Nachhaltigkeit 2005 URL www volkswagen umwelt de wissen_21683 asp 17 04 2005 Rinaldi M Consumption and emission factors of tractors for various farming tasks AgEng Paper 00 PM 003 Rinaldi M und G Gaillard Treibstoffverbrauch und Abgase landwirtschaftlicher Traktoren Agrarforschung 6 1999 H 6 S 212 214 Schutte B L Herrmann M Schreiber und H D Kutzbach Die Kartierung des Kraftstoffverbrauchs Landtechnik 59 2004 H 3 S 152 153 W rz M Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch Bachelorarbeit Universit t Hohenheim 2002 unver ffentlicht Domsch H D Ehlert N V DBentscheva und A S Smrikarov Kraftstoffverbr
82. bes Motordrehzahl Kontaktfl chendruck Ben tigte Motorleistung Nabenleistung Breitenabh ngiger Nebenarbeitsbedarf der Ger te Breiten und tiefenabh ngiger Nebenarbeitsbedarf der Ger te Nennleistung des Motors XII Formelzeichenverzeichnis Formel Einheit Bedeutung zeichen Broch kW Triebleistung Pzug kW Zugleistung eines Ger ts Tayn r m Dynamischer Rollradius der Rader Nullschlupf Radius ri m Radius des Rades i siehe Bild 25 IM m Momenten Radius nach Persson Troll m Rollradius nach Persson Tstat m Statischer Rollradius nach Persson 1 S3 Beiwert f r den Zugwiderstand des Bodens bei der Bearbeitung Sa Faktor fiir den Zugwiderstand des Bodens SF m Theoretische Fahrstrecke in der Hauptzeit tc cm Arbeitstiefe des Ger ts u Hilfsvariable Ur m Feldumfang v m s Tats chliche Fahrgeschwindigkeit Vo m s Theoretische Fahrgeschwindigkeit Vu m s Umfangsgeschwindigkeit am Rad Weefill kJ kg Mengenbezogene Bef llarbeit WNeben m kJ kg Mengenbezogener Nebenarbeitsbedarf der Ger te Yaz Maximalwert einer Teilfunktion nach Bekker ZWende Anzahl der Wendevorg nge auf einem Schlag Ox Steigung in Fahrtrichtung Ay Seitliche Hangneigung B berlappungsanteil an der Gesamtfl che Bw Anteil des Wendeverbrauchs am Verbrauch in der Hauptzeit y Winkel der auf die Vorderachse wirkenden Kraft m Einsinkung AX berl m Breite des berlappens am Vorgewende amp Dynamischer Anteil des Pflugwiderstands NG Getriebewirkun
83. betr gt er f r einen Wendevorgang Botz 16 ml m Durch Multiplikation mit der Anzahl der Wendevor g nge Zwende nach Gleichung 77 kann nach K rzen der Arbeitsbreite bg der Wende verbrauch Bw abh ngig von der Art des Ger tes und der Feldbreite br angegeben werden Gleichung 80 br Bw But Da Zwende But Be aie Bwipr Dr 80 G Der fl chenbezogene Kraftstoffverbrauch f r das Wenden h ngt daher nicht von der Arbeits breite sondern lediglich von dem ger tespezifischen breitenbezogenen Verbrauch Boa ze und Entwicklung des Krafistoffverbrauchs Modells 103 der Schlagbreite br ab da mit breiten Ger ten zwar weniger Wendevorg nge ben tigt werden f r jeden einzelnen Wendevorgang jedoch proportional mehr Kraftstoff verbraucht wird Der Fl cheneinfluss ist f r verschiedene Ger te mit unterschiedlichem spezifischen Zugkraftbe darf und quadratische Schl ge in Bild 35 dargestellt l ha Wendeverbrauch Saatbettkombination 0 10 20 ha 30 Schlaggr e A Bild 35 Verbrauch zum Wenden in Abh ngigkeit von der Schlaggr e Die Kurven k nnen je nach Kraftschlussverh ltnissen Schleppermasse Motorleistung sowie Feldform und Fahrer leicht nach oben oder unten verschoben liegen folgen aber grunds tz lich diesem Verlauf Da die Unterschiede zwischen den Ger ten aus dem Verh ltnis von Arbeitsbreite zur Schlepperleistung und masse resultieren und bei der Arbeit im Feld Hauptzeit die Verbrau
84. ch noch unbekannt Daher wird zun chst eine Annahme f r den Winkel y mit dem die Resultierende aus y und z Kraft auf die Vorderachse wirkt getroffen Bild 17 Vereinfacht geht man von einer senkrecht zum Boden wirkenden Kraft aus der Winkel y ist dann gleich der seitlichen Hangneigung F r die H he des Pendelpunktes der Vorderachse ber dem Boden wird analog zur Hinterachse die Bezeichnung hy eingef hrt Diese Gr e flie t mit der Schleppergeometrie in das Modell ein 64 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells Bild 17 L ngen und Kr fte an der Vorderachse Durch multiplizieren der St tzkraft Fy mit tan y ergibt sich die Kraft Fy die der Summe der Seitenkr fte an beiden Vorderr dern entspricht Fy Fy tany F3 Fy tany 36 Es ergibt sich die Zusatzbedingung Gleichung 37 3 Mr SC ba Faz Tay F3 Fy tan y hy 0 37 Und nach Umformung Gleichung 38 3 Mr SE i tan y hy ls Faz 3 tan y hy lay 0 38 Dieses Gleichungssystem mit 4 Gleichungen 33 bis 35 sowie 38 und den 4 Unbekannten F z bis F42 ist eindeutig l sbar Die Matrizenschreibweise zur Vereinfachung der L sbarkeit im programmierten Modell ist im Anhang in den Gleichungen Al bis A5 dargestellt Nachdem so die Radlasten in erster N herung bestimmt wurden k nnen die zugeh rigen Zugkr fte an den Einzelr dern mit dem in den folgenden Kapiteln gezeigten Verfahren ermittelt werden Dazu m sse
85. che vertikale Bodendeformation Tri ebkraft Schlupf Bild 7 Triebkraft Schlupf Kurve nach S hne mit Aufteilung des Schlupfes in verschie dene Anteile Steinkampf nutzt die empirischen Gleichungen 9 und 10 88 um die mit einer Einzelrad messeinrichtung 95 durchgef hrten Versuche zu beschreiben So wird der Triebkraftbeiwert x und der Umfangskraftbeiwert u in Abh ngigkeit vom Schlupf o dargestellt der Rollwider standsbeiwert p wird linear gen hert Durch die empirischen Parameter a bis c bzw az bis d2 werden die Kurven an die Messergebnisse angepasst Die Bedingung f r den Rollwider standsbeiwert p aus Gleichung 11 wird bei der Bestimmung der Parameter von Steinkampf nicht ber cksichtigt K a b e9 9 u a 0 b e d 10 Dei 11 Die beschriebene in vielen Modellen angenomme Radlastunabh ngigkeit der Beiwerte u K und p kann auch durch Messungen von Armbruster 96 best tigt werden Insbesondere bei gleicher Auslastung des Reifens durch entsprechend angepassten Luftdruck ergeben sich mit der Radlast linear steigende Triebkr fte Bei steigender Auslastung des Reifens wird ein berproportionaler Anstieg der Triebkraft gezeigt Dieses Verhalten kann durch die bei kon Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 31 stantem Luftdruck gr er werdende Kontaktfl che begr ndet werden Dennoch wird bei vielen Ans tzen zur Modellierung von Reifenkennlinien stets von Radlastu
86. chsunterschiede den Leistungsunterschieden bei angenommener gleicher Auslastung relativ genau entsprechen kann der Wendeverbrauch auch auf den Kraft stoffverbrauch in der Hauptzeit bezogen werden Anders ausgedr ckt wird der Wende verbrauch Bw als proportional zum Verbrauch in der Hauptarbeitszeit By angenommen Es ergibt sich ein rein fl chenabh ngiger anteiliger Mehrverbrauch w f r alle Ger te und alle Arbeitsbreiten der nach Berechnung des Hauptzeitverbrauchs aufgeschlagen werden kann um den Gesamtverbrauch auf dem Schlag zu bestimmen Zur Ermittlung der Zahlenwerte dienen die Faustwerte f r den Grubber 104 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells mi B Bm br m PF _16m br 81 Hr Bra I A EE Le F ha Diese Gleichung liefert gute und einfache Werte f r den Verbrauch zum Wenden des Schlep pers und ist auf alle Maschinen bertragbar die nicht stark von dem Leistungsgewicht von 60 kg kW abweichen und den Motor bei der Feldarbeit weitgehend auslasten wie es bei der Bodenbearbeitung blicherweise der Fall ist 4 10 5 Gesamtverbrauch auf dem Schlag Der gesamte Mehrverbrauch aus den Gleichungen 76 und 81 kann f r Bodenbearbeitung dann nach Gleichung 82 dem Hauptarbeitszeitverbrauch By aufgeschlagen werden 82 U 2m 16m b Bes Bir U4 Bo Br 8n 15 A a F F F r die in sp teren Beispielen verwendeten quadratischen Schl ge U 4 br l sst sich diese Gleichung weiter vereinfachen Gleic
87. d dabei sowohl der Einfluss von unterschiedlichen Arbeitsbreiten und Fahr geschwindigkeiten auf die Zugkraft des Ger tes als auch der Einfluss dieser Zugkraft auf den Schlupf und vor allem die Motorauslastung deutlich Somit wird das gesamte Modell f r die Berechnung dieses Zusammenhanges genutzt und die resultierenden Kennfelder k nnen anschlie end zur Interpretation und Ableitung von Grunds tzen zur richtigen Schlepper Ger te Kombination oder der optimalen Fahrgeschwindigkeit genutzt werden Bild 43 und Bild 44 zeigen die Ergebnisse der Modellrechnungen f r einen Grubber mit zwei unterschied lichen Schleppern die sich insbesondere in Motorleistung und Masse unterscheiden Ergebnisberechnungen 119 10 IH SR n Schlepper Nr 1 8 a Boden Nr 2 a N Ger t Nr 3 7 7 Fo S Fell cm 6 e G optimal stufenlos 3 N e 4 ge 1 ha h ei he A N NO R 2 ha h lt NS In 3 halh 2 en 0 0 3 6 9 12 km h 15 Fahrgeschwindigkeit v Bild 43 Kraftstoffverbrauch in Abh ngigkeit von Fahrgeschwindigkeit und Arbeitsbreite optimale idealisierte Getriebe bersetzung Parameter aus Tabellen A2 bis A4 1 ha h Mr 2 12 Check 13 _Schlepper Nr 2 o SH A4 Boden Nr 2 2 e E Ger t Nr 3 7 7 2 9 EN t 11cm K i gt Ze G optimal stufenlos 6 SS CSN Ke E Ss 2 3 rn 0 0 3 6 9 12 km h 15 Fahrgeschwindigkeit v Bild 44 Kraftstoffverbrauch in Abh ngigk
88. dell der umgekehrte Weg von Seiten der R der her gew hlt Es kann beispiels weise f r definierte Zugkr fte ein Vergleich verschiedener Fahrgeschwindigkeiten direkt berechnet werden ohne die Geschwindigkeit durch Regelsysteme einstellen zu m ssen da diese direkt als Eingangsgr e in das Modell einflie t Bei anderen Modellen muss das Mo tormoment so lange angepasst werden bis sich die gew nschte Geschwindigkeit einstellt Die Zahl der Iterationsschritte wird so minimiert und die Rechenzeit reduziert Ein Schema des Modells ist in Bild 15 dargestellt Auf der linken Seite stehen die Eingangs parameter die im Falle der Zugkraft und der Reifenkennwerte aus separaten Modellen einem Ger temodell und einem Reifen Boden Modell stammen k nnen In diesem Kapitel wird vornehmlich der rechte Teil betrachtet in dem die Module des Schleppermodells dargestellt sind Im Einzelnen sind dies die Module Radlastmodell Antriebsstrang Getriebemodell und Motorkennfeld In Kapitel 4 3 ist au erdem das integrierte Reifen Boden Modell beschrieben mit dem die Triebkraft Schlupf Kurven berechnet werden die dann wiederum als Eingangs gr en f r das Schleppermodell genutzt werden Grunds tzlich k nnen hier allerdings auch andere Modelle oder Messwerte herangezogen werden Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 59 Ger te Fahrzeuggeometrie modell Zugkraft 1 bis 6 Komponenten Steigung a y Schr glage a Masse
89. den Vorderr dern Dieser Einfluss macht sich dann als Vorteil bemerkbar wenn die Steigung der Triebkraftbeiwertkurve f r die Vorderr der bei dem entsprechenden Schlupfwert gr er ist als die der Hinterr der Da dies bei kleineren Vorderr dern in der Regel nicht der Fall ist k nnen f r den Wirkungsgrad eher negative Voreilungen als vorteilhaft eingestuft werden Diese f hren jedoch bei schiebenden Hinterr dern zum leichten Verschieben der Vorderachse in seitlicher Richtung was einen st ndigen Lenkeingriff zur Korrektur dieses Effektes bei der Geradeausfahrt erfordern w rde Daher wird in der Praxis entsprechend der bersetzung in der Vorderachse die Bereifung stets so gew hlt dass leicht positive Voreilung resultiert Der Anstieg des Leistungsbedarfs bei unterschiedlicher Voreilung wurde mit dem Modell unter sucht es zeigen sich bei Voreilungswerten zwischen 4 und 4 nur kleine Auswirkungen Bild 40 Ergebnisberechnungen 115 3 er Schlepper Nr 1 2 BodenNr 2 a 2 v 4 km h D N 2 1 D C gt D D 0 E D LL 1 4 2 0 2 4 Voreilung Bild 40 Anstieg der ben tigten Fahrleistung in Abh ngigkeit von der Voreilung Parame ter aus Tabellen A2 bis A4 Der anteilige Mehrverbrauch sinkt mit der Zugkraft was in erster Linie durch das h here Verbrauchsniveau bei diesen Arbeiten begr ndet ist Trotz des Optimums bei 0 5 Vorei lung sind m glichst kleine positive Voreilungswer
90. des Gesamtmodells unabdingbar sind werden in diesem Kapitel sowohl die wesentlichen Gesamt als auch Teil betrachtungen aufgef hrt Des Weiteren werden die verschiedenen Messeinrichtungen f r den Kraftstoffverbrauch vorgestellt 3 1 Messeinrichtungen f r den Kraftstoffverbrauch Messeinrichtungen f r den Kraftstoffverbrauch werden aus zwei Gr nden installiert Zum Einen f r Station rmessungen an einer Motorbremse zur Bestimmung eines genauen Verbrauchskennfeldes bzw des Motordurchschnittsverbrauchs zum Anderen zur Messung des Verbrauchs w hrend der Feldarbeit Im zweiten Fall wird der Verbrauch nicht nur vom Motor sondern auch vom Getriebe Antriebsstrang Laufwerk Arbeitsger t und Umgebung z B Boden sowie weiteren Parametern beeinflusst Bei der Messung des Kraftstoffverbrauchs im Station rversuch kann der Kraftstoffverbrauch gravimetrisch bestimmt werden indem er aus einem Tank von einer Waage entnommen wird und sich somit aus der Gewichtsabnahme der momentane Verbrauch ergibt Wenn kein voll st ndiges Motorkennfeld Kapitel 3 3 1 sondern lediglich ein Durchschnittswert zu bestim men ist spielt neben der Erfassung der physikalischen Gr e auch das Berechnungsverfahren f r den Wert anhand definierter Verbrauchspunkte im Motorkennfeld eine wichtige Rolle Die Verfahren nach der ISO und OECD Norm bzw von der FAT werden von Krahl und Rinaldi vorgestellt 22 34 Bild 2 12 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Li
91. des Umweltschutzes an Bedeutung und eine gesetzliche Regelung f r dieses Thema wird angestrebt 136 Grunds tz lich treten Bodenverdichtungen bei hohen Radlasten und kleinen Aufstandsfl chen auf Der Druck des Rades oder Bandlaufwerkes breitet sich in so genannten Druckzwiebeln im Boden aus 137 138 Die Form dieser Ausbreitung ist von diversen Bodenparametern wie Bodenart oder Feuchtigkeit abh ngig Aktuelle Untersuchungen zu den Auswirkungen von Bodenver dichtungen wurden unter anderem von Wei bach 139 und Isensee 140 durchgef hrt dabei wurden die bodenver ndernden Einfl sse sichtbar langfristige Auswirkungen auf den Ertrag konnten jedoch nicht festgestellt werden Ein detailliertes Modell zur Bestimmung der Kon taktfl che und des folgenden Bodendrucks stellt Diserens vor 141 Bez glich des Kraft stoffverbrauchs wirkt sich weicher verdichtbarer Boden zwar durch gr eren Rollwiderstand aus Deformationsarbeit die Auswirkungen der Bodenverdichtungen an sich spielen f r den Verbrauch jedoch eine untergeordnete Rolle und werden hier nicht n her betrachtet Es soll lediglich auf den Zielkonflikt mit der Zugkrafterh hung bez glich des Maschinengewichtes hingewiesen werden Die Aufballastierung eines Fahrzeugs zur Senkung des Schlupfes ist folglich nur in gewissem Ma e oder bei gleichzeitiger Vergr erung der Aufstandsfl che durch unterschiedliche Ma nahmen als sinnvolle L sung zur Senkung des Kraftstoff verbrauchs einzus
92. dung der Richtlinie 97 68 EG wurden im Jahr 1997 die Abgasemissionen f r Ackerschlepper und Arbeitsmaschinen festgelegt Die Anpassung mit der Richtlinie 2004 26 EG im Mai 2004 schreibt die weitergehenden Grenzwertregelungen f r die unter schiedlichen Leistungsklassen schrittweise bis 2016 vor Tabelle 2 Mit Einf hrung der Stufe IV werden die Grenzwerte dann ein mit Nutzfahrzeugen und PKW der Abgasnorm Euro 4 vergleichbares Niveau erreichen 5 6 Motoren deren Herstellungsdatum vor den genannten Terminen liegt k nnen noch zwischen 6 Monaten und einem Jahr nach in Kraft treten des jeweiligen Grenzwertes in Verkehr ge bracht werden Einen besonderen Stellenwert haben auch die CO2 Emissionen die mit 3175 g je kg Kraft stoff linear mit dem Dieselverbrauch zusammenh ngen und den Gro teil des Abgases ausma chen Auch bei modernen Motoren mit Bestverbrauchswerten von etwa 200 g kWh werden folglich Werte von 630 g CO kWh kaum unterschritten Die CO Emissionen sind nicht reglementiert da hierf r eine weitere Verbesserung der Motorenwirkungsgrade erforderlich w re die jedoch nur noch in kleinem Umfang m glich ist Des Weiteren kann die Reduzie rung von Partikeln bei gleichzeitiger Senkung der Stickoxidemissionen durch den ver nderten Verbrennungsprozess zu schlechteren Motorwirkungsgraden und damit leicht ansteigenden CO2 Emissionen f hren Bei Senkung des Kraftstoffverbrauchs durch geringeren Energiebe darf werden jedoch neben CO a
93. e Oste fu Vin Sowohl die Umfangskraft Fy als auch die Umfangsgeschwindigkeit vm bed rfen zur Bestim mung beide eines identischen Rollradius Daher ist auch die Aufteilung in Schlupfverlustleis tung Pschiupf und Rollwiderstandsverluste Pron nur nach Festlegung des Rollradius m glich der nach Persson erst nach der Definition 3 des Schlupfnullpunktes Tabelle 4 oder nach Definition 4 nach Festlegung des Rollwiderstands bestimmt werden kann Bei der Rollwider standsabsch tzung kann der gemessene Rollwiderstand f r ein gezogenes Rad auf das ange triebene und gebremste Rad bertragen werden Da dies jedoch nach Untersuchungen keine befriedigenden Ergebnisse liefert da der Rollwiderstand sich f r angetriebene und rollende R der unterschiedlich verh lt 88 92 wird nach Definition eines Schlupfnullpunktes der dynamische Rollradius rayn nach Gleichung 25 f r o 0 berechnet OR SEE EEE fm l c o 25 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 41 Dabei unterscheiden sich drei gebr uchliche Definitionen 1 2 b 2 3 ASAE Standard 296 4 Ein Rad rollt dann schlupflos ab wenn keine Kr fte in x Richtung Zug oder Schub kr fte in Fahrtrichtung parallel zum Boden zwischen Rad und Boden bertragen wer den Das Eingangsmoment dient dann zum berwinden des Rollwiderstandes die Zugkraft ist gleich null Ein Rad rollt dann schlupflos ab wenn es ohne Antriebsmoment gezogen wird Diese De
94. e Motor leistung nicht mehr ausreicht und die maximale Zugkraft bei der geforderten Geschwindigkeit von 4 km h limitiert Ergebnisberechnungen 111 150 l l 30 95 3 Kohlendioxidemissionen k k kW Kraftstoffverbrauch Gs Ka Z E ben Motorleistung E 3100 Nabenleistung 20 563 5 2 7 Zugleistung 2 2 su 250 10531 89 sf NEE X Ge f Schaltvorg nge 0 a 0 0 0 10 20 30 40 kN 50 Zugkraftbedarf Bild 37 Zug Naben und Motorleistungsbedarf sowie Kraftstoffverbrauch und CO2 Emissionen in Abhangigkeit von der Zugkraft Schlepper Nr 1 Boden Nr 5 v 4 km h Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Es wird deutlich dass der Wirkungsgrad bzw die ben tigte Nabenleistung nicht direkt als Kenngr e f r den zugeh rigen Verbrauch und Emissionswert genutzt werden kann F r spezifische Fahrzeuge mit definierten Motorkennfeldern und Getriebewirkungsgraden k nnen sich die entsprechenden Kurven unterscheiden Dennoch eignet sich die Nabenleistungskurve zur Darstellung von Teilbereichen des Fahrzeugs bzw des Antriebsstrangs und kann insbe sondere zur Prozessoptimierung als Kenngr e genutzt werden Gleiches gilt auch f r alle folgenden Abbildungen in denen aus Gr nden der Vergleichbarkeit und Anschaulichkeit nicht der Kraftstoffverbrauch sondern verschiedene Zwischengr en oder Wirkungsgrade als Ergebnis dargestellt werden 5 2 Einfluss von Differenzialsperren und Allradantrieb Der Einf
95. e Summe der Zug bzw der Seitenkr fte aller R der folgenderma en ersetzt werden Gleichungen 29 und 30 Fi Foy Fax Fy Far Fp 29 Fy Foy Fy Fay Fo Fp 30 Dann kann der Anteil der nur durch die Zugkrafte x Krafte erzeugten Momente um die y Achse durch Einsetzen von Gl 28 Ausklammern von Pr bis F4x und Ersetzen dieser durch Gl 29 unabh ngig von der Zugkraftverteilung durch bekannte Gr en ersetzt werden Gleichung 31 Fix lie Foy loz Foy a Fay las Fox Fey Anz 31 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 63 Gleiches gilt f r die durch die Seitenkraft der R der verursachten Momente um die x Achse Fiy Lh Foy 15 ly d i yy la Fo Fry L hn 32 Anschlie end k nnen die Kr fte und Momentengleichgewichte Gl 33 bis Gl 35 aufge stellt werden wobei die im einzelnen unbekannten Seiten und Zugkr fte der R der ber Gleichung 31 und Gleichung 32 ber cksichtigt werden DF Fo Fp F Fo Fy Fa 0 33 M Fo la Fox lay Fey lp Er Ip Fp Foy hy 34 Fiz hy Foz bay Faz be Faz lay 0 YM Fox lg Foz lex E lp En Ip Fe Fox Az 35 Fiz ly Boz boy Foz e Faz la 0 Die Vorderachse ist als Pendelachse ausgef hrt daher m ssen im Drehpunkt die Momente um die x Achse Null werden Die Seitenkr fte die von den Vorderr dern aufgenommen werden sind jedo
96. e Unterschiede eine relativ gro e Streuung verursachen k nnen Einschr nkungen bez glich der Genauigkeit sind bei extrem unf rmigen Schl gen sowie bei Bodenbearbeitungsger ten die den Motor nur geringf gig auslasten zu machen Eine genau ere Berechnung kann nur bei Kenntnis der Schlagform aller Schlepper und Ger teparameter und der Fahrstrategie durchgef hrt werden 4 10 6 Weitere Nebenzeiten Standzeiten durch Reparaturen oder Pausen sowie Wartezeiten werden f r den Kraftstoff verbrauch nicht ber cksichtigt da der Motor nur im Leerlauf oder gar nicht l uft und daher der Verbrauch in dieser Zeit vernachl ssigbar gering ist Zeiten zum Bef llen und entleeren m ssen in sofern ber cksichtigt werden als Anfahrten zu den entsprechenden Orten n tig sind oder der Bef ll Entleerungsvorgang Motorleistung erfordert wie bei der Feldspritze dem G llefass oder Erntemaschinen Dann wird die Wegstrecke mit dem Wegeverbrauch und die Bef llzeit mit dem Verbrauch dabei multipliziert und dieser Kraftstoff zum Bedarf f r die bearbeitete Fl che addiert Insbesondere Daten zur Bef llzeit und die dabei ben tigte Leis tung fehlen weitgehend In Tabelle A5 im Anhang sind einige Werte f r diese Bef llarbeit angegeben die zum gro en Teil gesch tzt werden mussten Dennoch ist Ihr Anteil am Ge samtverbrauch so klein dass die entstehenden Fehler minimal bleiben Der Verbrauch f r die 106 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells
97. e Wirkungsgradverhalten von Motor und Getriebe nicht ber cksichtigt wird Dennoch lassen sich f r Normalbedingungen unter Ber cksichtigung der genannten Einflussgr en realistische und nachvollziehbare Ergebnisse erzielen F r die Berechnung von Standard verbrauchswerten ist ohnehin der Leistungsbedarf der Ger te von gr erer Bedeutung als die Schleppereinstellungen wenn diese nicht extrem ung nstig sind Daher werden die Gleichun gen zur Berechnung solcher Standardwerte genutzt Kapitel 6 4 152 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 6 4 Berechnung von Verbrauchswerten f r verschiedene Arbeiten Zur schnellen und einfachen Eingabe der Basiswerte f r die Berechnung unterschiedlicher Szenarien wurde das beschriebene Verfahren in Microsoft Excel implementiert Mit dem Excel Modell ist es m glich Fahrzeug und Ger teparameter f r verschiedene Arbeiten ein zugeben und neben dem Kraftstoffverbrauch direkt weitere Ergebnisgr en Schlupf ben tig te Motorleistung etc abzulesen In einem gesonderten Tabellenblatt werden die Kennwerte f r den Leistungsbedarf der Ger te eingegeben Tabelle A3 im Anhang Insbesondere hierbei treten noch Datenl cken auf die es zu beheben gilt Die wichtigsten Werte basieren allerdings schon auf Messungen oder sind aus Verbrauchswerten vom KTBL beziehungsweise von der FAT abgeleitet So werden schon jetzt realistische Ergebnisse erzielt Eine weitere Optimie rung dieser Werte ist nach
98. e im station ren Versuch mit einer Zapfwellenbremse f r den f r die Modellvalidierung eingesetzten Schlepper gemessen indem den an der Zapfwelle gemessenen Werten von Drehzahl und Drehmoment der gravimetrisch ermittelte Diesel verbrauch gegen ber gestellt wurde Vorteil bei der Nutzung des Zapfwellenmoments f r das Kennfeld ist dass sich unter Ber cksichtigung eines Zapfwellenwirkungsgrades ein Motor kennfeld ergibt in dem die Nebenaggregate bereits ber cksichtigt sind Kapitel 3 3 2 F r die Berechnung des Verbrauchswertes k nnen dann solche Nebenverbraucher die zus tzlich Leistung ben tigen wie eine zugeschaltete Klimaanlage gesondert ber cksichtigt werden und zum Fahr und Arbeitsleistungsbedarf addiert werden Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 89 Um mit dem Modell nicht auf interpolierte Werte zwischen diesen Messpunkten im Motor kennfeld angewiesen zu sein wird es mit Gleichung 73 beschrieben welche von der Form her Gleichung 2 in Kapitel 3 3 1 entspricht Nach N herung der Parameter m bis m kann der relative Kraftstoffverbrauch bem in Abh ngigkeit von Drehzahl ny und Drehmoment Mm berechnet werden 2 2 bu m m ny m ny m My m My m ny My 73 Die Volllastkurve wird mit einem Polynom dritten Grades die Abregelkurve linear abgebil det Das so simulierte Motorkennfeld ist in Bild 27 dargestellt Es erreicht eine gute berein stimmung mit den Messwerten Der Korrelationskoeffizient r zwischen
99. e sind eine Mischform bei der physikalische Grundlagen zur Erstellung von Gleichungen genutzt werden deren Parameter dann empirisch ermittelt werden Da die drei Klassen keine scharfe Abgrenzung besitzen ist eine absolute Einteilung oft nicht m glich und von subjektiver Interpretation gepr gt Dennoch kann so der Umgang mit den zahlreichen in der Vergangenheit gew hlten Ans tzen vereinfacht werden Die ersten Grundlagen f r die Vorhersage des Triebkraftverhaltens legte Bekker 111 im Jahr 1956 mit einem Modell welches er in den folgenden Jahren weiterentwickelte 112 113 Es kann der Klasse der halbempirischen Methoden zugeordnet werden Trotz Vereinfachungen welche den Rechenaufwand berschaubar halten bilden physikalische Zusammenh nge die Grundlage Es wird die Beziehung zwischen Druck p und Einsinkung 6 analog zur Bodenver Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 35 formung unter einer eckigen Platte beliebiger L nge angenommen wobei die Breite bp dieser Platte sowie die Beiwerte k f r die Koh sion und ko f r die innere Reibung des Bodens einen Einfluss auf das Einsinkverhalten haben Gleichung 15 P dk thy 15 Bei bekanntem Bodendruck muss anschlie end das Triebkraft Schlupf Verhalten bestimmt werden Um den Zusammenhang zwischen Scherweg j und Schubspannung t zwischen Rei fen und Boden zu beschreiben wird die Annahme getroffen dass dieses Verhalten dem unter einem Torsionsmessge
100. eben mit denen Ger te aus dem Praxiseinsatz beschrieben werden Modelle f r verein fachte Werkzeugformen beschreiben grundlegendes Verhalten zwar gut die Ergebnisse sind dann aber kaum auf Praxisbedingungen bertragbar Da vordergr ndig die Art des Ger tes Arbeitstiefe und Fahrgeschwindigkeit abgebildet wer den sollen und Datengrundlagen f r eine Vielzahl von Ger ten von Vorteil sind wird f r die folgenden Berechnungen das Verfahren aus dem ASAE Standard 297 4 genutzt Die grundle genden Gleichungen sind in Kapitel 3 7 2 beschrieben die zugeh rigen Parameter f r eine Auswahl der auch in Deutschland eingesetzten Bodenbearbeitungsger te liegt im Anhang vor In diesem Modell ist der Boden in drei Klassen eingeteilt leicht mittel und schwerzigig Grunds tzlich ist diese Einteilung zur Absch tzung des Zugkraftbedarfs zwar ausreichend zur Nutzung mit dem Reifen Boden Modell ist jedoch eine Absch tzung des Bodeneinflusses anhand der in Kapitel 4 3 genutzten Bodenparameter anzustreben Eine M glichkeit zur Be r cksichtigung des Bodeneinflusses auf den Zugkraftbedarf wird im folgenden gezeigt Zun chst wird die Annahme getroffen dass der Parameter sq aus Gleichung 27 nicht nur die drei Werte aus der Tabelle A4 im Anhang f r drei Bodenzust nde annehmen kann sondern der untere Wert s3 bei 20 und der obere Wert s bei 80 zwischen Minimum und Maxi mum des m glichen Wertebereichs liegen Daher wird der Wert sa in Verbind
101. ederum aus der langen Aufstandsfl che resultiert DYNAMIC TRACTION RATIO AN RUBBER BELT TRACK Z FOUR WHEEL DRIVE Bild 11 Grunds tzliches Treibkraftverhalten von Bandlaufwerk und Rad 145 Das Triebkraftverhalten wird wie beim Reifen vornehmlich von Bodenparametern beeinflusst die Breite des Laufbandes hat einen geringeren Einfluss als beispielsweise der Verschlei des Profils 148 Die tats chliche Reduzierung von Bodenverdichtungen kann nur bei hoher Spannung des Laufbandes erfolgen da unter den Rollen Druckspitzen auftreten die teilweise h her sind als bei vergleichbaren Radlaufwerken 129 Die allgemein g ltige Aussage des vorteilhaften Traktionsverhaltens gleiche Zugkraft bei geringerem Schlupf f r Bandlauf werke gegen ber Reifen gilt folglich nicht zwingend auch bez glich des geringeren Boden drucks Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 45 3 6 Fahrstrategien Der zunehmende Einsatz von Elektronik auf Ackerschleppern f hrt zu verbesserten Steue rungs und Regelungsm glichkeiten Lastschaltbare vor allem aber stufenlose Getriebe er m glichen die Umsetzung eines Motor Getriebe Managements mit unterschiedlichen Fahr strategien Bei Nutzung der weiteren elektronisch gesteuerten und geregelten Funktionen des Schlepper kann dieses Motor Getriebe Management zu einem Schlepper Ger te Management ausgebaut werden Die M glichkeiten eines Vorgewendemanagements haben allerdings st rke
102. eee degen ENNEN ege eg 157 8S ZUSAMMENFASSUNG visccissccdccsscciscctecdessesscscccnssccssssovesccdecsees sdecsascesseseasateosasccdvaseasecs 159 9 SUMMARY EE 161 10 LITERATUR E 163 11 MN E LE 178 Formelzeichenverzeichnis IX FORMELZEICHEN Formel Einheit zeichen Ao Nm Al Nm min ai dy ay d gt Ar m ag 4G3 Nm 60 s aG2 AG4 Nm Ap Cy Ax m A berl m B I h Bo Nm B Nm min B2 Bom kg ha be g kWh bem g kWh br m be m Bees l ha Bu I ha Bn A kg ha Bo kg m Bin kg h Bn bp mm br m Bw ml Bwib ml t Bedeutung Getriebe und gangspezifischer Parameter nach Reiter Getriebe und gangspezifischer Parameter nach Reiter Empirische Parameter f r das Traktionsverhalten Empirische Parameter f r das Traktionsverhalten Fl che des Schlags Getriebespezifischer Parameter Getriebespezifischer Parameter Ger tespezifische Parameter nach ASAE Standard 497 4 Kontaktfl che zwischen Reifen und Boden berlappungsfl che bei der Feldarbeit Zeitbezogener Kraftstoffverbrauch Getriebe und gangspezifischer Parameter nach Reiter Getriebe und gangspezifischer Parameter nach Reiter Getriebe und gangspezifischer Parameter nach Reiter Kraftstoffverbrauch zum Bef llen der Maschine Spezifischer Kraftstoffverbrauch Modellierter spezifischer Kraftstoffverbrauch Maximale Schlagbreite Arbeitsbreite des Ger tes Kraftstoffverbrauch zum Bearbeiten einer Fl che Absoluter Kraftstoffverbrauch in de
103. ehzahl zur besseren Drehmomentbelastung Auslastung des Motors m g lich und aufgrund des relativ gro en Optimumsbereichs im Motorkennfeld kann ein Punkt nahe dem minimalen Verbrauch angefahren werden Lediglich bei sehr kleinen Geschwindig keiten ist eine solche Drehzahlabsenkung nicht uneingeschr nkt m glich und bei geringen Auslastungen wird trotz Drehzahlabsenkung keine ausreichende Auslastung erreicht da der Motor bei Drehzahlen unter 1000 min nicht mehr gleichm ig l uft Ergebnisberechnungen 129 Anhand des Kraftstoffverbrauchs bei der Stra enfahrt mit unterschiedlichen Steigungen kann der Einfluss der Getriebeabstufung anschaulich dargestellt werden F r eine Anh ngelast von 18 t und eine Fahrgeschwindigkeit von 15 km h ist in Bild 49 der Kraftstoffverbrauch f r unterschiedliche G nge und Lastschaltstufen aufgetragen bei denen diese Geschwindigkeit realisiert werden kann Der geringste Verbrauch wird in dem jeweils gr tm glichen Gang erzielt Diese Aussage ist zwar nicht allgemein g ltig da je nach Motorkennfeld und Getrie bewirkungsgraden leichte berlappungen entstehen k nnen allerdings sind diese f r g ngige Ackerschlepper vernachl ssigbar gering S Schlepper Nr 1 Unterschiedliche Boden Nr 2 S nn Getriebe bersetzungen v 15 Ku 3 MI G 4bis6 Anh nger 18 t LS 1bis4 ei a ie ee u S KA Einsparungspotenzial durch Drehzahlabsenkung k mit l ngeren G ngen 2 0 2 S 4 S
104. eihe 14 Nr 53 170 Literatur 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 Steinkampf H Probleme der effizienten Umwandlung der Motorleistung in Zugleistung bei leistungsstarken Schleppern Grundlagen der Landtechnik 24 1974 H 1 S 14 20 Steinkampf H Problematik der Leistungsumwandlung ber die Triebr der bei leistungsstarken Schleppern Grundlagen der Landtechnik 27 1977 H 5 S 168 172 Steinkampf H Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Kraft bertragung vom Reifen zum Boden Landbauforschung V lkenrode 1999 SH 196 S 63 86 Dwyer M J D W Evernden and M McAllister Handbook of Agricultural Tyre Performance 2nd Edition Nat Inst Agric Eng Rep 18 Silsoe Bedford England 1976 S 1 6 Upadhyaya S K D Wulfsohn and G Jubbal Traction Prediction Equations for Radial Ply Tyres Journal of Terramechanics 26 1989 H 2 S 149 175 Upadhyaya S K and D Wulfsohn Traction Prediction Equations for Radial Ply Tires Proceedings of the 10th International Conference of the ISTVS Kobe Japan 1990 S 447 451 Burt E C G E Monroe and A C Bailey Evaluating Multiple Lug Designs on a Single Pneumatic Tractor Tire Trans ASAE 33 1990 H 4 S 1116 1118 Shmulevich I D Ronai and D Wolf A new field single wheel tester Proceedings of the 12th International Congress on Agricultural Engineering AgEng 1994 Milano 29
105. einfachen und Rangieren zu vermeiden Gleichzeitig wachsen die Anforderungen an eine optimierte Fahrstrategie die entweder ma nuell oder nach definierten Berechnungsalgorithmen f r den jeweiligen Schlag erstellt werden muss Einen Ansatz zur automatisierten Leitlinienplanung stellt Stoll vor 157 bei dem zun chst die feldspezifischen Daten die maschinenspezifischen Daten und die Arbeitsstrate gie beschrieben werden m ssen und anschlie end automatisch eine Leitlinie berechnet wird Ber cksichtigt wird neben bahnparallelen Leitlinien auch die Unterteilung des Schlags in Teilbereiche mit unterschiedlichen Bearbeitungsrichtungen das Umfahren von Hindernissen und die Optimierung von Wendevorg ngen Stoll f hrte au erdem Untersuchungen zu opti mierten Wendevorg ngen und zur automatischen Anpassung der Fahrgeschwindigkeit bei einem Feldh cksler im Feldeinsatz durch 158 Auch wenn diese Arbeiten sich mit selbstfah renden Arbeitsmaschinen befassen und die Optimierung der Arbeitsleistung im Vordergrund 48 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht steht so sind die Ergebnisse grunds tzlich auch auf Ackerschlepper mit verschiedenen An bauger ten bertragbar und ein gro es Potential ist auch f r die Einsparung von Kraftstoff gegeben 3 6 4 Allradantrieb und Differenzialsperren Die Fahrstrategie umfasst ebenfalls das Zu oder Abschalten von Allradantrieb oder Differen zialsperren Bei Ackerschleppern k nnen
106. eit von Fahrgeschwindigkeit und Arbeitsbreite optimale idealisierte Getriebetibersetzung Parameter aus Tabellen A2 bis A4 In den Abbildungen sind Geschwindigkeiten von 0 bis 15 km h dargestellt wobei fiir den Grubber lediglich Geschwindigkeiten von tiber 6 km h zum Erreichen eines guten Arbeitser gebnisses sinnvoll sind optimale Bodendurchmischung wird erst bei noch gr eren Ge schwindigkeiten erreicht F r die Arbeitsbreite gilt hnliches Schmalere Ger te als der Schlepper werden bei Grubbern praktisch nicht mehr eingesetzt Zu gro e Arbeitsbreiten 120 Ergebnisberechnungen f hren bei ung nstigeren Bedingungen zu einem hohen Zugkraftbedarf beispielsweise durch tiefes Arbeiten oder Fl chen mit verdichtetem Boden Da Grubber als Universalmaschinen f r verschiedene Anwendungen zur Bodenlockerung auf dem ganzen Betrieb eingesetzt werden sind die schwerz gigsten Arbeiten limitierend f r die Breite des Ger ts Dementsprechend ist der praxisrelevante Spielraum im obigen Kennfeld stark begrenzt und es kommen f r den Schlepper Nr 1 nur 3 m bis maximal 4 m breite Ger te f r den Schlepper Nr 2 bis zu 6 m breite Ger te in Betracht Die gepunktete Linie stellt die maximale Arbeitsbreite mit entspre chender Zugkraft in Abh ngigkeit der Fahrgeschwindigkeit dar Im linken flachen Bereich ist die bertragbare Zugkraft limitierend oberhalb von etwa 4 km h ist die Motorleistung die begrenzende Gr e Der Verbrauchsanstie
107. em Drehwiderstand der R der im Gleichgewicht stehen muss Das Gleichungssystem besitzt zwar genau eine L sung diese ist allerdings nicht ohne weiteres zu berechnen Daher wird sich des oben gezeigten vereinfachten Verfahrens bedient um die L sung numerisch zu bestimmen Andere Modelle w hlen hierzu iterative Verfahren bei denen sich mit fortlaufenden Rechenschritten ein Gleichgewichtszustand einstellt Diese sind jedoch sehr rechenintensiv und eine stabile L sungsfindung kann bei schwierigen Ausgangssituationen problematisch sein Daher sind diese Verfahren f r die Simulation von unterschiedlichen Fahrzust nden weniger geeignet Bei dem vereinfachten L sungsverfahren wird immer wieder auf einzelne Gleichungen aus diesem System zur ckgegriffen Dem L sungsansatz liegt zugrunde dass die Gleichungen 86 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells maximal drei Variablen enthalten z B bei den Differenzialgetrieben f r die es keine weiter entfernten direkten Kopplungen gibt als das logische Zusammenspiel im Antriebsstrang z B beeinflusst die Getriebedrehzahl nicht direkt die Drehzahl des rechten Hinterrades Daher kann dem Antriebsstrang mit Hilfe der Drehwiderstandslinien von Seiten der R der her bis zum Getriebe gefolgt werden Es werden numerisch Umkehrfunktionen bestimmt die aller dings die Rechengeschwindigkeit weniger stark beeinflussen als Iterationsverfahren Insbe sondere bei gesperrtem und idealem Differenzial kann a
108. em sich der Kraftstoffverbrauch von 70 bis 801 pro Hektar und Jahr um gut 20 reduzieren l sst Auch in dieser Tabelle werden die Bodenunterschiede deutlich jedoch nicht so stark ausgepr gt wie bei den Einzel arbeiten Dies ist durch den Anteil an Pflege und vor allem Erntearbeiten begr ndet bei denen ein bodenunabh ngiger Verbrauch auftritt Das verh ltnism ig niedrige Niveau des Jahresverbrauchs ist in dem gezeigten Beispiel teilweise durch die Berechnung bei optimalen Schleppereinstellungen bedingt aber auch die geringe Anzahl an Arbeitsg ngen beispiels 156 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches weise ohne Strohabfuhr oder dem Ausbringen von organischem D nger halten den Verbrauch bei den dargestellten Berechnungen klein Auf die Darstellung weiterer Produktionsketten wird hier verzichtet Erst umfassende ber sichtstabellen wie sie vom KTBL 44 f r viele Arbeiten und Produktionsketten vorliegen bringen einen Nutzen beispielsweise f r betriebswirtschaftliche Modelle oder als Anhalts punkt f r den Verbrauch in der Praxis Allerdings kann selbst in dieser umfangreichen Daten sammlung nicht jeder Einflussfaktor dargestellt werden wie der Verbrauch f r unterschiedli che B den da der Umfang an Daten sonst zu gro w rde Erstrebenswert w re daher eine Verbreitung des Berechnungsverfahrens als Computermodell mit benutzerfreundlicher Ober fl che wie in Kapitel 7 vorgeschlagen 6 6 Einsparungspot
109. en die wegen des nur kleinen Triebkraftbei wertes sehr kleine Wirkungsgrade zur Folge hat Dann ergibt sich ein relativ breites Maxi mum welches den Bereich nahezu proportionalen Verhaltens von Zug und Nabenleistung widerspiegelt bei gro en Zugkraftwerten steigt der Schlupf schlie lich stark an und der Wir kungsgrad sinkt wieder ab Der Verlauf dieser Kurven ist grunds tzlich von dieser Form lediglich die Auspr gung der Maxima des Wirkungsgrades und der m glichen Zugkraft weichen schlepperabh ngig von einander ab Dementsprechend ist es sinnvoll weder zu leicht noch zu schwerz gige Ger te mit einem Schlepper zu fahren so dass im mittleren Bereich mit optimalem Wirkungsgrad gefahren werden kann Im gezeigten Beispiel liegt dieser zwischen 20 und 35 kN Die Ger tebreite sollte entsprechend an den Schlepper angepasst sein Um die Auswirkungen des Zugleistungsbedarfs auf den Kraftstoffverbrauch und die CO gt Emissionen zu veranschaulichen k nnen neben den gezeigten Kurven auch der Motorleis tungsbedarf und die zugeh rigen Verbrauchs bzw Emissionswerte dargestellt werden Bild 37 Da bei gr erem Schlupf und somit auch gr eren Nabendrehzahlen unterschiedliche Getriebe bersetzungen optimal sind treten bei den Schaltvorg ngen Unstetigkeiten in der Kurve f r den Leistungsbedarf des Motors auf Die Kurve f r den Kraftstoffverbrauch und die CO Emissionen endet bei dem ersten gro en Sprung bei 37 7 kN da die vorhanden
110. en Betriebspunkt gefahren und der Kraftstoffverbrauch bis zu 25 gesenkt werden Drei grundlegende Fahrstrategien f r stufenlose Getriebe stellen Pischetsrieder und M lle vor 152 Erstens die Fahrstrategie Zapfwelle bei der die Motordrehzahl konstant gehalten wird und die Geschwindigkeit ber das bersetzungsverh ltnis angepasst werden kann zwei tens der Feldspritzen Betrieb bei dem eine konstante bersetzung vergleichbar mit einem 46 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht herk mmlichen Getriebe eingestellt wird und drittens die Fahrstrategie Geschwindigkeit bei der lediglich die Soll Geschwindigkeit vorgegeben wird und automatisch Motor und Getriebe verbrauchsoptimal eingestellt werden Grunds tzlich ist ein Motor Getriebe Management zwar auch bei Lastschaltgetrieben an wendbar jedoch mit eingeschr nkten M glichkeiten und weniger Komfort Eine L sung f r ein vierfach lastschaltbares Getriebe liegt vor 85 Dazu sind zwei Modi w hlbar Einerseits wird bei Gangwechsel automatisch die Lastschaltstufe mit der n chst h heren bersetzung andererseits im Automatikmodus die Lastschaltstufe ber eine Grenzlastregelung gew hlt Als Regelgr en werden lediglich die Gaspedalstellung die Motor und Raddrehzahl sowie der gew hlte Gang ben tigt 3 6 2 Schleppermanagement Bereits Frerichs 153 stellt die Grundlagen eines Schleppermanagements am Beispiel von Traktor und Pflug
111. en Optimumsbereich im linken Bild sehr eng erscheinen l sst Dwyer stellte 1976 eine umfangreiche Datenbasis f r das Triebkraftverhalten von Acker schlepperreifen zur Verf gung 100 Es werden Tabellen mit den wichtigsten Kenndaten f r unterschiedliche Radlasten und B den dargestellt die f r vergleichende Betrachtungen besser geeignet sind als zur Nutzung f r weitere Berechnungen Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 33 Upadhyaya nutzt eine Einzelradmesseinrichtung um f r unterschiedliche Reifen und B den Messungen zum Triebkraftverhalten durchzuf hren Er vereinfacht die Gleichungen 9 und 10 von Steinkampf um einen Parameter indem er b a setzt und a null wird 101 102 Dies ist durch die abweichende Schlupfnullpunktdefinition in den USA Kapitel 3 5 3 m g lich Die Parameter der nach Umformung resultierenden Gleichungen 22 und 23 werden an die Kurven gen hert und von Upadhyaya zur weiteren Modellierung genutzt Kapi tel 3 5 2 Burt bestimmt die Auswirkungen des Reifenprofils mit Hilfe von Reifen die unterschiedliche Profile jeweils ber den halben Umfang haben 103 wie beispielsweise Triebradreifen und Gr nlandreifenprofil Dies reduziert den Versuchsaufwand und die ben tigte Fahrstrecke au erdem werden Unterschiede bei den Bodeneigenschaften durch den abrupten Wechsel zwischen den Profilen minimiert Allerdings m ssen die Reifen extra angefertigt werden und die Frage
112. en Schl gen unter der Annahme vernachl ssigt dass diese sich im Durchschnitt ausgleichen 4 10 3 Messungen zum Verbrauch beim Wenden Die Dauer und die ben tigte Motorleistung f r einen einzelnen Wendevorgang ist stark fah rerspezifisch Ger teunterschiede sind f r den Verbrauch eher von geringer Bedeutung da sowohl das Ausheben als auch das Drehen des Pfluges einen verglichen mit der Fahrleistung geringen Anteil am Kraftstoffverbrauch haben und lediglich die Wendezeit nennenswert beeinflussen Da die Gesamtmasse des Schleppers f r gr eren Rollwiderstand und gr ere Beschleunigungskr fte beim Rangieren verantwortlich ist beeinflusst diese Masse den Verbrauch proportional Gr ere Maschinen besitzen zwar gr ere Wendekreise k nnen allerdings aufgrund der entsprechend gr eren Arbeitsbreiten auch einfachere Wendeman ver fahren weshalb die Fahrstrecken in etwa gleich bleiben 100 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells Da f r die Wendezeiten Faustwerte vorliegen 190 jedoch nicht f r den Kraftstoffverbrauch und die Motorauslastung in dieser Zeit wurden mit dem in Kapitel 4 7 1 beschriebenen Ver suchsschlepper Messungen mit einem Grubber und einem Pflug durchgef hrt und dabei Fahr strecke Fahrzeit und Kraftstoffverbrauch zwischen Ausheben und Einsetzen des Ger tes aufgezeichnet Bild 32 Der Gesamtverbrauch ergibt sich aus dem Momentanverbrauch integriert ber die Zeit 1 1
113. en auf die Parameter der gen herten Kurven 134 Grunds tzlich k nnen unterschiedlich berechnete Ergebnisse durch Ver nderung des dynamischen Rollradius f r jede Definition umgerechnet werden Zur ver gleichenden Darstellung unterschiedlicher Messungen ist eine solche berf hrung der Ergeb nisse notwendig Wenn auch Gre enkos Definition dem tats chlichen Verhalten am ehesten entspricht so k nnen auch die anderen Definitionen nicht als richtig oder falsch bezeichnet werden Die jeweilige Anwendbarkeit muss f r den Einzelfall berpr ft werden Neuere Untersuchungen zur Bestimmung des Radius wurden von Kiss durchgef hrt 135 Er definiert den statischen Radius und den kinematischen Rollradius ohne Schlupfber cksichti gung wie Persson und einen Momentenradius als Antriebsmoment geteilt durch die Trieb kraft der den Rollwiderstand nicht ber cksichtigt Die verfahrensbedingten Unterschiede Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 43 dieser Radien werden aufgezeigt Von diesen drei Varianten lassen sich lediglich mit dem statischen Radhalbmesser sinnvolle Ergebnisse f r die Schlupf und Rollwiderstandsberech nungen erzielen Die M glichkeiten des Momentenradius nach Persson bezogen auf die Umfangskraft und der Absch tzung eines Schlupfnullpunktes zur Definition eines Radius wird von Kiss au er Acht gelassen 3 5 4 Bodenverdichtungen Das Thema Bodenverdichtung gewinnt in letzter Zeit aus Gr nden
114. enze des Motors erreicht war So wird der drehzahlgeregelte Tempomat nachgebildet mit dem auch im Versuch gefahren wurde Dieses relativ aufw ndige Verfahren zeigt dass das Modell nicht f r derartige Berechnungen son dern f r den Verfahrensvergleich und Einzelparameterbetrachtungen optimiert ist Anschlie Bend erfolgt die Berechnung mit dem Modell die Ergebnisse von zwei Fahrspuren sind neben den Messwerten in Bild 29 dargestellt Die linke H lfte des Diagramms stellt die Fahrspur bergauf dar die rechte H lfte die parallele Fahrspur bergab Entsprechend ist in der Mitte nach etwa 500 m der Unkehrpunkt Die Darstellung wurde so gew hlt um bei ann hernd gleichen Zugkraftunterschieden in den nebeneinander liegenden Fahrspuren auch den Einfluss der Steigung sichtbar zu machen Die oberste Kurve f r die Motordrehzahl zeigt die durch den Tempomat konstant gehaltene Drehzahl Lediglich in Bereichen gro er Zugkraft st t der Motor an die Leistungsgrenze und die Drehzahl bricht ein Es zeigt sich auch dass dieses Einbrechen der Drehzahl bergauf st rker auftritt als bergab obwohl der Zugkraftverlauf nahezu spiegelbildlich zur Mittelachse verl uft Dies wird durch die identischen Zonen A und B eines tonreichen Bodens mit ho hem Zugkraftbedarf deutlich die jeweils bei Hin und R ckfahrt berfahren werden Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 93 IDK ITpunK Wach 1000 m H henprofil A 2200 min Fk O3
115. enzial Neben dem in Kapitel 5 11 gezeigten Einsparungspotenzial durch die Optimierung von Schlepper und Ger teeinstellungen k nnen durch die Berechnungen mit dem vereinfachten Verfahren auch die Einsparungspotenziale durch Ver nderung der Produktionsketten unter sucht werden Die ebenfalls dargestellten Verbrauchsunterschiede f r verschiedene B den k nnen vom Landwirt nicht beeinflusst werden und sind daher nicht dem Einsparungspoten zial zuzurechnen Gleiches gilt f r die Schlaggr en bei denen die einzige M glichkeit zur Optimierung die Zusammenlegung von Schl gen verschiedener Landwirte w re die Umset zung solcher Ma nahmen ist in der Praxis jedoch schwierig Durch die Ver nderung der Produktionskette k nnen Verbrauchssenkungen von bis zu 30 realisiert werden Wegen der Ernte und Aussaatarbeiten die in jedem Fall durchgef hrt werden m ssen sind gr ere Einsparungen eher unrealistisch und selbst bei den genannten Ver nderungen insbesondere bei der Bodenbearbeitung sind die externen Effekte sehr gro Einerseits werden meist gleichzeitig mit dem Verbrauch die Maschinen und Lohnkosten gesenkt andererseits sind auch die pflanzenbaulichen Auswirkungen erheblich und standort spezifisch stark unterschiedlich Eine Ver nderung der Produktionskette muss deswegen f r den Einzelfall berpr ft werden Fazit und Ausblick 157 7 FAZIT UND AUSBLICK Der Kraftstoffverbrauch von Landmaschinen gewinnt durch ansteigende
116. er zum Fahren und Ziehen ben tigten dar So wird beispielsweise das Dreschwerk ertragsspezi fisch ber cksichtigt Da auch die Arbeit zum Abbunkern direkt vom Ertrag abh ngt kann sie ertragsbezogen mitgerechnet werden Ob im Stand oder w hrend der Fahrt abgebunkert wird beeinflusst den Kraftstoffverbrauch nur geringf gig da die Summe der Arbeit zum Dreschen und Abbunkern gleich bleibt lediglich der spezifische Verbrauch durch unterschiedliche Motorauslastungen variiert leicht Die ben tigte Motorleistung Pmotor berechnet sich nach Gleichung 90 CR A 90 Pylotor e W Neben m i Ger t v Pyeben_bt tg bg Pyeben_b bg 6 2 6 Ermittlung des spezifischen Kraftstoffverbrauches Bei Arbeiten die unabh ngig von der Motordrehzahl sind wird der jeweilige spezifische Verbrauch bem f r die Leistung durch die optimale Arbeitskurve im Kennfeld bestimmt Der Verbrauch auf dieser Kurve kann gut durch ein Polynom 3 Grades in Abh ngigkeit von der Motorauslastung dargestellt werden dabei gilt stets die Annahme einer optimalen Getriebe bersetzung und folglich dem Motorbetriebspunkt auf der optimalen Arbeitskurve siehe Kapitel 3 3 1 Zur Ermittlung der Parameter wurde die genaue Kurve f r das von Brunnhuber gemessene Motorkennfeld bestimmt 73 und dann durch Gleichung 91 gen hert 2 3 P P bom 457 980 Motor 11260 Motor 523 Aue 91 Nenn Nenn Nenn Bei Arbeiten die die volle Motordrehzahl ben tigen kann ei
117. er Zugarbeit Landtechnik 56 2001 H 3 S 130 133 Brenninger M Verluste an Traktorfrontachsen Landtechnik 53 1998 SH S 193 194 Steinkampf H und G Jahns Betriebseigenschaften von Ackerschlepperreifen bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen Landbauforschung V lkenrode 1986 SH 80 S 1 427 Meyer H und J Lengsfeld Untersuchungen der Fahrwiderst nde von neuen Laufwerken fiir Ackerwagen Die Technik in der Landwirtschaft 14 1933 H 10 S 230 231 Meyer H und J Lengsfeld Untersuchungen der Fahrwiderst nde von neuen Laufwerken fiir Ackerwagen Die Technik in der Landwirtschaft 14 1933 H 9 S 203 207 e Bernacki H und J Haman Grundlagen der Bodenbearbeitung und Pflugbau VEB Verlag Technik Berlin 1972 Barrelmeyer Th Untersuchung der Krafte an gelenkten und angetriebenen Ackerschlepperr dern bei Gel nde und Stra enfahrt Dissertation Universit t Stuttgart 1996 VDI Reihe 14 Nr 79 S hne W Wechselbeziehungen zwischen Schlepperleistung Reifenabmessungen und Ackerboden Landtechnik 25 1970 H 10 S 306 312 Grecenko A Einfl sse auf die Kraft bertragung von Ackerschlepperreifen Agrartechnisches Kolloquium 1989 Steinkampf H Zur Methodik der Rollradien und Radschlupfmessung Grundlagen der Landtechnik 21 1971 H 2 S 40 44 Armbruster K Untersuchung der Kr fte an schr glaufenden angetriebenen Ackerschlepperr dern Dissertation Universit t Stuttgart 1991 VDI R
118. erden 26 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht F r das in Kapitel 4 vorgestellte Schleppermodell wird das Getriebeverhalten entsprechend den Gleichungen von Reiter ber cksichtigt wobei noch Erweiterungen und Umformungen durchgef hrt werden m ssen um die Gleichungen optimal mit dem Modell nutzen zu k nnen 3 4 2 Stufenlose Getriebe Mit der Einf hrung stufenloser Getriebe gewann besonders die Frage nach dem Wirkungs grad im Vergleich zu Schalt und Lastschaltgetrieben an Bedeutung da ein schlechterer Wir kungsgrad den Vorteil bei Komfort und Regelungsm glichkeiten stark reduzieren w rde Durch den hydrostatischen Anteil bei der Leistungsverzweigung war die Vermutung gr erer Verluste bei diesen Getrieben nahe liegend Messungen von Lober bei denen das stufenlose Getriebe eines Fendt Vario 926 mit einem lastschaltbaren Getriebe im gleichen Leistungsbe reich verglichen wurde konnten lediglich einen minimal schlechteren Wirkungsgrad f r das stufenlose Getriebe best tigen 83 Die Feldleistung des stufenlosen Getriebes hingegen zeigt die m gliche Realisierung von bis zu 25 h heren Durchschnittsgeschwindigkeiten 84 Ursache hierf r sind bei sehr heterogenen Verh ltnissen die bessere Anpassungsm glichkeit der Getriebe bersetzung unter Last die auch mit Lastschaltungen nicht so optimal genutzt werden kann Ein Vergleich des Kraftstoffverbrauchs wurde bei dieser Untersuchung nicht durchgef hrt Durc
119. ere Fahr Flachenleistung sinkt o O geschwindigkeit Ver nderte Arbeitsqualit t o o o Anschaffungspreis o o Breitere Ger te Gr ere Masse o o Anschaffungspreis o o Gr ere Bereifung Bodenverdichtungen o o o 7 Anschaffungspreis o o o Anderes Ger t Arbeitsergebnis o o o Getriebe bersetzung Gang Kein Einfluss o o o Auswirkungen positiv keine o negativ Es zeigt sich dass mit Ausnahme der Getriebe bersetzung f r die verschiedenen Ma nahmen externe Effekte auftreten die besonders im Bezug auf Ertrags nderungen und Umwelteinfl s se kaum absch tzbar sind Dennoch sollen diese hier nur am Rande betrachtet werden und allein die Auswirkungen auf den Verbrauch durch unterschiedliche Ma nahmen im Vorder grund stehen In weiteren Arbeiten k nnen die externen Effekte genauer untersucht und dem Einsparungspotenzial gegen bergestellt werden wie f r die Wirtschaftlichkeit unterschiedli cher Kombinationen von Schlepper und Ger t von Uhlmann durchgef hrt 2 Ein komplexes und genaues Modell welches f r die Untersuchung von Schleppereinstellun gen geeignet ist bringt Nachteile bei der Berechnung von Verbrauchswerten f r eine Vielzahl von verschiedenen Arbeiten sowie ganzer Produktionsketten mit sich Erstens m ssen sehr viele Parameter f r das Zugfahrzeug und das Arbeitsger t bekannt sein wobei entsprechende Datengrundlagen nicht in ausreichender Genauigkeit vor
120. ere dieser Vorteil pr destiniert dieses Modell f r die Simulati on des Kraftstoffverbrauchs gegen ber Modellen f r die Scherkraft oder Penetrometermes sungen als Eingangsgr en ben tigt werden und die die Oberbodenbeschaffenheit und den Bewuchs nicht ber cksichtigen 4 3 2 Multi Pass Effekt Der Multi Pass Effekt beschreibt die Tatsache dass der Boden bei mehrfachem berrollen sowohl die Rollwiderstandseigenschaften als auch die Traktionseigenschaften ver ndert Die Vorverdichtung kann mit diesem Modell vereinfacht dargestellt werden da durch das ber rollen eines Rades f r das n chste Rad sowohl die Oberbodenfestigkeit als auch die Unterbo denfestigkeit erh ht werden Dies geschieht indem die Festigkeitswerte kresto und kresu nach dem ersten berrollen abh ngig von der Radlast F erh ht werden den Wert 1 0 vollst ndig verdichtet jedoch nie erreichen Die empirische Gleichung 61 wurde so parametrisiert dass bei einer Radlast von 2t die neuen Bodenfestigkeitswerte k rest o und Krea Zwischen den Ausgangswerten und 1 0 liegen Diese Festigkeitsver nderung Verdichtung wird sowohl f r den Ober als auch f r den Unterboden gleicherma en angenommen In der Modell bersicht Bild 15 ist die Nutzung der Vorderachslasten im Reifenmodell zur Berechnung des Trakti onsverhaltens der Hinterr der dargestellt k rest 0 Se 1 a KFest o g n bzw k Fest U 1 1 K Fest U Bee 61 M glich ist bei diesem Modell auch
121. erlag Technik Berlin 1990 e Gansuch U Untersuchungen des Zusammenhanges zwischen Schubfestigkeit des Bodens und spezifischem Zugwiderstand unterschiedlicher Pflugk rper unter Beachtung der Einsatzbedingungen in der mongolischen Volksrepublik Dissertation Technische Universit t Dresden 1978 Vilde A A Rucins and S Cesnieks Impact of Soil Moisture and its Composition on the Energy Consumption and Quality of Tillage Proceedings of the AgEng Budapest 2002 Reich R Bodenwiderstand und Arbeitseffekt eines Grubberwerkzeugs Grundlagen der Landtechnik 27 1977 H 4 S 128 132 e Reich R Einfluss verschiedener Betriebs und Konstruktionsparameter auf die Kr fte am Tiefgrubber Dissertation Universit t Hohenheim 1980 Forschungsbericht Agrartechnik der MEG Nr 54 e Fr ba N Belastungskollektive bei Pflugwerkzeugen und deren Anwendung Dissertation Technische Universit t M nchen 1991 VDI Reihe 14 Nr 52 Gro e K Zugwiderst nde von Schwenkpfl gen Landtechnik 50 1995 H 4 S 237 238 Stroppel A und R Reich Vergleichende Untersuchungen an Rauten und Normalpflugk rpern Grundlagen der Landtechnik 29 1979 H 3 S 73 78 Gorjatschkin W Das Streichblech des Pfluges Mitteilungen des Verbandes Landwirtschaftlicher Maschinenpriifungsanstalten 3 1909 S 90 109 176 Literatur 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192
122. espart wer den Pflanzenbauliche betriebswirtschaftliche und kologische externe Effekte lassen sich dabei nicht vermeiden und sind daher zu pr fen Mit der Ausnutzung dieses Einsparungspo tenzials von Kraftstoff k nnen auch die CO2 Emissionen beim Einsatz von Ackerschleppern gesenkt und so die Minimierung der Kraftstoffkosten mit umweltschonenden Effekten ver bunden werden Zusammenfassung 159 8 ZUSAMMENFASSUNG Zum Antrieb von Ackerschleppern werden heute fast ausschlie lich Dieselmotoren einge setzt Durch die gestiegenen Kraftstoffpreise und das wachsende Umweltbewusstsein bez g lich CO gt Emissionen und Ressourcenschonung gewinnt der Kraftstoffverbrauch zunehmend an Bedeutung Die Substitution von Diesel durch alternative Kraftstoffe auf Pflanzen lbasis ist grunds tzlich m glich dennoch wird das Substitutionspotenzial aufgrund von Anbaufl chenknappheit als gering eingestuft und die Kosteneinsparung ist durch h heren Kraftstoff verbrauch bei der heutigen Preissituation trotz der Mineral lsteuerbefreiung gering Folglich k nnen nur die Einsparung von Kraftstoff bei den verschiedenen Arbeitsg ngen und gegebe nenfalls eine Umstellung der Produktionsverfahren nachhaltig zur Verbrauchs und Kosten senkung beitragen In der vorliegenden Arbeit werden die wesentlichen Einflussfaktoren auf den Kraftstoff verbrauch aufgezeigt Da Feldversuche sich nur begrenzt zur Untersuchung von Einzelpara metern eignen wurde ein Mode
123. estigkeit nach dem berrollen ko N cm Spezifischer Widerstand des Bodens gegen Verformung Ky Ko Beiwerte zum Bodenverhalten nach Bekker kBewuchs Empirischer Bewuchsparameter kpreite Empirischer Reifenbreiteparameter Formelzeichenverzeichnis XI Formel zeichen ke KDruck KFest o Krest U Kreuchte Kradius Kreifen Kron ko l lk LS m M7 MaAusbring MGes Mi Mm Mnabe Mopt Mplansch My1 Mv4 Ma1 Ma2 Mvo Mut Einheit N mm kg ha l min N mm kW kW kW m kW m cm kW Bedeutung Beiwert f r die Druck Einsinkungs Beziehung Empirischer Reifenluftdruckparameter Empirischer Parameter f r die Oberbodenfestigkeit Empirischer Parameter f r die Unterbodenfestigkeit Empirischer Bodenfeuchteparameter Empirischer Rollradiusparameter Empirischer Reifenparameter Empirischer Tongehaltsparameter Beiwert f r die Druck Einsinkungs Beziehung L ngenkoordinate f r die Schleppergeometrie L nge der Kontaktfl che zwischen Reifen und Boden Abk f r Lastschaltstufe in Abb und Bildunterschriften Motorspezifische Parameter Ausbringmenge Masse des Gesamtfahrzeugs Drehmoment an der Stelle i siehe Bild 25 Motordrehmoment Nabenmoment Motormoment mit minimalem Kraftstoffverbrauch Planschmoment des Getriebes Kennwerte f r das Polynom der Motorvolllastkurve Kennwerte f r die Geradengleichung der Motorabregellinie Leerlaufmoment des Getriebes Lastabh ngiges Verlustmoment des Getrie
124. et so dass der Voreilung hier keine Bedeutung zukommt 50 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 3 7 Leistungsbedarf der Anbauger te Um die jeweilige Arbeit mit einem Anbauger t durchf hren zu k nnen wird eine ger tespezi fische Leistung ben tigt Diese kann als Zugleistung in Form von Zugkraft bei einer bestimm ten Fahrgeschwindigkeit als Zapfwellenleistung oder in begrenztem Umfang auch als hyd raulische Leistung vom Schlepper bereitgestellt werden In den folgenden Kapiteln soll dieser Leistungsbedarf beschrieben werden insbesondere bez glich der Zugleistung der die gr te Bedeutung zukommt 3 7 1 Zugleistungsbedarf der Anbauger te Neben den beschriebenen schlepperseitigen Einflussgr en auf den Kraftstoffverbrauch hat auch der Zugkraft bzw Zugleistungsbedarf der Anbauger te eine gro e Bedeutung Der Kraftstoffverbrauch ist in etwa proportional zum Zugleistungsbedarf Ausnahmen bilden extrem leichte und schwere Zugarbeiten Trotz des wesentlichen Einflusses der Zugkraft auf den Kraftstoffverbrauch wird dieser Zusammenhang nur selten direkt untersucht In dieser Arbeit sollen vornehmlich die Auswirkungen unterschiedlicher Zugkr fte auf den Verbrauch und die optimalen Schleppereinstellungen bei unterschiedlicher Zugkraft genauer untersucht werden Kapitel 5 1 Die Verbesserung der Ger te bez glich Zugkraftbedarf bietet ein erhebliches Potenzial zur Kraftstoffersparnis In Zukunft wird d
125. evorg nge Eine andere M glichkeit ist die Berechnung der optimalen Fahrstrategie f r bekannte Schlagformen nach Stoll 157 allerdings ist f r allgemeine Aus sagen eine vereinfachte Darstellung vorteilhaft Um unterschiedliche Feldgr en und formen nicht v llig zu vernachl ssigen werden die Fl che Ar und die maximale Feldbreite br als Eingangsparameter f r die folgende Berechnung gew hlt Diese Breite ist immer rechtwinklig zur Hauptarbeitsrichtung zu ermitteln die in der Regel parallel zur l ngsten Kante liegt ver fahrensbedingt aber auch davon abweichen kann Als weiterer Eingangsparameter wird der Feldumfang U bestimmt Bild 31 zeigt diese Gr en sowie die Standardwendeman ver f r Bodenbearbeitung und Pflegearbeiten 98 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells Bodenbearbeitung Pflegearbeiten seg Fl che A S bg gt bg Bunyyous equeydney max Breite bp Bild 31 Stilisierter Ackerschlag mit den Gr en br bc Ar und U 4 10 1 Fahrstrecke mit arbeitendem Ger t Die theoretische Fahrstrecke sr in der Hauptzeit zum Bearbeiten berechnet sich stets aus der Fl che und der tats chlichen Arbeitsbreite des Ger tes bg siehe Bild 31 da unabh ngig von der Breite des Vorgewendes das ganze Feld einmal vollst ndig bearbeitet werden muss A SER 75 Um bei Bodenbearbeitungsger ten und Erntemaschinen auch das berlappen beim Ein und Aussetzen des Ger tes und beim Fahren der letzten Spur zu be
126. f oder abzuballastieren Die zugeh rige optimale Motorleistung wird dann ben tigt um bei entspre chender Fahrgeschwindigkeit dieses Optimum zu erreichen und dabei den Motor m glichst gut auszulasten so dass auch der spezifische Verbrauch im Minimum liegt Wenn die Motor auslastung ber die Fahrgeschwindigkeit maximiert wird ist zu beachten dass sich mit der 122 Ergebnisberechnungen Fahrgeschwindigkeit in der Regel auch die Zugkraft der Ger te und somit wiederum die optimale Gesamtmasse ver ndert Auff llig ist auch dass der Anstieg der ben tigten Leistung bei zu kleinen Massen deutlich steiler verl uft als bei zu gro en Massen die einen langen flachen Anstieg verursachen Bei zu geringer Masse steigt der Schlupf pl tzlich steil an und schlie lich bleibt die Maschine stehen Daher ist eine Ballastierung geringf gig ber dem Verbrauchsoptimum zu empfehlen um auch Bodenstellen mit h herer Zugkraft sicher berwinden zu k nnen Dabei darf aller dings der Aspekt der Bodenschonung insbesondere bei feuchten Bedingungen nicht vernach l ssigt werden 5 4 2 Einfluss der Massenverteilung Eine wichtige Frage bei der optimalen Ballastierung des Schleppers ist neben der Gesamtlast auch die Verteilung der Achslasten Bei Hinterradantrieb ergibt sich ein grunds tzlicher Vor teil minimierter Vorderachslasten die zu kleinerem Schlupf an den Hinterr dern f hrt Dieser ist vornehmlich durch die h here Hinterachslast bedingt
127. f r den Wirkungsgrad da dieser erst durch stark unterschiedliche Raddrehzahlen entsprechend absinkt Das Zuschalten von Allradantrieb und Differenzialsperre ist bez glich des Wirkungsgrades unter normalen Feldbedingungen niemals von Nachteil daher sind lenk winkel oder raddrehzahlabh ngige Automatikschaltungen sinnvoll So bleibt die gute Lenk barkeit des Fahrzeugs erhalten und beim geradeaus fahren wird der optimale Wirkungsgrad erreicht Im Folgenden werden Allradantrieb und Sperren genauer untersucht 5 2 1 Allradantrieb Eine gesonderte Untersuchung des Nutzens des Allradantriebs kann nur bei bekannter Schleppergeometrie durchgef hrt werden weil diese in Abh ngigkeit von der Zugkraft und der H he des Zugangriffspunktes die Radlastverteilung bestimmt Ebenso muss die Bereifung bekannt sein um Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch korrekt zu berechnen Bei hin Ergebnisberechnungen 113 terradgetriebenen Schleppern die f r Zugarbeit optimiert sind ist die Geometrie so gew hlt dass bei schwerer Zugarbeit die Vorderachslast minimal wird So kann sowohl der Rollwider stand als auch der Schlupf minimiert werden und bei ausreichend gro er Bereifung auf der Hinterachse und entsprechender Tragf higkeit des Bodens tritt praktisch kein Nachteil gegen ber allradgetriebenen Schleppern auf Bei solchen Arbeiten muss die Lenkung jedoch zu mindest teilweise ber einen einseitigen Bremseingriff erfolgen Die in Europa g ngige
128. ffe soll von 2 im Jahr 2005 auf 5 75 im Jahr 2010 gestei gert werden 7 In Deutschland wird fast ausschlie lich Raps l als Ausgangsprodukt f r diese Kraftstoffe verwendet w hrend sich grunds tzlich alle Pflanzen le wie Sonnenblumen l oder Soja l direkt verbrennen oder zu hochwertigeren Kraftstoffen weiterverarbeiten lassen 8 12 Bei den in Deutschland g ngigen Pflanzen lkraftstoffen muss zwischen dem auch als Biodiesel bezeichneten Raps Methyl Esther RME aus zentraler oder dezentraler Verarbei tung 13 14 und weitgehend unbehandeltem Pflanzen l unterschieden werden das h ufig auch als Beimischung zu Diesel Verwendung findet Insbesondere f r landwirtschaftliche Arbeiten wurden die Emissionen dieser Kraftstoffe gemessen dabei zeigten sich leichte Vorteile f r RME 15 Auch liegen Untersuchungen des Einflusses von Gemischen aus Diesel und Raps l sowie Diesel und RME 16 auf das Emis sionsverhalten vor Die Einhaltung von Abgasnormen ist bei der Verbrennung von unbehan deltem Pflanzen l problematisch 17 allerdings schreibt der Gesetzgeber lediglich eine Einhaltung der Norm mit mineralischem Diesel vor Die Einhaltung dieser Norm muss aber auch nach Umbau und Optimierungsma nahmen f r biogene Kraftstoffe gew hrleistet sein 18 Eine umfassende Untersuchung ber die verbrennungstechnischen Eigenschaften der unterschiedlichen aufbereiteten Raps le wurde von Reiser durchgef hrt 19 Batel stellt 8 Emissionen
129. finition wird selten genutzt und wird von Sch ring 132 auch theoretisch wider legt Sch ring und Steinkampf 88 114 Ein frei rollendes gezogenes und ein angetriebenes zugkraftfreies Rad haben den gleichen Schlupf jedoch in gegens tzlicher Richtung Daher liegt der Schlupfnull punkt genau zwischen diesen beiden Fahrzust nden Gre enko 94 133 Ein Rad rollt dann schlupflos ab wenn es mit dem inneren Rollwiderstand angetrieben und mit dem u eren Rollwiderstand gezogen wird Der innere Rollwiderstand Fr dient zur berwindung der Reifendeformationsarbeit der u ere Rollwiderstand Fre zur Bodenverformungsarbeit Daher kann der innere Rollwiderstand unter der Annah me keiner Ver nderung zwischen fester und nachgiebiger Fahrbahn durch Abrollen auf festem Untergrund bestimmt werden Die unterschiedlichen Fahrzust nde f r angetriebene gebremste und rollende sowie ziehende und gezogene R der sind neben den Triebkraft Schlupf Kurven mit den unterschiedlichen Schlupfnullpunkten in Bild 10 dargestellt 42 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht M gt 0 M 0 M lt O Angetriebenes Rad Rollendes Rad Gebremstes Rad CH D D v2 wg O N Oo O Fy Rollendes Rad O D X O o NS wee oO x 2 N Bild 10 Fahrzust nde am gezogenen und ziehenden sowie am gebremsten und angetriebe nen Rad Unterschiedliche Schlupfnullpunktdefinitionen haben Auswirkung
130. fortgeschrie ben 44 14 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht Bereits in diesem KTBL Modell wird f r das Bearbeiten einer Fl che ein Arbeits bzw Ener giebedarf angegeben aus dem sich abh ngig von Getriebe und Motorwirkungsgrad der Kraftstoffverbrauch berechnen l sst Heute wird dabei auch der Teillastbetrieb von Motoren ber cksichtigt bei dem der Motorwirkungsgrad in Abh ngigkeit von der Auslastung variiert 4 Die Ergebnisse dieses Modells stellen praxisnahe Verbrauchswerte dar allerdings treten bei dem Berechnungsverfahren einige Ungenauigkeiten bei speziellen Untersuchungen auf die in Kapitel 6 1 n her untersucht werden In etwa vergleichbar mit dem Verfahren des KTBL ist das Vorgehen der ASAE American Society of Agricultural Engineering zur Ermittlung von Faustwerten 45 46 Der Teillastbe reich der Motoren wird anhand einfacher Gleichungen relativ genau betrachtet allerdings ohne das Motorkennfeld als solches abzubilden Lediglich Fahrzust nde wie Halblast und Volllast k nnen untersucht werden Auch dieses Modell liefert praxisnahe Ergebnisse einzel ne Einflussfaktoren lassen sich jedoch nur eingeschr nkt untersuchen Das von Schulz im Jahr 1983 vorgestellte Modell 47 ber cksichtigt bereits die Fahrzeugge ometrie und den Hebelarm der Radlast 48 bei der Achslastberechnung ein Motorkennfeld und den Getriebewirkungsgrad sowie den geschwindigkeitsabh ngigen Zugwiderstand der Ger
131. fstandsfl che und berechnen anhand des Scherweg Schubspannungs Verhaltens die resul tierenden Kr fte ber Integration Trotz des eleganten Ansatzes sind diese Modelle mit gro Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 39 en Problemen behaftet da der Boden sich nicht als ideal homogene Masse verh lt und die FEM und DEM Modellierungen extrem rechenzeitintensiv sind Die Ergebnisse sind kaum f r praxisnahe Fahrzeugsimulationsberechnungen zu verwenden da die Modelle bisher nur Laborversuche nachbilden Auch vereinfachte und zweidimensionale Ans tze 129 zeigen Probleme bez glich der Anwendbarkeit der Ergebnisse wenn auch grunds tzliches Verhalten von Reifen und Boden dargestellt werden kann Eine Zusammenstellung der wesentlichen FEM und DEM Modelle f r das Verhalten zwischen Reifen und Boden stellt Harnisch vor 126 aufgrund des geringen Anwendungsbezugs aktueller Modelle kommen sie zur Wir kungsgradmodellierung der Reifen beim Feldeinsatz jedoch nicht in Frage 3 5 3 Rollradius und Schlupfnullpunktdefinitionen Hebelarm der Radlast Die Schlupfnullpunktdefinition h ngt eng mit dem Radius des Rades zusammen Persson definiert 5 verschieden definierte Radien die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen 130 131 Diese sind im Einzelnen in Tabelle 4 mit ihren Besonderheiten dargestellt Tabelle 4 Unterschiedlich definierte Reifenradien nach Persson 130 131 Konstruktions Der
132. g und ger tespezifischen Parametern soll nun der Ein fluss der Umgebung auf den Kraftstoffverbrauch n her beleuchtet werden Bei der Betrach tung der Steigungen kann einerseits zwischen seitlicher Neigung und Steigung bzw Gef lle in Fahrtrichtung unterschieden werden zum anderen zwischen Stra enfahrt und Bodenbear beitung Die Bodenbearbeitung zeichnet sich prim r durch einen gr eren steigungsunabh n gigen Zugkraftanteil aus der bei Stra enfahrt lediglich dem Rollwiderstand entspricht Dort berwiegt der steigungsabh ngige Anteil der Zugkraft um die Masse bergauf zu ziehen Au erdem kann bei Stra enfahrt die Energie beim Bremsen bergab nicht zur ck gewonnen werden w hrend bei der Bodenbearbeitung die potentielle Energie beim Fahren bergab die Zugkraft reduziert Auf die Untersuchung seitlicher Neigung auf der Stra e wurde verzichtet da relevante Neigungswinkel hier nicht vorkommen 5 81 Einfluss des Hanges auf dem Feld Die Hangneigung beeinflusst den Kraftstoffverbrauch auf dem Feld einerseits durch unter schiedlichen Schlupf der linken und der rechten R der andererseits durch gr eren Schlupf Ergebnisberechnungen 133 bergauf der den Vorteil des geringeren Schlupfes bergab berwiegt Da im Praxisfall in aller Regel gleichviel bergauf wie bergab gefahren wird werden jeweils die Verbrauchswerte von gleicher Steigung und Gef lle gemittelt Die Ergebnisse sind in Bild 52 dargestellt x N 10
133. g bei Null schlupf x 0 und der y Achsenabschnitt der Kurve der dem u eren Rollwiderstand pe entspricht 94 133 Kapitel 3 5 3 Der rechnerische Weg zur Transformation dieser charak teristischen Werte in die Werte a bis d ist unten in diesem Kapitel beschrieben 134 Diese neuen Kennwerte Oxmax Kmax K 0 and p 0 geben direkt Informationen ber das Trieb kraftverhalten wie beispielsweise die maximal bertragbare Kraft oder der Anstieg des Schlupfes mit zunehmender Triebkraft Um Vorhersagen f r diese Kennwerte treffen zu k nnen wurde als Datengrundlage auf 850 von Steinkampf gemessene Kurven zur ckgegrif fen 88 Aufgezeichnet wurden dabei die Reifenparameter Reifenmarke und gr e Reifen luftdruck Stollenh he Laufrichtung Fahrgeschwindigkeit und dynamischer Rollradius Auch die Bodenparameter Bodenart Bearbeitungszustand Oberfl chenbeschaffenheit Bewuchs Vorfrucht Bodenfeuchte und Porenvolumen liegen f r die Versuche vor Dies stellt eine ausreichend gro e Datenbasis zur Anpassung der Parameter durch empirische Gleichungen dar Um die Praxistauglichkeit der Gleichungen zu verbessern wurden die Eingangsparameter 68 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells f r die Modellgleichungen abweichend von Steinkampfs Parametern gew hlt Alle Eingangs parameter in Tabelle 5 k nnen relative Werte zwischen 0 und 1 annehmen Tabelle 5 Einflussparameter f r das Zugkraftmodell mit den entsprechenden
134. g bei kleinen Arbeitsbreiten ist durch den Laufwerkwirkungsgrad be dingt der durch den konstanten Rollwiderstandsanteil bei geringen Zugkr ften abnimmt Der Anstieg bei geringen Fahrgeschwindigkeiten begr ndet sich durch die geringe Motorauslas tung und den folglich hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch b Das Verbrauchsoptimum f llt hier nicht mit dem maximalen Laufwerkwirkungsgrad zusammen sondern liegt verscho ben zu gr eren Zugkr ften durch entsprechend breitere Ger te Dies begr ndet sich durch den mit der Fahrgeschwindigkeit ansteigenden Zugkraftbedarf der Ger te Bei langsamerer Fahrt mit breiteren Ger ten sinkt folglich der Zugleistungsbedarf was den Effekt des etwas schlechteren Laufwerkwirkungsgrads bei der verh ltnism ig hohen Zugkraft kompensiert Somit ergibt sich das Verbrauchsoptimum bei fast voll ausgelastetem Motor und m glichst breiten Ger ten Es sollten folglich bei der Ger teauswahl Entscheidungen zu m glichst breiten Ger ten getroffen werden die der zugeh rige Schlepper jedoch noch bei allen Bedin gungen ziehen kann Mit dem untersuchten Grubber sind etwa 80 der maximal erreichbaren Fahrgeschwindigkeit optimal der Mehrverbrauch bei schnellerem Arbeiten zum Maximieren der Fl chenleistung ist nicht sehr gro und wird daher aus betriebswirtschaftlichen Gr nden meist in Kauf genommen 5 4 Einfluss der Masse Wie die Berechnungen mit dem Modell zeigen haben sowohl die Gesamtmasse eines Fahr zeugs
135. g mit der entsprechenden Fahrgeschwindigkeit In Bild 50 ist der Verbrauch in Abh ngigkeit von der Fahrgeschwindigkeit f r verschiedene Lastschaltstufen LS 1 bis 4 in den ersten drei G n gen G 1 bis 3 dargestellt 18 lt kg SS ha 12 gt D S Z 6 Schlepper Nr 1 x Boden Nr 2 Ger t Nr 3 7 7 t511 cm 0 2 5 5 7 5 km h 10 Fahrgeschwindigkeit v Bild 50 Kraftstoffverbrauch in Abh ngigkeit von der Fahrgeschwindigkeit f r verschiede ne G nge Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Es zeigt sich die berschneidung der bersetzung von der 4 Lastschaltstufe im zweiten und der 1 Lastschaltstufe im dritten Gang Des Weiteren wird deutlich dass stets der gr tm gli che Gang den geringsten Verbrauch liefert Dies ist durch die Form des Muscheldiagramms bedingt In Ausnahmef llen kann es vorkommen dass der gr tm gliche Gang nicht verbrauchsoptimal ist selbst dann wird dieser jedoch nur geringf gig schlechter sein als der n chst kleinere Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 5 km h die im 3 anstatt im 2 Gang gefahren wird ergibt sich schon ein Mehrverbrauch von ber 20 und selbst eine Last schaltstufe gr er oder kleiner bedingt bei konstanter Geschwindigkeit Verbrauchsunter schiede zwischen 5 und 10 Um die Motorauslastung durch den Gang zu veranschauli Ergebnisberechnungen 131 chen ist in Bild 51 das Motordrehmoment im Kennfeld f r die vier Lastschal
136. ge ausreichend Kapitel 5 5 Eine gesonderte Validierung des Schleppermodells f r den Nebenleistungsbedarf ist nicht notwendig da die Addition zur Motorleistung praktisch keine Fehlerquellen bietet und das Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 97 Motorkennfeld sowohl mit dem Gesamtmodell als auch im Vergleich mit Messungen validiert wurde Folglich reicht bei Bedarf eine alleinige Validierung des Nebenleistungsbedarfs der Ger te durch entsprechende Versuche aus 4 10 Kraftstoffverbrauch in Neben R st und Wegezeiten Bei den Arbeiten auf dem Feld fallen neben der Fahrzeit mit arbeitendem Ger t die als Grundzeit 196 oder Hauptzeit 190 bezeichnet wird auch Wendezeiten Leerfahrten und Fahrten mit nicht voller Arbeitsbreite an Nachdem der Verbrauch in der Hauptzeit bestimmt wurde muss auch der Kraftstoffverbrauch in diesen Neben und Wendezeiten den Arbeiten zugerechnet werden Ein Ansatz hierzu wird in diesem Kapitel beschrieben Des Weiteren fallen Standzeiten durch Pausen und Reparaturen sowie Be und Entladevorg nge an die f r den Kraftstoffverbrauch nicht von Bedeutung sind Die Anfahrten vom Hof zum Feld und zwischen den Feldern k nnen nur betriebsspezifisch ermittelt und dann auf die einzelnen Arbeitsg nge umgelegt werden wie von Herrmann 195 f r den Arbeitsgang Stroh pressen durchgef hrt Eine genaue Kenntnis der Schlagform und des Fahrweges erm glicht die exakte Bestimmung der Anzahl der Wend
137. gen wurde f r die kleinste Bereifung der gr te Luftdruck gew hlt Dieses Vorgehen ist auch daher sinnvoll da der kleinste Reifen zum Erreichen einer vergleichbaren Tragf higkeit mit einem h heren Innendruck gefahren werden muss Die Abmessungen der Bereifung vorne und hinten sind in Tabelle 14 dargestellt Die bersetzung der Vorderachse wurde jeweils so korrigiert dass die Voreilung Null wird Ansonsten sind die Schlepperdaten identisch Tabelle 14 Bereifung vorne und hinten zum Verbrauchsvergleich Vorne Hinten Gro e Bezugsbereifung 540 65R28 0 8 bar 650 65 R 38 0 8 bar Mittlere Bereifung 480 65 R 24 1 1 bar 540 65 R 38 1 1 bar Kleine Bereifung 380 70 R24 1 4 bar 480 70 R 34 1 4 bar Ergebnisberechnungen 139 Schlepper Nr 1 Boden Nr 4 v 4 km h Bereifung klein Mehrverbrauch 0 10 20 30 40 kN 50 Zugkraftbedarf CH Bild 56 Mehrverbrauch durch kleine und mittlere Bereifung gegen ber der Bereifung 650 65 R38 und 540 65 R28 0 8 bar auf verschiedenen B den in Abh ngigkeit von der Zugkraft Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Es zeigt sich bei sehr gro en und sehr kleinen Zugkraftwerten jeweils der gr te Mehr verbrauch durch die falsche Bereifung Je schlechter die bodenseitigen Zugkraftbedingungen sind desto gr er ist der Vorteil gro er Bereifung und niedrigerem Luftdruck Generell ist gro e Bereifung und geringer Luftdruck f r die Feldarbeit stets als
138. gsgrad Ni Wirkungsgrad an der Stelle i im Antriebsstrang siehe Bild 25 NL Laufwerkwirkungsgrad Formelzeichenverzeichnis XIII Formel Einheit Bedeutung zeichen NM Motorwirkungsgrad NZahn Zahnreibungswirkungsgrad K Triebkraftbeiwert K 0 Steigung des Triebkraftbeiwerts bei Nullschlupf K sta 0 Steigung des Triebkraftbeiwertes bezogen auf den Hochpunkt Ki Triebkraftbeiwert am Rad i siehe Bild 25 Kmax Maximaler Treibkraftbeiwert u Umfangskraftbeiwert p Rollwiderstandsbeiwert D Steigung des Rollwiderstands tiber den Schlupf Pe u erer Rollwiderstandsbeiwert pi Innerer Rollwiderstandsbeiwert o Schlupf Oj Schlupf am Rad i siehe Bild 25 GZahn Zahnreibungsverlustgrad Ok max Schlupf bei dem der maximale Triebkraftbeiwert auftritt T N mm Schubspannung p 2 Winkel der inneren Reibung Oz Zugkraftbeiwert nach S hne sonst x Triebkraftbeiwert in einigen Ver ffentlichungen sonst K 0 I s Winkelgeschwindigkeit OF 1 s Winkelgeschwindigkeit an der Stelle i siehe Bild 25 XIV Einleitung und Ziel der Arbeit 1 1 EINLEITUNG UND ZIEL DER ARBEIT Der Kraftstoffverbrauch beim Einsatz von Ackerschleppern hat in den letzen Jahren stark an Beachtung gewonnen Einerseits sind die Kraftstoffpreise insbesondere in der letzten Zeit gestiegen Kraftstoffkosten machen inzwischen zwischen 30 und 50 der Schlepperkosten aus 1 Andererseits steigt auch das Umweltbewusstsein i
139. gt Grunds tzlich ist langsames Fahren mit breiten Ger ten und schweren Schleppern vorteilhaft wobei es die Tragf higkeit des Bodens zu beachten gilt Basierend auf den selben Grundlagen zur Fahrme chanik stellt Sch fer ein Berechnungsverfahren vor um Schlepper und Ger t optimal aufein ander abzustimmen 191 Dabei beschr nkt er sich auf Allradschlepper bei Zugarbeiten da hier besondere Anforderungen an das Triebkraftverhalten gestellt werden Insbesondere Na Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 55 benleistung Arbeitsbreite Schleppergewicht und schlupflose Geschwindigkeit m ssen auf einander abgestimmt sein Daher werden jeweils zwei dieser Parameter vorgegeben und danach Optimierungsstrategien f r die anderen beiden ermittelt Als optimal wird bei bekann ter Arbeitsbreite und Fahrgeschwindigkeit die Anpassung von Gewicht und Geschwindigkeit bezeichnet so dass bei voller Ausnutzung der Motorleistung der maximale Laufwerkwir kungsgrad erreicht wird Pauschale Aussagen ber die optimale Kombination von Schlepper und Ger t lassen sich nach Sch fer nicht ableiten Jahns stellt den Einfluss der leistungsbezogenen Masse eines Schleppers dar den er mit einem Fahrzeugmodell berechnet 192 Ein Anstieg der leistungsbezogenen Masse hat einen de gressiven Anstieg der Fl chenleistung zur Folge der je nach Ger tebreite einen Maximalwert erreicht und bei extrem hohen Leistungsgewichten wieder leicht abf l
140. gung a Bild 41 Radschlupf links und rechts sowie der Laufwerkwirkungsgrad in Abh ngigkeit von der seitlichen Hangneigung Parameter aus Tab A2 bis A4 Es zeigt sich ein mit der seitlichen Neigung progressiv abfallender Wirkungsgrad der durch den am hangoberen Rad st rker ansteigenden Schlupf bedingt ist In diesem Fall zeigt sich ein relevanter Abfall des Wirkungsgrades erst bei Neigungen gr er 5 In der Praxis stellen gr ere Neigungen bereits Extrembedingungen dar Durch Zuschalten der Differenzialsperre in der Hinterachse kann das Abfallen des Wirkungsgrades nahezu vollst ndig vermieden werden bis es zum Kippen des Schleppers kommt Gleiches gilt auch f r seitliche Neigung bei unterschiedlichem Triebkraftverhalten links und rechts wie beispielsweise beim Pfl gen in der Furche Bei nicht gesperrtem Differenzial und unterschiedlichem Traktionsverhalten links und rechts liegt das Wirkungsgradoptimum verschoben zur h heren Radlast auf der Seite mit schlechterem Traktionsverhalten so dass das Optimum wieder nahe dem Punkt gleichen Schlupfes an beiden Seiten liegt In dem Beispiel von Bild 38 liegt die gr ere Rad last auf dem Furchenrad mit ohnehin besserem Triebkraftverhalten Dies ist folglich ein Nachteil da das auf Stoppeln bzw dem gegrubberten Feld laufende Rad deutlich mehr Schlupf hat als das Furchenrad und somit der Wirkungsgrad insgesamt schlechter wird Ergebnisberechnungen 117 5 2 3 2 Differenzialsperren in der
141. h da f r die Steigung ein h herer Verbrauch auftritt Diese Abweichung ist auch bei den gemessenen Werten sichtbar Kraftstoff l ha verbrauch L 44 LER U 1 75 85 PER IT 25 105 Gidd ZC UE eg EE Bild 30 Simulierter Kraftstoffverbrauch aus den Ausgangsparametern Steigung Zugkraft Lastschaltstufe und Gang Die sehr gute bereinstimmung zwischen Simulation und Messung basiert in diesem Fall auch darauf dass die Zugkraft aus der Messung als Eingangsgr e genutzt wurde Ziel der Berechnung war die Validierung des Schleppermodells um anschlie end generelle Berech nungen durchf hren zu k nnen Der tats chliche Verlauf der Zugkraft ist nicht so entschei dend wenn beispielsweise die Getriebe bersetzung und Fahrgeschwindigkeit f r definierte Zugkr fte optimiert werden sollen 4 8 Zugkraftmodell f r Ger te F r einige Optimierungsberechnungen insbesondere f r Schleppereinstellungen reicht be reits die Annahme einer konstanten Zugkraft aus da so der reine Einfluss dieser Einflussfak Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 95 toren dargestellt werden kann F r die Berechnung des Verbrauchs von landwirtschaftlichen Produktionsketten oder die Optimierung einer Schlepper Ger te Kombination k nnen unter schiedliche Zugkraftmodelle integriert werden Grunds tzlich sind dabei alle in 3 7 2 be schriebenen Modellans tze denkbar wobei sich Vorteile f r verh ltnism ig einfache Ans t ze erg
142. h ngigkeit von Motordrehzahl ny und Motormoment My in Abh ngigkeit von 7 Parame tern m bis m vor Gleichung 1 b 2 3 2 M Ny bf fb M Ny befuer MytmMm Ny My 1 eM 3 M Ny EE Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 19 Mit dieser Gleichung werden gute bereinstimmungen mit dem gemessenen Motorkennfeld realisiert ein Vergleich ist in Bild 3 dargestellt Au erdem kann anhand der Gleichung die optimale Arbeitskurve das verbrauchsminimale Drehzahl Drehmoment Verh ltnis nume risch berechnet und anschlie end linear gen hert werden um Daten zur Optimierung mittels einem Motor Getriebe Management zu erhalten 900 TRADITIONAL METHOD MODEL PLUS TEST METHOD 800 g 700 600 5 3 500 a D 400 gt 300 S 5 200 100 SPECIFIC FUEL CONSUMPTION 9 KW h o 000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 ENGINE SPEED rpm Bild 3 Motorkennfeld eines Ackerschleppermotors modelliert und gemessen 70 Gleichung 1 wurde von Souza 71 um zwei Parameter reduziert ohne nennenswert an Ge nauigkeit zu verlieren und zur Berechnung des Motorwirkungsgrades nm genutzt wie in Gleichung 2 dargestellt Der Motorwirkungsgrad nm ergibt sich aus dem Kehrwert des spezifischen Verbrauchs bem multipliziert mit einem vom unteren Heizwert des Kraftstoffs abh ngigen Faktor 2 Nu m m My m ny tmy Mu me Hu ke ty My 2 F r diese Gleichung kann die optimale Arbeitskurve als optimales Verh ltnis vo
143. h die Korrelation zur ben tigten Leistung ist bei vergleichbarem Wir kungsgrad zwar ein kleiner Verbrauchsvorteil bezogen auf die Fl che zu erwarten allerdings nicht in dem Ausma wie bei der Fl chenleistung Messungen von Getriebekennfeldern f r ein hydraulisch mechanisch leistungsverzweigtes Getriebe des Typs HM8 der Firma Claas 55 zeigen mit zunehmendem hydraulischen Leis tungs bertragungsanteil etwas geringere Wirkungsgrade als bei rein mechanischer bertra gung Das grunds tzliche Verhalten best tigt jedoch Reiters Ergebnisse und die Getriebe kennfelder bei konstanter bersetzung sind mit denen gestufter Getriebe vergleichbar Die Vorteile stufenloser Getriebe liegen folglich bei dem gr eren Komfort und den berle genen Automatisierungsm glichkeiten die bei Lastschaltgetrieben nur eingeschr nkt m glich sind 85 Beispiele solcher Automatisierungen sind ein Motor Getriebe Management oder das Fahrpedalfahren wobei vom Fahrer lediglich die gew nschte Geschwindigkeit ber ein Pedal vorgew hlt wird und der Schlepper Motordrehzahl und Getriebe bersetzung entspre chend anpasst Das Wegfallen der Leistungsl cken und das Abweichen vom optimalen Be Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 27 triebspunkt des Motors durch suboptimale bersetzungen sind gegen ber eng gestuften Ge trieben vernachl ssigbar gering da die Motoren mit gro em Konstantleistungsbereich mehr als eine Stufe im
144. h sind weitere Untersu chungen unter m glichst praxisnahen Bedingungen notwendig um verl sslichere Werte zu erhalten Mit der derzeitigen Parametrisierung werden realistische Ergebnisse erzielt dennoch wird das Verbesserungspotenzial f r das Berechnen von Faustwerten f r den Kraftstoff verbrauch durch angepasste Parameter als hoch eingestuft M glichkeiten zur genaueren Bestimmung solcher Parameter liegen in der Durchf hrung von entsprechenden Messungen mit den Ger ten aber auch aus den Verbrauchswerten bei ent sprechend dokumentierten Praxiseins tzen lassen sich die Parameter teilweise gut nachvoll ziehen Die so validierten Werte k nnten dann Ausgangsbasis f r die Erstellung neuer Verbrauchstabellen f r verschiedene Arbeiten und unterschiedliche Produktionsketten sein Da jedoch auch solche Tabellen nur eingeschr nkt aussagekr ftig sind w re eine Verbreitung des Berechnungsverfahrens als Computermodell mit benutzerfreundlicher Oberfl che erstre benswert So k nnten individuell Arbeiten und Produktionsketten berechnet und sogar f r die optimale Zuordnung von Schlepper und Ger t Hinweise gegeben werden Der Praxisnutzen der Verbrauchsmodellierung w rde so erheblich gesteigert Durch eine Umsetzung der unterschiedlichen Ma nahmen zur Einsparung von Kraftstoff k nnten im Einzelfall bis zu 30 des Verbrauchs durch Prozessoptimierung und zus tzlich 20 durch Anpassung der Arbeitskette wie reduzierte Bodenbearbeitung eing
145. ha Sha 10ha 20 ha Grubber Soei leicht 6 69 6 15 5 83 5 63 bg 3 m tg 12 cm gutes Traktions mittel 8 78 7 87 7 49 7 26 wen N schwer 13 37 12 22 11 72 11 4 Scheibenegge Stoppelacker KEE EE bg 4 m tg 10 cm gutes Traktions mittel 6 49 5 78 5 49 5 31 h halt S Kee schwer Motorleistung reicht nicht aus Ban Sege leicht 17 14 15 77 15 17 14 78 tG 25 cm mittleres Trak mittel 20 97 19 40 18 70 18 23 6 km h ti halt von Ree ee schwer Motorleistung reicht nicht aus i 14 13 81 13 4 E sendet leicht 15 62 36 3 8 3 45 bg 3 m tg 8 cm schlechtes Trak mittel 17 96 16 58 15 96 15 56 6 km h tionsverhalten R schwer Motorleistung reicht nicht aus Drillmaschine gepfl gt mittel 6 25 5 94 5 79 5 68 be 3 m v 10 km h gegrubbert mittel 5 85 5 57 543 5 33 ee gepfl gt mittel 18 88 17 91 17 42 17 07 v 6 km h gegrubbert mittel 18 39 17 44 16 96 16 63 D ngerstreuer gepfl gt e 2 53 240 2 34 2 29 ba 18 m v 8 km h Fahrspur 2 05 195 191 1 87 be 18 m v 6 km h Fahrspur 2 2 00 Lal 1 86 1 83 M hdrescher 8 t Ertrag 60 dt ha v 7 km h 18 74 17 26 17 19 16 95 bech m u u Prvem 120 kW Ertrag 80 dt ha v 6 km h 22 41 21 22 20 76 20 49 incl Abtransport Ertrag 100 dt ha v 5 km h 26 75 25 49 24 99 24 69 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 155 6 5 Kraftstoffverbrauch bei versch
146. he Arbeitsqualit t erreicht wird sind zapfwellen getriebene Bodenbearbeitungsger te stets von Vorteil Zwar wird der Laufwerkwirkungsgrad durch kleinere Zugleistung geringer betrachtet man jedoch die Laufwerksverluste so bleiben die Rollwiderstandsanteile gleich und die Schlupfverluste werden geringer Au erdem k nnen Schlepper mit gr erer Leistung und geringerer Masse eingesetzt werden was wiederum die Rollwiderstandsverluste reduziert Die Rollarbeit bezogen auf die Fl che sinkt dann durch geringere Radlasten oder durch gr ere Arbeitsbreiten und damit verbundener k rzerer Fahr strecke auf dem Feld Normalerweise wird jedoch f r zapfwellenbetriebene Ger te ein gr e rer Leistungsbedarf bei gleicher bearbeiteter Querschnittsfl che beobachtet allerdings auch mit besserem Arbeitsergebnis F r gezogene Ger te sprechen die geringeren Kosten und die M glichkeit der einfacheren Realisierung gro er Arbeitsbreiten insbesondere f r leichtz gige Arbeiten Au erdem liegt beispielsweise keine marktg ngige L sung f r wendende Bodenbearbeitung mit zapfwellen getriebenen Ger ten vor Kreiseleggen und Fr sen f r eine intensive Zerkleinerung des Bo dens sind die in der Praxis eingesetzten Zapfwellenger te welche die genannten Vorteile beim Verbrauch umsetzen k nnen H ufig wird f r die Saatbettbereitung mit gezogenen Ger ten das geforderte Arbeitsergebnis nicht erreicht was den Nutzen des gr eren Leis tungsbedarfs bei
147. hleunigungsvorg ngen durch die Fahrzeugmasse Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch Bei dem Berechnungsverfahren wird von Standardschleppern mit Pendel Vorderachse ausge gangen Bei Vorderachsfederung bleibt bei den meisten Ausf hrungen die Pendelwirkung der Vorderachse erhalten so dass kein Einfluss auf die Radlastverteilung der Vorderachse ent steht Beim Feldeinsatz ist diese Federung h ufig ausgeschaltet Eine Einzelradaufh ngung kommt bei Ackerschleppern nur in Ausnahmef llen vor und wird daher nicht gesondert be r cksichtigt Die hierdurch bei der Untersuchung von Spezialschleppern entstehenden Fehler sind dennoch minimal Genauere Ergebnisse lassen sich mit Mehrk rpersimulationsmodellen MKS berechnen in die ein Reifenmodell integriert sein muss um die dynamischen Radlas ten zu berechnen Um die Radlasten am Ackerschlepper bei Steigungsfahrt und seitlicher Hangneigung sowie bei frei angreifender Zugkraft zu berechnen sind neben den statischen Gleichgewichtsbedin gungen auch iterative Verfahren notwendig da die Radlastverteilung auch von der Zug und Seitenkraftverteilung beeinflusst wird Die Aufstandskraft kann f r jedes Rad des Schleppers in Normalkraft und Hangabtriebskraft zerlegt werden Wie bei Untersuchungen zum Treib kraftverhalten blich wird die Normalkraft zum Boden im Folgenden als Radlast bezeichnet Zur Berechnung der Radlasten werden zun chst die im Weiteren genutzten Bezeichnungen definiert Der U
148. hnen zu k nnen reicht die Kenntnis von Eingangsdrehzahl und moment nicht aus Vielmehr m ssen die Drehwiderstandslinien Moment in Abh ngigkeit der Winkelgeschwindigkeit der Aus gangswellen bekannt sein um die Drehwiderstandslinie der Eingangswelle berechnen zu k nnen Aus diesem Grund bietet sich eine Betrachtung von Seiten der R der her an F r jedes Rad gelten charakteristische Reifenkennlinien f r Triebkraftbeiwert x und Rollwi derstandsbeiwert p in Abh ngigkeit vom Schlupf o Diese k nnen aus Messungen oder ver schiedenen Modellans tzen stammen 3 5 in dieser Arbeit wird das in Kapitel 4 3 beschrie bene neue Reifen Boden Modell verwendet In jedem Fall m ssen Gleichungen parametri siert werden welche den Triebkraftbeiwert und den Rollwiderstandsbeiwert in Abh ngigkeit vom Schlupf angeben In diesem Fall sind das die Gleichungen 44 und 45 Nach Festle gung dieser Zusammenh nge f r jedes Rad kann f r bekannte Radlasten das Drehmoment M in Abh ngigkeit des Schlupfes angegeben werden Die Zahlen in den Indices sind charakteris tisch f r die einzelnen R der in den folgenden Gleichungen 62 bis 64 wird beispielhaft das linke Hinterrad behandelt Der dynamische Rollradius nach Persson 130 ist r 78 Entwicklung des Krafistoffverbrauchs Modells M a nF ole ole 62 Die Zugkraft F berechnet sich mit der Radlast Eu Fla k la R 63 Da der Schlupf bei konstanter Fahrgeschwindigkeit v und be
149. hung 83 2m 4 16m 24m ae ar Ar Der mit den Gleichungen berechnete Mehrverbrauch durch das Wenden bei der Bodenbear beitung unterschreitet bei Fl chen gr er 2 5 ha 10 Anteil bei Fl chen gr er 10 ha 5 Anteil Der berlappungsanteil berechnet nach Gleichung 76 macht bei blichen Ger te breiten zwischen 2 und 5 des Gesamtverbrauchs aus F r Pflegearbeiten kann der anteilige Mehrverbrauch einfacher ermittelt werden Erstens liegen einfachere Wendeman ver vor und die n chste Spur kann ohne Zur cksetzen angefah ren werden Daraus ergibt sich eine gesamte Fahrstrecke zum Wenden welche der doppelten Feldbreite br entspricht Zweitens ist der Verbrauch vergleichbar zum Fahren im Feld da die Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 105 Pflegeger te lediglich einen minimalen Anteil der Fahrleistung ben tigen Es folgt Gleichung 84 die wiederum unter Annahme quadratischer Schl ge A br vereinfacht werden kann E 2D l 2 bg Byes Bu 1 En By HE 84 bg Damit ist der anteilige Mehrverbrauch bei Pflegearbeiten trotz der einfacheren Wendeman ver und ohne berlappung in etwa doppelt so gro wie bei der Bodenbearbeitung was sich allerdings durch den geringeren Verbrauch bei der Hauptarbeit begr ndet Der absolute Wen deverbrauch ist dementsprechend sehr gering Zum Verfahrensvergleich sind die Gleichungen ausreichend genau da St rgr en wie be triebs und fahrerspezifisch
150. hwinden Bereits bei der Betrachtung von nur 6 G ngen ber den gesamten Geschwindigkeitsbereich zeigten sich die relativ kleinen Leistungsl cken in Bild 48 F r diese Darstellung werden h ufig vereinfachend nur die Motorcharakteristik und Ge triebe bersetzung der G nge G genutzt in diesem Beispiel sind auch entsprechend dem Modell unterschiedliche Laufwerkwirkungsgrade und Wirkungsgrade des Antriebsstrangs ber cksichtigt so dass die tats chlichen auftretenden Leistungsl cken dargestellt werden 128 Ergebnisberechnungen Schlepper Nr 1 Boden Nr 2 LS 3 Zugkraft Fou Q QQQ Hou 1 H CO Om OW N 0 10 20 km h 30 Fahrgeschwindigkeit v Bild 48 Maximale Zugkraft in Abh ngigkeit von der Fahrgeschwindigkeit Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Werden zus tzlich die Lastschaltstufen LS ber cksichtigt so verschwinden die Leistungsl cken nahezu v llig Daher ist bei heutigen Untersuchungen zur Getriebeabstufung nicht mehr das Erreichen der maximalen Triebkraft bei allen bersetzungen sondern vielmehr der Ein fluss auf den Kraftstoffverbrauch von Bedeutung 5 6 2 Einfluss der Getriebeabstufung auf den Kraftstoffverbrauch Die Geschwindigkeiten im Hauptarbeitsbereich zwischen 5 und 10 km h k nnen bei Stufen getrieben mit Gruppenschaltung ob lastschaltbar oder nicht normalerweise in 5 oder mehr verschiedenen G ngen gefahren werden Bei Motorauslastungen unter 60 ist folglich eine Absenkung der Dr
151. i Ackerschleppern Grundlagen der Landtechnik 34 1984 H 3 S 132 142 Renius K Th und M Koberger Motoren und Getriebe bei Traktoren In Matthies H J und F Meier Herausgeber Jahrbuch Agrartechnik Yearbook Agricultural Engineering Band 13 Frankfurt 2001 S 50 55 Reiter H Entwicklungsschwerpunkte f r Traktorengetriebe vor der Jahrtausendwende Landtechnik 53 1998 SH Juni S 182 185 e Reiter H Verluste und Wirkungsgrade bei Traktorgetrieben Dissertation TU M nchen 1990 VDI Reihe 14 Nr 46 e Beitz W und K H K ttner Dubbel Taschenbuch f r den Maschinenbau 14 Auflage Springer Verlag Berlin 1981 Ryu I H D C Kim and K U Kim Power efficiency characteristics of a tractor drive train Trans ASAE 46 2003 H 6 S 1481 1486 Lober M ML 200 kontra Lastschaltgetriebe Landtechnik 52 1997 H 5 S 236 237 Literatur 169 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 Demmel M G Attenberger G Dischinger H Auerhammer und H P Settele Einsatzversuche an einem Traktor mit stufenlosem Getriebe bei schwerer Zug und Zapfwellenarbeit Tagungsband VDI MEG Tagung Landtechnik D sseldorf 1999 VDI Berichte Nr 1503 S 81 86 Kempf T Automatikschaltung f r ein Teillastgetriebe Landtechnik 54 1999 H 2 S 70 71 Isensee E M Wei bach und J Thiessen Vergleich von lastschaltbaren mit stufenlosem Getriebe bei schwer
152. ich Messungen nur begrenzt da der Boden schon sehr kleinr umig starke Unterschiede aufweist Deshalb wird ein detailliertes Fahrzeug und Ger temodell ben tigt mit dem die einzelnen Einflussfaktoren untersucht werden k nnen Im Folgenden wird der Aufbau eines solchen Modells beschrieben welches speziell zur Berechnung von Kraftstoffverbrauchswerten optimiert ist Die Validierung des Modells erfolgt durch den Vergleich modellierter Verbrauchswerte mit Messwerten die mit einem in Hohenheim entsprechend ausgestatteten Schlepper durchge f hrt wurden 4 1 Aufbau des Fahrzeugmodells Da m glichst viele Einflussfaktoren genau beurteilt werden sollen werden f r das Modell eine hohe Genauigkeit und die Ber cksichtigung m glichst vieler Einflussparameter verlangt Auch Parameter deren Relevanz als wenig bedeutend eingestuft wird k nnen so untersucht werden Nach der Verifizierung k nnen sie f r weitere Untersuchungen vernachl ssigt wer den wenn sich der geringe Einfluss best tigt Folgende Parameter sollen untersucht werden Einfluss von Zugkraft und Fahrgeschwindigkeit Hangneigung in Fahrtrichtung und seitlicher Richtung Masse und Geometrie Radstand Spur Schwerpunkt Zug Angriffspunkt Zuschalten von Allradantrieb Differenzialsperre hinten Unterschiedliches Triebkraftverhalten f r alle vier R der Stufung der G nge Lastschaltstufen Einfluss der Fahrstrategie Tempomat Fahrgeschwindigkeit Gang
153. ichtung ausgestattet sind Da der Einbau einer Drehmomentmess welle in einen Ackerschlepper relativ aufw ndig ist wurde auch die Abgastemperatur als Kenngr e f r das Drehmoment untersucht 75 Da diese Temperatur auch eine Abh ngig keit von der Drehzahl zeigt wird diese zur Korrekturrechnung ben tigt um ein auf 10 genaues Ergebnis zu erhalten Eine weitere M glichkeit bei modernen Ackerschleppern ist die Nutzung des CAN Bus Signals der Drehzahl und des Momentanverbrauchs Bei der nachge wiesenen Genauigkeit des Kennfeldes 36 73 kann bei bekanntem spezifischen Verbrauch ein eindeutiger Drehmomentwert zugewiesen werden Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist bei bekanntem Motorkennfeld und entsprechender Auswertem glichkeit genauer als das Ergebnis aus der Abgastemperatur Bei Zugriff auf das CAN Signal sind zudem keine kon struktiven Umbauma nahmen n tig weshalb das Verfahren relativ kosteng nstig realisiert werden kann 3 3 2 Leistungsbedarf der Nebenaggregate Die vom Motor abgegebene Leistung kann nicht vollst ndig f r den Antrieb des Fahrzeugs und der Ger te genutzt werden da Nebenaggregate einen Teil der Leistung ben tigen Das sind insbesondere K hlwasserpumpe Viskol fter Drehstromgenerator Lichtmaschine 22 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht lpumpe Luftkompressor Klimakompressor und eine Lenkhilfepumpe 68 Diese Neben aggregate sind heute fast ausnahmslos in jedem moderne
154. iderstandsbeiwert mathematisch in Abh ngigkeit des Schlupfes zu beschreiben k nnen die Gleichungen 44 und 45 herangezogen werden Sie basieren auf Steinkampfs Gleichungen 9 und 10 die um den Parameter d erweitert wurden 134 Der Vorteil dieser erweiterten Gleichung ist die m gliche Darstellung eines lokalen Maximums der Triebkraft Schlupf Kurven da das Maximum nicht erst bei stehender Maschine und durchdrehendem Rad auftritt sondern stets bei geringeren Schlupfwerten K a b eT d CO 44 P a b o 45 Die zugeh rigen Kurven sind in Bild 18 dargestellt Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 67 0 8 a v 0 6 san SZ 04 EC o 2 02 Qa oo PE iG D 0 2 0 20 40 60 Schlupf o Bild 18 Triebkraftbeiwert und Rollwiderstandsbeiwert in Abh ngigkeit vom Schlupf Um diese Kurven f r definierte Reifen und Bodenbedingungen modellieren zu k nnen m ssen die Parameter a bis d a2 und bz anhand von Reifen und Bodenparametern abge sch tzt werden W hrend die Werte az und bz aus Gleichung 45 anschauliche Werte darstel len y Achsenabschnitt und Steigung der Geraden sind die Werte a bis d weniger aussage kr ftig Um dennoch nicht auf die subjektive Beurteilung der Kurve angewiesen zu sein kann die identische Kurve auch durch vier charakteristische Kennwerte beschrieben werden Diese sind die x und y Koordinate des lokalen Maximums enz UNd Kmax die Steigun
155. ie Aufgabe der Leichtz gigkeit von Ger ten auch im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch verst rkt f r die Entwicklung von Bearbeitungswerk zeugen und Ger tekonzepten weiter an Bedeutung gewinnen Zum Zugkraftbedarf von Anbauger ten bei unterschiedlichen Bedingungen liegen zahlreiche Ver ffentlichungen vor Einen berblick ber die durchgef hrten Messungen gibt Schutte 165 Untersuchungen zum Pflug standen dabei aufgrund der gro en Bedeutung dieses Ger tes im Vordergrund beispielsweise 91 166 Durch die steigende Verbreitung anderer gezo gener oder zapfwellenbetriebener Bodenbearbeitungsger te stieg auch die Zahl an Ver ffent lichungen zu diesem Thema insbesondere zu unterschiedlichen Grubberscharformen 166 171 Gansuch teilt die wesentlichen Einflussfaktoren auf den Zugkraftbedarf in Bodenpara meter Betriebsparameter und Konstruktionsparameter im speziellen Fall f r den Pflug ein 172 Diese Einteilung l sst sich auch auf andere Ger tetypen bertragen Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 51 Untersuchungen bez glich der Bodenparameter konzentrieren sich auf den Einfluss von Tongehalt Bodenfeuchte und Bodendichte daneben liegen auch Messwerte zum Einfluss von Fruchtfolge und organischen Bodenbestandteilen vor W hrend sich ein hoher Tongehalt in allen Messungen durch gr ere Zugkr fte bemerkbar macht ergibt sich f r die Bodenfeuchte ein anderer Zusammenhang Dabei sind mittlere
156. ie Erwartungen aus anderen Modellans tzen und Messergebnissen gut wieder Entwicklung des Krafistoffverbrauchs Modells 69 max maximaler Triebkraftbeiwert 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Tongehalt Kron Bild 19 Maximaler Triebkraftbeiwert in Abh ngigkeit des Tongehaltes von 850 Messun gen Eine weitere M glichkeit zur Ermittlung der Zusammenh nge ist die Nutzung von Versuchen bei denen nur ein Parameter ver ndert wurde ceteris paribus Bedingungen In diesem Fall Bild 20 wird der Einfluss des Reifenluftdruckes gezeigt wobei in den 32 Versuchen der Bearbeitungszustand des Bodens die Reifengr e und die Bodenfeuchte nahezu identisch waren max maximaler Triebkraftbeiwert 0 6 0 8 1 1 2 1 4 bar 1 6 Reifenluftdruck D Bild 20 Maximaler Triebkraftbeiwert in Abh ngigkeit vom Reifenluftdruck f r 32 Mes sungen unter ansonsten identischen Rahmenbedingungen 70 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells F r dieses Beispiel ergibt die lineare Regression ein gutes Ergebnis allerdings k nnen f r andere Rahmenbedingungen abweichende Steigungen der Geraden resultieren Um diesen Einfluss zu minimieren wurden Steigungswerte f r verschiedene Rahmenbedingungen gemit telt In den Modellgleichungen k nnen die ermittelten Steigungen nicht direkt eingesetzt werden da bei berlagerung mehrerer Einfl sse unrealistisch gro e oder kleine Werte f r den Triebkraftbe
157. ie ersten 3 Spalten zeigen die Drehwiderstands linien f r die linke die 4 bis 6 Spalte f r die rechte Differenzialgetriebeausgangswelle Die letzten drei Spalten stellen die Eingangswelle dar Nun kann beispielsweise f r einen hinter radgetriebenen Schlepper dem Wert f r die ben tigte Triebkraft Zugkraft Steigkraft Roll widerstand der Vorderr der nicht nur die ben tigte Getriebeausgangsdrehzahl und Drehmo ment sondern auch Drehzahl und Drehmoment der einzelnen R der zugeordnet werden Der Schlupf kann dann f r jedes Rad aus Winkelgeschwindigkeit und Fahrgeschwindigkeit be rechnet werden im gezeigten Beispiel bei gesperrtem Differenzial ist er stets an beiden R dern identisch 82 Entwicklung des Krafistoffverbrauchs Modells Tabelle 8 Werte von Ausgangs und Eingangswellen des Hinterachsdifferenzialgetriebes Drehwiderstandslinien Reifen 480 70 R 34 Stoppelacker Radlast links 28 9 kN rechts 21 4 kN v 8 km h ipy 5 875 NpH 0 97 lend 7 073 Nend 0 97 Ausgangswelle Differenzial Augangswelle Differenzial Eingangswelle Differenzial getriebe hinten links getriebe hinten rechts getriebe hinten Oi Mi Fry oo Mu Fr On Mu Fr Fr2 20 263 0 205 4 312 20 263 0 152 3 189 119 043 0 063 7 501 20 461 0 063 1 921 20 461 0 047 1 421 120 206 0 019 3 342 20 673 0 308 0 263 20 673 0 228 0 195 121 452 0 094 0 458 20 878 0 532 2 258 20 878 0 393 1 670 122 657 0 162 3 928
158. iedenen Produktionsketten F r eine Gesamtbetrachtung des Kraftstoffverbrauchs von Ackerschleppern ist der fl chenbe zogene Verbrauch f r ein Jahr interessant Daher wurde der Kraftstoffverbrauch f r die wich tigsten Kulturfr chte in Deutschland bei g ngigen Anbauverfahren berechnet In Tabelle 20 ist der Verbrauch der einzelnen Arbeitsg nge beispielhaft f r zwei unterschiedlich intensive Produktionsketten auf verschiedenen B den f r Winterweizen dargestellt dem in Deutsch land der gr te Fl chenanteil zukommt Tabelle 20 Kraftstoffverbrauch bei der Getreideproduktion mit unterschiedlichen Intensi t ten und auf unterschiedlichen B den Intensive Bewirtschaftung Reduzierte Bodenbearbeitung Kraftstoffverbrauch l ha Kraftstoffverbrauch l ha Arbeitsgang i S Z leicht mittel amp leicht mittel Scheibenegge 1 4 0 I ha 5 8 I ha 1 4 0 I ha 5 8 ha Grubber 1 6 2 ha 7 8 ha Pflug 1 15 8 ha 19 4 I ha Kreiselegge 1 14 4 I ha 16 6 I ha Drillmaschine 1 5 7 Vha 5 9 I ha Drillkombination 1 15 1 I ha 17 4 lha Spritze 1 Uberf 1 2 5 ha 2 5 I ha 1 2 3 ha 2 3 l ha Feldspritze 2 2 1 9V ha 2 1 9I ha 2 2 1 9V ha 2 1 9 I ha D ngerstreuer 3 3 2 0V ha 3 2 0lVha 3 3 2 0V ha 3 20 I ha M hdrescher 1 21 2 ha 21 2 ha 1 21 2 ha 21 2 ha Summe 73 4 Vha 81 2 l ha 58 6 l ha 64 3 l ha Es zeigt sich der Vorteil fiir das extensivere Verfahren bei d
159. ifen Boden Modell mit unterschiedlichen Bodenbe dingungen Boden Stoppelfeld Gr nland gepfl gt gegrubbert Reifen 540 65 R30 540 65 R 30 540 65 R 30 540 65 R 30 u K ssuchs 0 5 0 9 0 0 0 0 z 2 keso 0 6 0 7 0 0 0 25 SC kresu 0 8 0 8 0 1 0 6 SS kr 05 0 5 0 5 0 5 E KFeuchte 0 5 0 6 0 5 0 5 KReifen 0 6 0 6 0 6 0 6 q b Kmax 0 7073 0 7667 0 5133 0 5858 v Z E Omar 0 3340 0 2580 0 5520 0 4820 S E g 5 x 0 5 1092 5 2293 5 0000 5 0000 2833 e 0 0203 0 0203 0 0203 0 0203 ER gt De 0 0641 0 0517 0 1243 0 0963 Ek p 0 0 0844 0 0720 0 1446 0 1166 5 gt pP 0 0130 0 0130 0 0130 0 0130 3 S ay 6 775504 0 904692 0 575806 0 757757 Ek b 6 839570 0 956358 0 700072 0 854023 D 35 g c 1 712710 3 658403 7 304972 6 194184 2 5 R d 6 611145 8 991432 0 090685 0 267193 5 5 ER 0 0844 0 0720 0 1446 0 1166 ZS b2 0 0130 0 0130 0 0130 0 0130 76 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells Die Kurven stellen ein gutes Standardverhalten f r die entsprechenden Vorgaben dar So ist beispielsweise das gute Zugkraftverhalten auf Gr nland mit dem Maximum bei geringen Schlupfwerten durch die bei gr erem Schlupf abscherende Grasnarbe bedingt die einen R ckgang der Triebkraft verursacht Mit dem gezeigten Modell l sst sich das Triebkraftverhalten schnell und einfach vorhersagen Die Ergebnisse sind realistisch und die Parameter k nnen f r beliebige Praxisbedingungen abgesch tzt werden Insbesond
160. ig Wiesbaden 2005 Mitterer A und F Zuber Goos Modellgestiitzte Kennfeldoptimierung Ein neuer Ansatz zur Steigerung der Effizienz in der Steuerger teapplikation Automobiltechnische Zeitschrift ATZ 102 2000 H 3 S 188 194 Wang G and G C Zoerb Determination of optimum Working Points for Diesel Engines Trans ASAE 32 1989 H 5 S 1519 1522 168 Literatur 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 de Sozua E G Optimum working curve for diesel engines Trans ASAE 32 1999 H 3 S 559 563 Rinaldi M Statische Methode zur Berechnung beliebiger Teillastpunkte eines Traktors basierend auf den Messwerten der Volllastkurve und f nf zus tzlichen Teillastpunkten Tagungsband VDVMEG Tagung Landtechnik Halle 2002 S 63 68 Brunnhuber M Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch bei Ackerschleppermotoren Bachelorarbeit Universit t Hohenheim 2005 unver ffentlicht e Rinaldi M S Erzinger und R Stark Treibstoffverbrauch und Emissionen von Traktoren bei landwirtschaftlichen Arbeiten Schriftenreihe von Agroscope FAT Ettenhausen 2005 Kipp C und E Bergmann Die Abgastemperatur als Ma f r die Motorauslastung und den Kraftstoffverbrauch von Dieselmotoren Grundlagen der Landtechnik 35 1985 H 5 S 170 176 Grad K Getriebetechnologie f r Traktoren Landtechnik 58 2003 H 3 S 178 180 Renius K Th Neue Getriebeentwicklungen be
161. ik 22 1972 H 6 S 166 170 Grad K Geregelter Antrieb Landtechnik 51 1996 H 5 S 250 251 Brenninger M Allradantrieb mit stufenloser Leistungsverteilung im Vergleich mit der konventionellen L sung Tagungsband der VDVMEG Tagung Landtechnik M nster 2000 e Schutte B Bestimmung von Bodenunterschieden durch Zugkraftmessung bei der Bodenbearbeitung Dissertation Universit t Hohenheim 2005 Forschungsbericht Agrartechnik VDI MEG Nr 429 e Estler M und H Knittel Praktische Bodenbearbeitung VerlagsUnion Agrar M nchen M nster 1995 Literatur 175 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 Bernacki H Vergleich des Energieaufwandes f r die Bodenbearbeitung mit verschiedenen Werkzeugen agrartechnik 23 1973 H 1 S 5 8 e Krutikow N P LI Smirnow K F Stscherbakow und I F Popow Theorie Berechnung und Konstruktion der Landmaschinen VEB Verlag Technik Berlin 1955 Schlichting M Energieaufwand und Zerkleinerungserfolg beim Pfl gen mit erh hten Arbeitsgeschwindigkeiten Deutsche Agrartechnik 18 1968 H 3 S 118 120 Soucek R S Anisch und K Jorschik Untersuchungen an ausgew hlten Werkzeugelementen zur Zerkleinerung von Bodenk rpern hinsichtlich der Energieausnutzung agrartechnik 34 1984 H 1 S 11 14 e Soucek R und G Pippig Maschinen und Ger te f r die Bodenbearbeitung D ngung und Aussaat VEB V
162. increasing Generally the substi tution of diesel by alternative fuel based on vegetable oil is possible however the potential for the substitution is limited by the scarcity of agricultural farmland and categorized as low The cost savings are not very big due to higher fuel consumption with bio fuel Therefore only the reduction of fuel consumption for different agricultural operations and if applicable the reor ganisation of the production chains can contribute to a sustained reduction of fuel consump tion and costs In this thesis the basic influencing factors on fuel consumption of tractors are shown Field tests are only of limited usefulness for the examination of single influencing variables For those studies a model had to be developed The presented model is based on the status of science concerning engine and transmission performances as well as tractive performance for agricultural tractors and is combined with the ASAE Standard 497 4 model for the tractive force needed to pull the implement As existing tyre soil models are only of limited use to predict tractive performance in the field and to deliver these values to the tractor model an independent traction prediction model was developed It is based on empirical equations which were parameterized on the basis of numerous field tests Furthermore the influence of the fuel consumption for turning over in the headlands and for transportation work were investigated and considered i
163. ind f r diese Berechnungen irrelevant da sie lediglich die Auspr gung des Verbrauchs bzw die Lage der Optimumsbedingungen verschieben das grunds tzliche Verhalten ver ndern sie jedoch nicht Das gr te Einsparungspotenzial f r Kraftstoff bzw die gr te M glichkeit durch falsche Schleppereinstellungen zu viel Kraftstoff zu verbrauchen liegt in der Wahl der korrekten Getriebe bersetzung Dabei ist fast ausschlie lich der jeweils gr tm gliche Gang optimal Gerade f r Arbeiten die keine Drehzahlabsenkung erm glichen Zapfwellenarbeit Stra en transport mit hoher Geschwindigkeit kann durch entsprechende Zapfwellengetriebe Spar zapfwelle der Verbrauch deutlich gesenkt werden Einsparungen von Kraftstoff durch ver nderte Produktionsketten sind zwar auch im gro en Umfang m glich jedoch auch mit erheblichen externen Effekten verbunden Daher kann ber 158 Fazit und Ausblick diese Ma nahmen ohne Ber cksichtigung der pflanzenbaulichen Auswirkungen keine sinn volle Aussage getroffen werden F r die Berechnung von Faustwerten f r den Kraftstoffverbrauch bei unterschiedlichen Arbei ten eignet sich aus gezeigten Gr nden ein vereinfachtes Berechnungsverfahren mit weniger Eingangsparametern besser Insbesondere f r den Zugkraft und Leistungsbedarf unterschied licher Arbeitsger te liegen vom KTBL und der FAT Daten vor des Weiteren stehen f r Grubber und Pflug aussagekr ftige Messdaten zur Verf gung Dennoc
164. ischen Schar und Boden sowie der Geometrie des Schares berechnet Es werden auch Fahrgeschwindigkeit Arbeitsbreite und Arbeitstiefe ber cksichtigt S hne ber nimmt aus diesem Ansatz den statischen und einen dynamischen Anteil 181 aus denen sich der spezifische Pflugwiderstand k nach Gleichung 26 berechnet k kg E v 26 52 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht Es zeigt sich in dieser auch von Domsch 182 verwendeten Gleichung der beschriebene quadratische Einfluss der Fahrgeschwindigkeit beim Pfl gen Die Scharform beeinflusst den dynamischen Anteil stark so k nnen ber die Schargeometrie Pfl ge f r h here Fahrge schwindigkeiten optimiert werden Es ergibt sich der spezifische Pflugwiderstand k bezogen auf die bearbeitete Querschnittsfl che Andere Untersuchungen behandeln die gegenseitige Beeinflussung einzelner Werkzeuge wobei sich in Abh ngigkeit der Anordnung zueinander Auswirkungen auf den Zugkraftbedarf zeigen in einfachen Modellgleichungen k nnen diese jedoch nicht dargestellt und erkl rt werden Sie beruhen auf sehr komplexen und dynami schen Vorg ngen bei der Bewegung des Bodens w hrend der Bearbeitung Ein sehr detailliertes Zugkraftmodell wird von Godwin und o Dogherty vorgestellt 183 Dabei werden die Vorg nge zwischen vereinfachten Ger ten und dem Boden mit einer Glei chung angegeben welche die wichtigsten Parameter ber cksichtigt Dieser physikalische Ansatz bringt
165. iwert resultieren k nnen Daher wird der lineare Einfluss aller Parameter in Rela tion zueinander ber cksichtigt so dass auch f r Extrembedingungen sinnvolle Ergebnisse resultieren Zur weiteren Vereinfachung wurden die drei Reifenparameter zu einem einzigen zusammen gefasst Gleichung 46 KReifen a Radius B Druck 46 Dieser Parameter Kreifen ist ein Faustwert f r die Gr e der Kontaktfl che von Reifen und Boden Er nimmt mit gr eren und breiteren Reifen sowie mit geringerem Luftdruck zu Auch wenn dieses nur ein abgesch tzter Wert ist der keinerlei Bodenparameter einbezieht so kann doch der Einfluss auf das Triebkraftverhalten und den Rollwiderstand gut dargestellt werden Eine genauere Modellierung der Kontaktfl che wie in 141 ist f r dieses einfache empirische Modell nicht vorteilhaft Um die Vielzahl an Einflussgr en ber cksichtigen zu k nnen wird zun chst ein linearer Einfluss aller Parameter unterstellt und die gegenseitige Beeinflussung vernachl ssigt Diese Vereinfachungen werden zwar dem komplexen Verhalten in allen Einzelheiten nicht gerecht die Untersuchung aller gegenseitigen und nicht linearen Einfl sse mit empirischen Modellen ist allerdings nur sehr eingeschr nkt m glich Auch physikalische Modelle sto en hier an Ihre Grenzen da sich der Boden mit seinen biologischen Komponenten mit halbempirischen Modellen nur sehr eingeschr nkt abbilden l sst Mit der rein linearen Methode werden be
166. jedes Rad erstellt vgl Tabelle 7 4 4 2 Endantriebe Die Ber cksichtigung der Endantriebe erfolgt unter Angabe des bersetzungsverh ltnisses ig und eines konstanten Wirkungsgrades ng Auf eine Abh ngigkeit des Wirkungsgrades von Drehzahl und der Auslastung wie sp ter beim Getriebe wird dabei zur Vereinfachung ver zichtet Die Drehwiderstandslinien f r die Ausgangswellen des Differenzials berechnen sich dann wie folgt M My 65 lei Je gin QO e 66 Es ergeben sich entsprechend neue Tabellen mit Wertetripels 3 Spalten und n Werte f r die neuen Drehwiderstandslinien Tabelle 7 welche zur weiteren Berechnung f r das Differenzi algetriebe genutzt werden Die zugeordneten Zugkraftwerte bleiben bei den Endantrieben gleich 80 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells Tabelle 7 Drehwiderstandslinien der Radnabe und der Welle zum Endantrieb Reifen 480 70 R 34 Stoppelacker Radlast 28 9 kN v 8 km h iena 7 07 Nend 0 97 Geboter Augangswelle Differenzialgetriebe hinten links 1 M Fr Oil Mi Fr 2 866 1 405 4 312 20 263 0 205 4 312 2 894 0 434 1 921 20 461 0 063 1 921 2 924 2 114 0 263 20 673 0 308 0 263 2 953 3 648 2 258 20 878 0 532 2 258 2 984 5 048 4 077 21 097 0 736 4 077 3 911 17 153 19 757 27 651 2 501 19 757 3 965 17 243 19 870 28 033 2 514 19 870 4 020 17 316 19 962 28 421 2 525 19 962 4 4 3 Differenzialgetriebe und Differenzi
167. jeweiligen Kennfeld Folglich bleibt bei einem Motorkennfeld aus wenigen Mess punkten eine Unsicherheit bei der bereinstimmung bestehen F r das in Kapitel 4 vorgestell te neue Schleppermodell wird das Motorkennfeld mit der Gleichung von Souza und Rinaldi nachgebildet um den spezifischen Kraftstoffverbrauch in Abh ngigkeit von Drehzahl und Drehmoment ber cksichtigen zu k nnen Die Parametrisierung der Gleichung kann durch N herung an die von Brunnhuber gemessenen Verbrauchswerte im Teillastbereich des Kenn felds erfolgen Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Gleichungen ist ein stetiges Motorverhalten ber den gesamten Bereich des Motorkennfeldes durch das bei der weiteren Modellierung ein unsteti ges Verbrauchsverhalten verhindert wird welches die Interpretation der Ergebnisse erschwert Au erdem kann f r vorhandene Lastkollektive 34 72 der f r bestimmte Arbeiten aus einem Motorkennfeld resultierende Kraftstoffverbrauch berechnet werden Solche Lastkollektive liegen f r unterschiedliche Arbeiten vor 74 F r die Bodenbearbeitung ist ein solches Last kollektiv in Bild 4 dargestellt Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 21 35 007 30 004 25 00 Amount of time Bild 4 Lastkollektiv fiir einen Schleppermotor bei der Bodenbearbeitung 74 Die Messung solcher Lastkollektive beim Feldeinsatz ist nur mit Schleppern m glich die mit einer Drehmomentmesseinr
168. kanntem Radius r direkt von der Winkelgeschwindigkeit abh ngt n mlich ole ELL 64 v k nnen nach Einsetzen von Gleichung 64 in die Gleichungen 62 und 63 das Moment und die Zugkraft f r jedes Rad in Abh ngigkeit der Winkelgeschwindigkeit angegeben werden Die zugeh rigen Drehwiderstandslinien sind in Bild 24 dargestellt Zur Berechnung der Ge triebeausgangsleistung wird die Zugkraftkurve zwar nicht ben tigt um dann dieser Leistung eine Zugkraft zuordnen zu k nnen ist diese jedoch unabdingbar 15 A v 7 km h kNm Tayn 0 7 M kN 2 SSMN eier 10 ae 10 x Zugkraft F er pe ugkra gt v z E ai x 5 ZS F c 9 a 5 N eb b KE Nabenmoment M Sabe E 0 2 5 3 3 5 1 s 4 Winkelgeschwindigkeit o 10 8 0 eg 20 9 30 8 Schlupf o Bild 24 Drehwiderstandskennlinien am Rad f r konstante Fahrgeschwindigkeit Der ebenfalls auf der x Achse dargestellte Schlupf zeigt f r die konstante Fahrgeschwindig keit von v 7 km h den Nullpunkt bei 2 81 Die Gleichungen f r diese Drehwiderstandsli Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 79 nien k nnen zwar noch angegeben werden Das Aufl sen nach der Winkelgeschwindigkeit ist allerdings nicht mehr m glich da die Umkehrfunktion nicht l sbar ist Deshalb wird im Fol genden numerisch mit den Werten der Drehwiderstandslinien gerechnet Es werden hoch aufl sende Tabellen mit Wertetripels von Winkelgeschwindigkeit Moment und Zugkraft f r
169. l ge ausmacht Weitere Vergr erungen der Schl ge bringen nur geringe Vorteile bez glich des Verbrauchs da der Wendeanteil degressiv kleiner wird Noch st rker wird der Verbrauch durch den Zugwiderstand des Bodens beeinflusst Bei der Bodenbearbeitung k nnen entspre chend den KTBL Werten Unterschiede von ber 100 gezeigt werden Durch den gro en Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 153 Zugkraftbedarf bei schwerz gigen Arbeiten kann f r die meisten Bodenbearbeitungsger te in der gezeigten Tabelle nicht die geforderte Geschwindigkeit realisiert werden da die Motor leistung daf r nicht ausreicht Dementsprechend m sste hier die Geschwindigkeit reduziert werden Bei der Aussaat wird lediglich der Bodenwiderstand mittel dargestellt allerdings f r unter schiedliches Traktionsverhalten durch den Untergrund Diese Unterscheidung ist f r den Vergleich unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren sinnvoll da das Saatbett gepfl gt oder bei reduzierter Bodenbearbeitung gegrubbert sein kann Durch den abweichenden Laufwerkwir kungsgrad ergeben sich somit leicht unterschiedliche Verbrauchswerte Bei Pflegearbeiten wird die entsprechende Unterscheidung f r Fahren ber das Saatbett und fahren in der Fahr gasse durchgef hrt da bei der ersten berfahrt die Fahrgasse noch nicht gespurt ist und daher ung nstigere Zugkraftbedingungen herrschen Dennoch hat diese Unterscheidung nur sehr kleine Auswirkungen auf den Jahres
170. l wenn lange Einsatzzeiten unter gro er Last durchgef hrt wer den und eine konstante lqualit t sichergestellt ist Dies ist allerdings trotz des RK Qualit tsstandards 5 2000 29 noch nicht der Fall Zur Verbesserung dieses Umstands soll noch im Jahr 2005 eine Vornorm verabschiedet werden 30 2 3 3 Pflanzendlgemische Als Pflanzen lgemische werden Mischungen von Diesel und Pflanzen l bezeichnet Bei dieser Teilsubstitution kann auf eine Veresterung verzichtet werden Untersuchungen zu unterschiedlichen Aufbereitungsmethoden sowie Mischungsverh ltnissen liegen vor 31 32 Es werden die Nachteile gegen ber der Verbrennung von Pflanzen l reduziert teilweise sogar leicht berproportional zum Mischungsverh ltnis Dennoch bleiben die Probleme der h heren Motorbelastung und der Emissionen bestehen 2 3 4 Designerkraftstoffe BTL GTL So genannte Designerkraftstoffe sind zwar noch nicht marktg ngig k nnten aber durch die Befreiung von der Mineral lsteuer eine Konkurrenz zu herk mmlichen Kraftstoffen darstel len Die Herstellung erfolgt entweder aus Erdgas oder Biomasse Bei der Nutzung von Bio masse wird diese geh ckselt getrocknet und zu Pellets geformt Anschlie end werden diese zu Synthesegas einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid vergast Dieses wird dann mittels der Fischer Tropsch Synthese in eine paraffinische Fl ssigkeit umgewandelt Nach einer Isomerisation die die Wintertauglichkeit erh ht kann zu e
171. lage ber cksichtigt werden aber auch ohne Modell l sst sich der Mehrverbrauch bei bekanntem Leistungsbedarf des Kompressors durch Multiplizieren mit dem durchschnittlichen spezifischen Verbrauch ohne gro en Fehler angeben Dieser liegt in etwa bei 1 1 pro Stunde und ist somit nicht uner heblich aus Komfortgr nden wird ein Verzicht auf die Klimaanlage zur Kraftstoffersparnis jedoch nicht umsetzbar sein 3 4 Einfluss von Getriebeart und Konstruktion In diesem Kapitel soll der Einfluss der Schaltgetriebe zur Wahl des bersetzungsverh ltnisses zwischen Motor und Antriebsstrang auf den Kraftstoffverbrauch beschrieben werden Die Auswirkungen von Endantrieben und Verteilergetrieben k nnen nur mit einem genauen Mo dell durchgef hrt werden welches auch die Laufwerkseigenschaften Radlastverteilung und viele weitere Schlepperparameter ber cksichtigt Daher k nnen solche Untersuchungen erst mit dem in Kapitel 4 vorgestellten Modell genauer durchgef hrt werden Die Entwicklung von Schaltgetrieben in Ackerschleppern reicht von sehr einfachen Vier oder Achtganggetrieben bei den ersten Ackerschleppern ber Vielganggetriebe mit bis zu 72 G n gen teilweise lastschaltbar oder als Automatikgetriebe bis hin zu stufenlosen Getrieben der neuesten Generation einschlie lich eines Motor Getriebe Managements 60 76 77 Auch Fahrgeschwindigkeiten von 50 km h in Ausnahmef llen sogar h her und die bertragung der gestiegenen Motorleistung m ssen
172. liegen Zweitens sind die berechneten Einleitung und Ziel der Arbeit 3 Ergebnisse dann kaum noch verallgemeinerbar da sie stark spezifisch f r das jeweilige Fahr zeug und Ger t sowie f r den untersuchten Boden gelten Daher sollen zur Berechnung von Faustwerten aus dem Modell vereinfachte Gleichungen zur Verbrauchsberechnung abgeleitet werden die in Umfang und Genauigkeit ber die des Kuratoriums f r Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft KTBL 3 4 hinausgehen deren Anzahl an Eingangsparametern jedoch berschaubar bleibt Das detaillierte Modell soll dabei zur Entscheidungsfindung und Verifizierung der Relevanz einzelner Eingangsgr en dienen Die resultierenden vereinfach ten Gleichungen k nnen dann als Basis f r ein berarbeitetes KTBL Berechnungsverfahren genutzt werden Emissionen beim Einsatz von Verbrennungsmotoren 5 2 EMISSIONEN BEIM EINSATZ VON VERBRENNUNGSMOTOREN Bei der Verbrennung von Kraftstoffen treten Emissionen klimarelevanter und teilweise toxi scher Gase sowie von Partikeln in unterschiedlicher Konzentration auf Grenzwerte f r einige dieser Emissionen sind gesetzlich vorgeschrieben andere werden als weniger relevant einge stuft In diesem Kapitel sollen die aktuellen Grenzwerte f r Schleppermotoren die besondere Bedeutung der CO2 Emissionen sowie die Vorteile und Probleme der Substitution von Diesel durch Kraftstoffe auf Pflanzen lbasis dargestellt werden 2 1 Abgasnormen Mit Verabschie
173. ll entwickelt um derartige Betrachtungen durchf hren zu k nnen Das vorgestellte Modell basiert auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft zum Mo tor Getriebe und Laufwerksverhalten von Ackerschleppern und wurde mit dem Verfahren zur Zugkraftberechnung unterschiedlicher Ger te nach dem ASAE Standard 497 4 kombi niert Da sich vorhandene Reifen Boden Modelle nur eingeschr nkt zur Vorhersage des Triebkraftverhaltens unter Praxisbedingungen f r das Gesamtmodell eignen wurde ein eige nes Reifen Boden Modell entwickelt Dieses ist aus empirischen Gleichungen aufgebaut welche anhand zahlreicher Messungen parametrisiert wurden Des Weiteren wurden der Einfluss des Verbrauchs zum Wenden und f r Transportfahrten zum Feld untersucht und im Modell ber cksichtigt Das neue Modell wurde mit dem Programm Matlab umgesetzt um das Verbrauchsverhalten bei unterschiedlichen Arbeiten f r definierte Parametervariationen bestimmen zu k nnen Die Validierung erfolgte durch den Vergleich mit Messergebnissen die bei der Bodenbearbeitung mit einem entsprechend ausgestatteten Schlepper durchgef hrt wurden Mit dem Modell wurden der Einfluss einer Vielzahl von Einzelparametern untersucht die Auswirkungen auf den Verbrauch gezeigt und Optimierungsm glichkeiten entwickelt Das Einsparungspotenzial durch die Optimierung des Arbeitsprozesses bei unterschiedlichen Arbeiten liegt je nach Ist Zustand bei bis zu 30 Hierzu muss der Laufwerkswirkungsgrad 160
174. lt Folglich kann bei verh ltnism ig leichten Schleppern durch eine Gewichtserh hung viel Kraftstoff eingespart werden w hrend bei schweren Schleppern der Nachteil von Bodenverdichtungen berwiegt 3 9 Besonderheiten bei selbst fahrenden Arbeitsmaschinen Der Kraftstoffverbrauch von selbstfahrenden Arbeitsmaschinen soll in dieser Arbeit lediglich am Rande angesprochen werden Die Bedeutung von Selbstfahrern ist insbesondere im Be reich der Erntemaschinen sehr gro Alle Untersuchungen zum Triebkraftverhalten der R der und zum Motorwirkungsgrad lassen sich vom Ackerschlepper direkt auf diese Maschinen bertragen Da anstatt eines mechanischen oder mechanisch hydraulisch leistungsverzweigten Getriebes h ufig hydrostatische Fahrantriebe Verwendung finden liegt hier ein wichtiger Unterschied vor Untersuchungen zum Wirkungsgradverhalten dieser Fahrantriebe sowie die Erstellung entsprechender Kennfelder wurden von Bernhard durchgef hrt 39 Die Wir kungsgrade hydrostatischer Wandler liegen in der Regel deutlich unter denen mechanischer Getriebe Insbesondere bei hohen Fahrgeschwindigkeiten und geringer Auslastung treten erhebliche Str mungsverluste auf Dennoch werden sie in nahezu allen selbstfahrenden Ar beitsmaschinen eingesetzt da die stufenlose Geschwindigkeitsverstellung und das Wenden bei konstanter Motordrehzahl erm glicht werden und die bauartbedingte r umliche Entfer nung vom Motor zu den Triebr dern problemlos berbr ckt
175. luss von Differenzialsperren und Allradantrieb kann gut anhand von Wirkungsgrad kurven dargestellt werden wobei in diesem Fall auch der Antriebsstrang mit im Wirkungs grad ber cksichtigt wurde Um sowohl den Einfluss von Sperren als auch von Allradantrieb zu veranschaulichen wurde das Beispiel Pfl gen in der Furche gew hlt Dabei ist das Triebkraftverhalten in der Furche und auf gegrubbertem Feld unterschiedlich die Schr glage des Schleppers verst rkt diesen Effekt nochmals Die Ergebnisse sind in Bild 38 dargestellt 112 Ergebnisberechnungen 80 60 Hinterradantrieb offenes gesperrtes Schlepper Nr 1 Hinterachsdifferenzial Boden links Nr 5 Boden rechts Nr 6 v 5 km h a 5 40 20 Laufwerk und Antriebsstrang Wirkungsgrad von 0 10 20 30 40 kN 50 Zugkraftbedarf CH Bild 38 Wirkungsgrad von Laufwerk und Antriebsstrang in Abh ngigkeit des Zugkraftbe darfs Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Es zeigen sich bessere Wirkungsgrade und h here maximale Zugkr fte einerseits f r den Allradantrieb andererseits auch f r gesperrtes Hinterachsdifferenzial Bei sehr leichtz gigen Arbeiten bis 10 KN sind die Wirkungsgrade praktisch identisch Erst bei h herer Zugkraft und damit gr erer Fl chenleistung durch breitere Ger te zeigt sich ein Vorteil f r den All radantrieb Die Differenzialsperre bringt gr ere Vorteile f r die maximal bertragbare Zug kraft als
176. m Bezug auf Ressourcenschonung und klimarelevante Gase weshalb Emissionsminderungen von CO durch die Einsparung von Kraftstoff angestrebt werden Zum Antrieb mobiler Landmaschinen werden heute fast ausschlie lich Dieselmotoren einge setzt M glichkeiten zur Kraftstoffeinsparung bei landwirtschaftlichen Arbeiten liegen neben der Verbesserung der Motoren insbesondere in der Optimierung des Arbeitsprozesses Es m ssen folglich nicht nur die technischen Komponenten wie Motor Getriebe Antriebsstrang Laufwerk und Ger t optimiert werden sondern auch die sinnvolle Zusammenstellung dieser Aggregate und die optimalen Schlepper und Ger teeinstellungen m ssen f r die jeweilige Arbeit gefunden werden Messungen sind bei einer solchen Vielzahl von Einflussfaktoren und Kombinationsm glichkeiten nur eingeschr nkt f r derartige Untersuchungen geeignet da vor allem kleinr umige Bodenunterschiede die Ergebnisse berlagern und so eine Vielzahl an aufw ndigen Wiederholungen erfordern Daher ist ein Modell zur Abbildung dieser vielen Parameter f r Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch bei Ackerschleppern von Vorteil welches durch den Vergleich mit Messergebnissen validiert ist Ein solches Modell zur Berechnung von Verbrauchswerten muss auf wissenschaftlichen Erkenntnissen zu den einzelnen Komponenten eines Ackerschleppers beruhen In dieser Arbeit soll ein berblick ber den Stand der Wissenschaft zu verbrauchs und wirkungsgrad relevanten Gru
177. menh nge mit teilweise physikalischem Hintergrund auf um die 5 Parameter dieser Gleichungen zu bestimmen 122 123 Diese Zusammenh nge basieren auf den Reifenabmessungen dem Luftdruck dem Cone Index und der Bodenfeuchte In einem vereinfachten Ansatz wird c2 gleich c gesetzt b2 wird als konstant und a als linear abh ngig 38 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht von a angenommen Aus zahlreichen mit einer entsprechenden Einzelradmesseinrichtung 124 durchgef hrten Versuchen werden Tabellen zur Absch tzung der restlichen Parameter erstellt allerdings liefern halbempirische Modelle die auf den Bodenparametern Schermodul Koh sion innerer Reibwinkel und Einsinkung basieren bessere Ergebnisse 101 Nachteilig ist die aufw ndigere Ermittlung dieser Parameter Grunds tzlich wird das Triebkraftverhalten st rker von Bodenparametern als von Reifenparametern bestimmt Andere Weiterentwicklungen des Bekker Modells wurden von Harnisch 125 126 durchge f hrt wobei auch der Positivanteil der Stollen ber cksichtigt wurde ber die kreisf rmige Aufstandsfl che wirken dann auf den Stollen Reib und zwischen den Stollen Scherkr fte Insbesondere f r nicht bewachsene B den die f r das Befahren unbefestigter Wege durch Milit rfahrzeuge von Bedeutung sind k nnen so gute Ergebnisse erzielt werden F r land wirtschaftliche Bedingungen insbesondere bei starker Einsinkung auf weichem und bewach senem U
178. mption of different agricultural opera tions Literatur 163 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 LITERATUR Holz W Diesel 30 50 der Schlepperkosten RKL Vortragstagung in Teutschenthal bei Halle 2003 Uhlmann E Wirtschaftliche Betrachtungen zur Optimierung des Systems Schlepper Maschine Diplomarbeit Universit t Hohenheim 1984 unver ffentlicht Fr ba N Ben tigte Traktormotornennleistung bei landwirtschaftlichen Arbeiten Landtechnik 50 1995 H 5 S 227 282 Fr ba N und M Funk Teilzeitspezifische Dieselbedarfskalkulation bei landwirtschaftlichen Arbeiten Landtechnik 59 2004 H 1 S 38 39 Renius K Th und R Resch Motoren und Getriebe bei Traktoren In Matthies H J und F Meier Herausgeber Jahrbuch Agrartechnik Yearbook Agricultural Engineering Band 15 Frankfurt 2003 S 50 55 Diedrich F Neue Abgasgesetzgebung f r Dieselmotoren in mobilen Maschinen und Traktoren in Europa und den USA In Matthies H J und F Meier Herausgeber Jahrbuch Agrartechnik Yearbook Agricultural Engineering Band 17 Frankfurt 2005 S 25 30 Brennd rfer M Biodiesel Perspektiven Landtechnik 59 2004 H 6 S 340 341 Allen C A W and K C Watts Comparative analysis of the automatization characteristics of fifteen biodiesel fuel types Trans ASAE 43 2000 H 2 S 207 211 Canakci M and J H Van Gerpen Comparison of engine
179. n 100 und 100 zu erhalten da sich sonst bei blockiertem Rad ein Schlupfwert von ergeben w rde Die Kurve bleibt bei dieser Fallunterscheidung stetig und differenzierbar Im PKW Bereich wo vornehmlich Bremsschlupf betrachtet wird werden auch die relativ kleinen auftretenden Triebschlupfwerte mit der Bremsschlupfdefinition berechnet da der Definitionsunterschied bei Schlupfwerten von unter 5 Abweichungen von weniger als 3 verursacht S hne untersucht vornehmlich den Einfluss der Reifengr e auf Tragf higkeit und Trieb kraftverm gen 93 Es wirken sich sowohl die Breite als auch der Durchmesser positiv auf die Triebkraft aus auch niedrige Luftdr cke sind von Vorteil S hne versucht den Schlupf genauer zu beschreiben indem er die Anteile Reifen und Stollendeformation horizontale Bodendeformation und Gleiten in der Kontaktfl che definiert Die vertikale Bodenverfor mung entspricht dem Rollwiderstand Dies kann sich jedoch lediglich auf den von Grecenko 94 definierten u eren Rollwiderstand beziehen Die anschauliche in Bild 7 dargestellte Aufteilung des Schlupfes erkl rt die Verluste gut allerdings wird diese nicht f r Berechnun gen verwendet da sich die Anteile messtechnisch nicht erfassen lassen 30 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht Max Umfangskraft Triebkraft CO Reifen und Stollendeformation horizontale Bodendeformation 3 Gleiten in der Kontaktfl
180. n be ER EE 43 IR EE 43 3 6 FAHRSTRATEGIEEN ana HE deg 45 3 6 1 Motor Geiniebe Management suisse 45 3 6 2 Schleppermanagement NEE 46 Inhaltsverzeichnis 30 3 Leitlhinienplanun ae le EE 47 3 6 4 Allradantrieb und Ditferenzioleperren nenne 48 3 7 LEISTUNGSBEDARF DER ANBAUGERATE 1 innen 50 3 7 1 Zugleistungsbedarf der Anbauger te dee ae 50 3 7 2 Modellans tze f r den Zuskraftbedarf nasse He 51 3 7 3 Leistungsabnahme ber Zapfwelle und Fahrzeughydraulik 53 3 8 ZUORDNUNG VON SCHLEPPER UND GER T un 54 3 9 BESONDERHEITEN BEI SELBST FAHRENDEN ARDEITSMASCHINEN 55 3 10 KRAFTSTOFFVERBRAUCH AUBERHALB DER HAUPTaEIT 56 ENTWICKLUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS MODELLG 000 57 4 1 AUFBAU DES FAHRZEUGMODEEIS sans rauen 57 4 2 FAHRZEUGGEOMETRIE UND RAD ASTVERTEIL UNO 60 AS REFEN BODEN MODEL Doi essen ahnen E Eea 66 4 3 1 Beispielrechnungen f r das Reiten Boden Modell 74 43 2 M lti Pass Effekt sanrio E ae E ETETE EN 76 AA EE ER E RE 77 4 4 1 Drehwiderstandslinien der R der ccccccceccessceseeeseenseeseeeeeunecusecusesseeeseneeeeeenaes 77 BAZ Endantriebe degen Nee A 79 4 4 3 Differenzialgetriebe und Differenzialsperren c ccccccccecceesceeeseeeeeeeeeenseentesenees 80 4 4 4 Gleichungssystem f r den Anutriebeetrang 83 4 5 AGE TRIEBEMODE LD ois nee ein 86 4 0 IMOTORKENNPEED 22 RB 88 4 7 VALIDIERUNG DES FAHRZEUGMODELLS3iis ss 0scceseesscostsence dnsessncecesacenie
181. n Ackerschlepper eingebaut werden zum Teil aber bereits bei der Ermittlung des Kennfeldes ber cksichtigt Der Leistungsbedarf der einzelnen Komponenten ist stark motorleistungsabh ngig und fahrzeugspezifisch unter schiedlich er liegt insgesamt zwischen 2 und 10 der Motornennleistung Da die Motor kennfelder h ufig an der Zapfwelle bei eingebautem Motor gemessen werden ist in diesen der Wirkungsgradverlust bzw Mehrverbrauch durch die Nebenaggregate bereits enthalten insofern diese im Arbeitseinsatz des Schleppers den gleichen Leistungsbedarf haben wie bei der Motorleistungsmessung Au erdem muss der Zapfwellenwirkungsgrad gemessen oder gesch tzt werden um das Kennfeld bezogen auf die Getriebeeingangsleistung zu erhalten Um die einzelnen Nebenaggregate f r den Kraftstoffverbrauch korrekt zu ber cksichtigen m ssen Aussagen zu diesen getroffen werden W hrend die K hlwasserpumpe im Dauerbe trieb bei Nenndrehzahl eine konstante Leistung ben tigt schaltet der Viskol fter temperatur abh ngig zu Folglich ergibt sich bei hohen Au entemperaturen und langsamer Fahrt eine Mehrleistung f r den Viskol fter auf die Gesamtzeit verteilt ist diese allerdings relativ ge ring Die Lichtmaschine erfordert eine ladestromabh ngige Leistung von ca 4 kW die wie derum vom elektrischen Leistungsbedarf des Schleppers abh ngt So ist bei eingeschalteter Beleuchtung des Fahrzeugs der Verbrauch hierdurch etwas gr er dieser Anstieg ist vergli
182. n Allradschlepper zeigen schon aufgrund der schwereren Vorderachse eine gleichm igere Gewichtsverteilung die auch f r den universellen Einsatz des Schleppers zum Stra entransport bei optimaler Lenkbarkeit vorteilhaft ist F r diese Schlepper bringt der Allradantrieb je nach Zugkraft Wirkungsgradvorteile gegen ber hinterradgetriebenen Schlep pern wie in Bild 39 gezeigt Zur Bestimmung dieses Vorteils muss allerdings auch die H he des Zug Angriffspunktes ber cksichtigt werden da die Achslastverlagerung dabei eine ent scheidende Rolle spielt 80 eem ot Allradantrieb Z eh EE z is 60 i x oc F 2 cS Hinterradantrieb i E Zugpunkth he 30 cm un 60 cm DS 90 cm D ES 20 Ze Schlepper Nr 1 a Boden Nr 5 v 5 km h 0 10 20 30 40 kN 50 Zugkraftbedarf Fe ug Bild 39 Unterschiedlicher Wirkungsgrad von hinterrad und allradgetriebenen Acker schleppern in Abh ngigkeit von der Zugkraft bei unterschiedlich hohen Zugangriffspunkten Schlepper Nr 1 Boden Nr 5 v 5 km h Parameter aus Tabellen A2 bis A4 114 Ergebnisberechnungen Dabei wird deutlich dass das Zuschalten des Allradantriebs gr ere Vorteile bringt umso niedriger der ger tespezifische Zugangriffspunkt liegt Dies gilt nat rlich insbesondere f r Schlepper die von der Geometrie her auf das Arbeiten mit Allradantrieb ausgelegt sind Die nahezu deckungsgleichen Wirkungsgradkurven bei zugeschaltetem Allradantrieb
183. n Drehmo ment Mm und Drehzahl nm wie in Gleichung 3 angegeben werden 2 me My m Mie 2 ms nu my ny 0 3 20 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht Um die optimale Arbeitskurve einem Motormanagement zug nglich machen zu k nnen folgt aus dieser quadratischen Gleichung das optimale Drehmoment Mop in Abh ngigkeit von der Motordrehzahl ny wie in Gleichung 4 dargestellt M m fm 8 m m m m ny 4 opt 4 m Auch Rinaldi verwendet Gleichung 2 zur N herung der Messpunkte 72 Der verfolgte Ansatz ist die Reduzierung der Vielzahl von Messwerten zur Bestimmung des Motorkennfel des auf die Punkte der Volllastkurve zuz glich weniger Messpunkte im Teillastbereich wie sie beispielsweise von den Messzyklen der FAT oder aus dem ISO Test zur Verf gung ste hen Bild 2 Trotz der reduzierten Anzahl von Messpunkten zeigt Rinaldi nahezu identische Parameter f r die N herungsgleichung wie bei der Nutzung von insgesamt 100 Punkten gleichm ig verteilt ber das Motorkennfeld Auch Brunnhuber f hrt eine genaue Messung eines Motorkennfeldes durch und n hert die Gleichung einerseits an alle Punkte und anderer seits an wenige ausgew hlte Punkte vergleichbar mit denen Rinaldis um die Unterschiede bei den N herungen zu ermitteln 73 Dabei zeigt sich jedoch eine bessere bereinstimmung f r die gr ere Anzahl von Punkten Die Unterschiede bei der bereinstimmung sind abh n gig vom
184. n Kraftstoffverbrauch 128 5 6 3 Wahl des richtigen Ganges nennen 130 5 7 UNTERSCHIEDLICHE FAHRZEUGKONZEPTE u a 132 5 8 EINFLUSS VON STEIGUNGEN u a nes 132 5 8 1 Einfluss des Hanges E 132 5 8 2 Einfluss von Steigungen und Gang bei Atrafeniohrt 135 5 9 EINFLUSS VON BODEN AUF DEN KRAFTSTOFFVERBRAUCH ssssseseesereresrsrreresrereeree 136 5 10 EINFLUSS DER ABMESSUNGEN DES REIFENS UND DES REIFENLUFTDRUCKS 138 SAL GEN Le TENZIA EE 139 VEREINFACHTE BERECHNUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHES 141 6 1 DAS KTBL BERECHNUNGSVERFAHREN nungen 141 6 2 __VEREINFACHTES BERECHNUNGSVERFAHREN FUR VERBRAUCHSWERTE es eseeeee 142 6 2 1 Vereinfachende Annahmen zur Verbrauchsberechnung non0sn0snnsnnennenaaaane 143 6 2 2 Einfluss der Gesamunasseista E a saa ERS u 143 6 2 3 Einfluss des Laufwerks und des Zugtratibecdoarts 144 VI Inhaltsverzeichnis 624 DerAntriebsstkang ne Eh 146 0 2 5 Motorleistung durch Zug und Nebenleistung ccccccccccceecseceseseeeeetseeeseeeneeenes 147 6 2 6 Ermittlung des spezifischen Kratftstotfverbroauches nee 148 0 2 74 DErKrafisioffverbrauch EEN 149 6 3 M GLICHKEITEN UND EINSCHRANKUNGEN DES VEREINFACHTEN MODELTS 151 6 4 BERECHNUNG VON VERBRAUCHSWERTEN F R VERSCHIEDENE ARBEITEN 152 6 5 KRAFTSTOFFVERBRAUCH BEI VERSCHIEDENEN PRODUKTIONSKETTEN ssssceeeee 155 6 6 ENSPAR NGSPOTENZ A a a a E E a a EEE 156 T FAZIT UNDAUSBLICK edtekgsg
185. n das Triebkraftverhalten jedes Rades und die Werte des An triebsstrangs Allradantrieb Differenzialsperren usw bekannt sein Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 65 Die Kenntnis der Seitenkr fte ist sowohl f r die Bestimmung des Wirkwinkels y der y z Kraft auf die Vorderachse als auch f r die M glichkeit der Ber cksichtigung der jeweiligen Ver schiebung der Radaufstandspunkte in seitlicher Richtung notwendig Es wird das Kr fte gleichgewicht in y Richtung und das Momentengleichgewicht um die z Achse aufgestellt Gier Momente KEE Fey thy Pay Fay Fy 0 39 YM Foy lex Fax ley Fry py Fps ly 40 Fix diy Fay day D Iss Fax las Fiy Ir 75 I 3 d E ax 0 Eine Aussage ber die Verteilung der Seitenkr fte zwischen der linken und rechten Seite des Schleppers ist f r die vereinfachende Annahme m glich dass sich die Seitenkr fte proportio nal zur Radlast verteilen Fiy Foz Foy Fiz 0 41 Pa Faz Fay P32 0 42 Nach L sen dieses Gleichungssystems siehe Gleichung A6 bis A8 im Anhang sind damit neben den Aufstands und Zugkr ften auch die Seitenkr fte am Einzelrad in erster N herung bekannt Der Winkel y f r die Vorderachse l sst sich nun durch das Verh ltnis von der Sum me der Seitenkr fte vorne zur Summe der Radlasten vorne nach Gleichung 43 bestimmen Le F4 tan y __ Faz Fy 43 Unter der Annahme dass die relativ ge
186. n erh hte Verluste auf Im Feldeinsatz spielen diese Ver luste jedoch eine untergeordnete Rolle und unter normalen Einsatzbedingungen kann der Wirkungsgrad der gesamten Vorderachse mit etwa 95 angenommen werden 3 5 Laufwerk und Ackerschlepperreifen Das Traktionsverhalten der Reifen auf nachgiebigem Boden ist f r den Kraftstoffverbrauch von entscheidender Bedeutung Einerseits sind die Laufwerkwirkungsgrade mit Werten zwi schen 30 und 80 vergleichsweise niedrig 88 andererseits schwanken sie je nach Ar beitsbedingungen sehr stark Daher war das Reifen Boden Verhalten in der Vergangenheit Gegenstand zahlreicher Untersuchungen Bereits in den 30er Jahren f hrte Meyer Untersu 28 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht chungen zum Rollwiderstand bei Ackerwagen durch Bild 6 links 89 90 Mit zunehmen der Mechanisierung der Landwirtschaft und der damit verbundenen st rkeren Verbreitung von Ackerschleppern als Zugmaschinen gewann auch das Triebkraftverhalten der R der an Bedeutung Ersten Messungen folgte die Darstellung und Interpretation der Ergebnisse an hand von radlastbezogenen Kurven f r die Triebkraft und den Rollwiderstand Bild 6 rechts 48 91 Die zahlreichen folgenden Messungen dienten als Grundlage f r die Entwicklung von Vorhersagemodellen die in Kapitel 3 5 2 beschrieben werden Holzrad s tahlrad Luftreifen Ra 7 100 120000 1025 1225220 850 780 E 1200 1900 100 Afs Seat Wem
187. n the model The new model was implemented into the software Matlab to determine fuel consumption for different agricultural work and defined parameter variations The calculated values were compared to the results of field tests with a special equipped tractor at the University of Hohenheim to validate the model The model was used to investigate the influence of numer ous influencing parameters the effect on fuel consumption was shown and optimization strategies were developed The saving potential by the optimization of the working process is up to 30 for different implements depending on the current state For this purpose the tractive efficiency must be maximized by the correct weight of the tractor and the correct tyres tractor and implement must be adjusted ideal four wheel drive and differential locks must be used if necessary and 162 Summary the transmission ratio must be chosen to run the engine close to the optimum working point with the optimum engine load Besides the process optimisation it is important to deliver standard values for the fuel con sumption for different working operations and production chains for the practical use For the presented model a large number of parameters has to be determined thus it is of limited use to calculate standard values Furthermore it is too accurate for those calculations Therefore the model was used to obtain simplified equations for a quick and simple calculation of fuel
188. n werden neben der Volllast und der Abregelkennlinie auch die Linien gleichen Kraftstoffverbrauchs dargestellt so dass alle f r den Verbrauch relevanten Daten aus einem Schaubild abgelesen werden k nnen Eine bersicht ber das grunds tzliche Motorenverhalten gibt Schulz 65 67 Dabei geht er neben den technischen Ursachen f r die Form der Volllastkurve und der Linien gleichen Kraftstoffverbrauchs Mu scheldiagramm auch auf die Auswirkungen unterschiedlicher Charakteristika f r verschiede ne landwirtschaftliche Einsatzgebiete ein Neben den genannten Kennfeldern sind Darstellun gen anderer Emissionen wie HC CO oder NO in vergleichbarer Darstellung seltener ge nutzt grunds tzlich aber genauso m glich 34 68 Eine Betrachtung des Kennfeldes ist auch f r die Modellierung des Motors bez glich des Wirkungsgrades sinnvoll So kann anhand von Gleichungen bei bekannter Drehzahl und Auslastung der Wirkungsgrad bzw der spezifische Verbrauch berechnet werden Zwar ist f r die Optimierung des Verbrennungsprozesses auch eine genaue Modellierung der Vorg nge im Motor m glich 69 allerdings sind solche Modelle f r Motoren sehr komplex und von der Kennfeldsteuerung abh ngig so dass die Aussagen kaum verallgemeinerbar sind Daher werden in diesem Kapitel die wesentlichen Ans tze zur mathematischen Beschreibung des Kennfeldes aufgef hrt Wang 70 stellt eine Gleichung zur Darstellung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs bem in Ab
189. nabh ngigkeit ausgegangen Anhand zahlreicher Beispiele zeigt Steinkampf Grunds tze des Reifenverhaltens auf 97 98 macht jedoch keine Ans tze f r Modellgleichungen zur Absch tzung der den Messwerten angepassten Parameter a bis c und az bis dz Die einmalige Menge an ver ffentlichten Mess ergebnissen ist allerdings f r die Reifenmodellierung von gro em Nutzen wie in Kapitel 4 3 gezeigt wird Der Laufwerkwirkungsgrad mn f r ein einzelnes Rad berechnet sich nach Gleichung 12 aus Triebleistung und Nabenleistung Pr Foe N Trieb _ x y 12 PNabe M Nabe Nabe Nach Umformung dieser Gleichung l sst sich der Laufwerkwirkungsgrad auch anhand der Beiwerte und p und des Schlupfes o berechnen Gleichung 13 EE l 0 13 K p F r das Gesamtlaufwerk kann der Wirkungsgrad aus der Zugleistung Pzus Summe der jewei ligen Triebleistung von jedem einzelnen Rad und der Nabenleistung Pyape aller angetriebenen R der berechnet werden Pz 1L K 14 K PNabe i i l Dabei kann der Wirkungsgrad der Einzelr der durchaus von diesem Gesamtwert abweichen da wegen unterschiedlicher Raddrehgeschwindigkeiten vorne und hinten ggf auch links und rechts und daraus folgendem unterschiedlichen Schlupf der Wirkungsgrad der einzelnen 32 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht R der verschieden sein kann In Bild 8 wird der Laufwerkwirkungsgrad auf zwei unterschied liche A
190. ndern zeigt die wesentlichen Einflussfaktoren sowie die zugeh rigen Reduktionspotenziale und gibt Hinweise f r verbrauchsminimiertes Fahren 50 Vorrangig nennt er die Optimierung des Laufwerkwir kungsgrades durch richtige Bereifung und die hohe Auslastung des Motors durch richtige Kombination von Schlepper und Ger t Auch Steinkampf stellt hnliche berlegungen mit vergleichbaren Aussagen an 51 und weist auf fehlende Daten im Bereich der selbstfahren den Arbeitsmaschinen hin Kutzbach zeigt ein Berechnungsverfahren welches zur Minimierung des Arbeitsbedarfs zum Bearbeiten einer Fl che dient 52 Dabei werden der Zugwiderstand der Ger te und das Laufwerksverhalten f r unterschiedliche B den untersucht In den resultierenden bersichts bildern wird der Vorteil von langsamer Fahrt mit breiten Ger ten deutlich der sich insbeson dere durch die k rzere Fahrstrecke auf dem Feld und folglich geringerer Rollarbeit begr ndet Harnisch stellt ein detailliertes Fahrzeugmodell f r Milit rfahrzeuge vor mit dem auch der Leistungsbedarf und der daraus folgende Verbrauch nachgebildet werden k nnen 53 Es ist allerdings vorrangig zur Nutzung in Fahrsimulatoren entwickelt worden und daher nur einge schr nkt zur Untersuchung von einzelnen Einflussfaktoren auf den Kraftstoffverbrauch geeig net Das zugrunde liegende Reifenmodell ist in Kapitel 3 5 2 n her beschrieben Ein weiteres Modell zur Verbrauchsberechnung st tzt sich auf stark
191. ndlagen dieser Schlepperkomponenten gegeben werden Anhand dieser Kennt nisse soll ein detailliertes Modell sowohl zur Berechnung des Kraftstoffverbrauchs als auch f r die Untersuchung von Einzelkomponenten wie Laufwerk oder Antriebsstrang erstellt werden Es soll das Einsparungspotenzial durch einzelne Ma nahmen sowie bei einem Ar beitsgang und schlie lich bei einer gesamten Produktionskette abgesch tzt werden Des Wei teren sind Optimierungsstrategien zur Verbrauchsminimierung zu erstellen Bei allen Ver nderungen an dem System Ackerschlepper ndern sich nicht nur der Kraft stoffverbrauch und damit die CO2 Emissionen es treten auch externe Effekte auf die sich auf die Schlepper und Maschinenkosten den Arbeitszeitbedarf durch pflanzenbauliche Einfl sse 2 Einleitung und Ziel der Arbeit auf den Ertrag oder schlie lich auf die Umwelt auswirken Obgleich in dieser Arbeit die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs im Vordergrund steht d rfen diese Effekte nicht vernachl ssigt werden In Tabelle 1 wird eine beispielhafte bersicht ber gegebenenfalls verbrauchsmindernde Ma nahmen und die Auspr gung m glicher externer Effekte gegeben Tabelle 1 Externe Effekte und deren Auspr gungen bei unterschiedlichen Ma nahmen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs Auswirkungen Ma nahme Externer Effekt Kosten Ertrag Umwelt Gr ere Gesamtmasse Bodenverdichtungen o o Langsam
192. ne N herung mit einem Polynom zweiten Grades erfolgen Gleichung 92 stellt den spezifischen Verbrauch bei Nenndrehzahl in Abh ngigkeit von der Motorauslastung dar 2 bem am 420 Tia 160 Fuer 92 Nenn Nenn Dabei handelt es sich vornehmlich um alle Zapfwellenarbeiten Transportarbeiten und Arbeiten von Erntemaschinen bei denen normalerweise keine M glichkeit zur Drehzahlab Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 149 senkung besteht Die Kurven der beiden Gleichungen sind in Bild 58 dargestellt Auch hier wird der erhebliche Vorteil angepasster Motordrehzahl insbesondere im Teillastbereich sicht bar 500 o g S kWh bel Nenndrehzahl Q 5 200 Z S o 200 optimale Arbeitskurve x n 100 oO Q N 0 0 25 50 75 100 Motorauslastung Even P Nenn Bild 58 Spezifischer Kraftstoffverbrauch in Abh ngigkeit von der Motorauslastung Die Abweichung der beiden Kurven bei voller Motorauslastung ist durch den Konstantleis tungsbereich bei dem gro en Drehmomentanstieg des Motors zu begr nden So wird auf der optimalen Arbeitskurve die volle Motorleistung bereits unterhalb der Nenndrehzahl bei gerin gerem spezifischen Verbrauch bem erreicht 6 2 7 Der Kraftstoffverbrauch Der zeitbezogene Kraftstoffverbrauch in der Hauptzeit By berechnet sich nach By bem i Pylotor 93 und bezogen auf die Fl che ergibt sich E EEN 150 Vereinfachte Berechnung des Krafts
193. ngen und auf Basis der KTBL und FAT Werte be stimmt Die Ergebnisse f r unterschiedliche Arbeiten und Produktionsketten zeigen gute bereinstimmung mit gemessenen Verbrauchswerten Ebenso kann deutlich der Einfluss von der Schlaggr e oder der Feldentfernung auf den Verbrauch gezeigt werden Das Einsparungspotenzial durch Umstellung der Produktionskette z B auf Minimalbodenbe arbeitung ist erheblich dennoch sind die pflanzenbaulichen Auswirkungen gro die wieder um betriebswirtschaftliche Folgen haben Da solche externen Effekte kaum abgesch tzt wer den k nnen sind Aussagen zur Ver nderung der Produktionskette zur Reduzierung des Kraft stoffverbrauchs f r den Einzelfall zu berpr fen Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs wird in Zukunft aus den genannten Gr nden noch weiter an Wichtigkeit gewinnen Gerade deshalb wird den verschiedenen Einsparungsstrate gien eine gr er werdende Bedeutung zukommen um landwirtschaftliche Arbeiten diesbe z glich zu optimieren Der gezeigte Ansatz kann genutzt werden um Einsparungspotenziale aufzuzeigen Optimierungsstrategien zu entwickeln und Verbrauchswerte f r die verschie densten Arbeiten abzusch tzen Summary 161 9 SUMMARY Agricultural tractors are currently almost exclusively driven by diesel engines By rising fuel prices and growing ecological awareness concerning CO emissions and preservation of fossil fuel resources the importance of fuel consumption has been
194. nm glich machen Vergleichbare Ans tze wurden von verschiedenen Autoren ver folgt 188 189 Untersuchungen zu rotierenden Bodenbearbeitungsger ten mit senkrechter Welle wie beispielsweise Kreiseleggen liegen nicht vor Zur Absch tzung des Leistungsbe darfs dieser Ger te als Grundlage f r Modellrechnungen muss folglich auf die Faustzahlen vom KTBL 190 zur ckgegriffen werden 3 8 Zuordnung von Schlepper und Ger t F r den Kraftstoffverbrauch sind nicht allein die Wirkungsgrade der Einzelkomponenten entscheidend sondern ebenso das Zusammenspiel aller Komponenten Dieser Effekt wird besonders bei der Zuordnung von Schlepper und Ger t deutlich So ist es offensichtlich dass ein sehr gro er Schlepper mit einem extrem kleinen und damit auch leichtz gigen Ger t durch die gro e Leistung f r die Eigenbewegung ebenso unwirtschaftlich arbeitet wie im umgekehrten Fall wenn der Schlepper das Ger t kaum ziehen kann und daher mit gro em Schlupf arbeitet Eine genauere Untersuchung der Fragestellung nach der optimalen Zuord nung von Arbeitsbreite und Schlepperleistung wurde von Kutzbach durchgef hrt 52 Dazu werden die bekannten Gleichungen der Fahrmechanik ausgewertet und Berechnungen f r drei unterschiedliche Kraftschlussverh ltnisse zwei Werte f r den Zugkraftbedarf und Grubber und Pflugeinsatz untersucht Es zeigt sich dass die optimale Kombination von Arbeitsbreite und Fahrgeschwindigkeit erheblich von den Bodenbedingungen abh n
195. ntergrund weichen die berechneten Ergebnisse teilweise stark von Messungen des Triebkraftverhaltens im Feld ab Auch die zu bestimmenden Eingangsparameter unterschei den sich schon ber geringe Distanzen und bei mehreren Wiederholungen deutlich was eine hohe Anzahl an Tests f r die Vorhersage des Triebkraftverhaltens erforderlich macht Korlath 127 nutzt ebenfalls Bekkers Druck Einsinkungs Beziehung um Aufstands und Zugkr fte zu berechnen Er f hrt Berechnungen f r geradlinige Gel ndefahrten durch und gibt die ben tigte Zeit und Fahrgeschwindigkeit in Abh ngigkeit von Fahrzeug und Bodenpa rametern an Verglichen mit Harnischs Modell ist dieser Ansatz deutlich weniger komplex Osetinsky und Shmulevich 128 treffen die Annahme eines parabelf rmigen Verlaufs des senkrechten L ngsschnitts durch die Aufstandsfl che um den Verlauf der Zug und Auf standskr fte zweidimensional zu beschreiben Daraus werden die Triebkr fte f r ein gebrems tes oder angetriebenes Rad berechnet wobei sich f r den gebremsten Zustand doppelt so gro e Bremskr fte wie Triebkr fte bei angetriebenem Rad ergeben Die Validierung mit Messergebnissen erfolgt nur f r das angetriebene Rad Andere Messungen zeigen zwar auch ein unterschiedliches Niveau der maximalen Brems und Triebkr fte 96 allerdings nicht in dem von Osetinsky und Shmulevich berechneten Ausma Analytische Modelle suchen Vorhersagen f r die Druckverteilung in der dreidimensionalen Au
196. ob ber eine halbe Umdrehung station re Bedingungen erreicht werden bleibt offen Shmulevich entwickelt am Institut f r Agrartechnik in Haifa Israel eine Einzelradmessein richtung f r landwirtschaftliche Reifen 104 105 Mit dieser mobilen Messeinrichtung k n nen Reifen bis 2m Durchmesser 50 kN Radlast und einem Antriebsmoment von 31 kNm belastet werden Dabei werden Zug und Seitenkr fte sowie das Antriebsmoment gemessen um das Traktionsverhalten zu beurteilen Es werden bei Untersuchungen zum Einfluss des Bodens der Fahrgeschwindigkeit und des Luftdrucks Vorteile f r niedrige Luftdr cke auf verschiedenen B den gezeigt Des Weiteren konnte f r kleine Geschwindigkeiten unter 0 5 km h deutlich besseres Traktionsverhalten gegen ber hohen Geschwindigkeiten von 15 km h gezeigt werden 106 3 5 2 Triebkraftmodelle Die Thematik der Zugkraftvorhersage erreichte in den 80er und Anfang der 90er Jahre einen H hepunkt in zahlreichen Publikationen wurden die unterschiedlichsten Ans tze schrittweise weiterentwickelt Im Mittelpunkt der heutigen Reifenuntersuchungen stehen neben dem r ck l ufigen Interesse an der Zugkraft bertragung die Aufnahme von Seitenkr ften und das dy namische Reifenverhalten welches f r immer schnellere Transportarbeiten auf der Stra e weiter an Bedeutung gewinnt Zahlreiche Untersuchungen hierzu wurden mit der Hohenhei 34 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht mer Einzelr
197. onalen und internationalen Tagun gen vorstellen und diskutieren zu k nnen brachten viele Anregungen f r diese Arbeit und waren f r mich pers nlich eine wertvolle Erfahrung Ganz besonders danke ich Professor Haas f r die Durchsicht der Arbeit und die bernahme des Mitberichtes Nicht nur ber das Institut f r Agrartechnik sondern auch ber das Graduiertenkolleg Kli marelevante Gase wurde mir in meiner Zeit in Hohenheim die M glichkeit gegeben im Rahmen von Tagungsteilnahmen Exkursionen und Blockveranstaltungen ein umfassendes Wissen auch ber den rein technischen Bereiches hinaus zu erlangen Allen die zu den er folgreichen Veranstaltungen des Graduiertenkollegs beigetragen haben gilt mein herzlicher Dank Besonders m chte ich mich bei allen Kolleginnen und Kollegen am Institut bedanken Die zahlreichen Diskussionen brachten viele L sungsans tze f r die unterschiedlichsten Heraus forderungen im Rahmen der Arbeit Dank der guten Zusammenarbeit und des sehr angeneh me Arbeitsklima behalte ich die Zeit im Institut in sehr positiver Erinnerung Danken m chte ich auch meinen Eltern f r alles was sie mir erm glicht haben und f r die Unterst tzung w hrend meiner Zeit in Hohenheim Meiner Frau Julia danke ich f r die Unter st tzung beim Korrekturlesen sowie die Geduld und R cksichtsnahme bei der Erstellung der Arbeit Marktoberdorf im Mai 2006 Matthias Schreiber Inhaltsverzeichnis H INHALTSVERZEIC
198. r 5 G 2 LS 4 E O gt P Q a 1 gt a 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 kN 35 Zugkraft Fe Bild 42 Verbrauchsunterschiede zwischen offenem und voll gesperrtem Vorderachsdiffe renzial in Abh ngigkeit von der Zugkraft Schlepper Nr 1 Boden Nr 5 v 5 km h Parameter aus Tabellen A2 bis A4 118 Ergebnisberechnungen Es zeigt sich der erst bei gro en Zugkr ften und extremer Schr glage nennenswert ansteigen de Kraftstoffverbrauch F r normale Feldbedingungen bei unter 5 Schr glage ist der Mehr verbrauch von minimaler Bedeutung Bei Selbstsperrdifferenzialen sind die Verbrauchsunter schiede zum voll gesperrten Differenzial noch erheblich kleiner lt 0 2 auf eine genauere Betrachtung wird daher verzichtet Es kann ohne nennenswerten Fehler das Selbstsperrdiffe renzial in der Vorderachse bei Ackerschleppern wie eine Klauensperre betrachtet werden wenn es um Wirkungsgradberechnungen geht Diese Erkenntnis wird auch f r die vereinfach ten Berechnungsgleichungen in Kapitel 6 genutzt 5 3 Arbeitsbreite und Fahrgeschwindigkeit Der Einfluss von Arbeitsbreite und Fahrgeschwindigkeit wurde bereits von Kutzbach 52 untersucht wobei die Tendenz zu breiteren Ger ten mit geringer Geschwindigkeit zur Opti mierung des Kraftstoffverbrauchs und der Fl chenleistung festgestellt wurde Die Untersu chung dieses Zusammenhangs ist ein gutes Beispiel f r das kombinierte Schlepper und Ger temodell Es wir
199. r cksichtigen wird f r den Feldumfang Ur eine durchschnittliche berlappungsbreite von AX ber 2 m angenommen Dieser Wert wird zwar auch von der Ger tebreite beeinflusst allerdings ist eine genauere Bestimmung auch bei bekannter Schlagform und Art des Ger tes aufgrund der Fahrerabh n gigkeit nicht m glich Der anteilige Mehrverbrauch By kann in Abh ngigkeit vom Umfang gegen ber dem theoretischen Verbrauch zum Bearbeiten der Fl che angegeben werden Es ergibt sich die Gleichung 76 _ A iveri _ Up Ax CHE e Ar F berl 76 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 99 4 10 2 Verbrauch zum Wenden Um den Kraftstoffverbrauch beim Wenden zu bestimmen muss zun chst die Anzahl der Wendevorg nge bestimmt werden Da die Bearbeitung des Vorgewendes in der Regel von au en nach innen um das Feld erfolgen kann und sich die 90 Drehungen dabei als halbe Wendevorg nge ber cksichtigen lassen berechnet sich die Anzahl der Wendevorg nge Zwende nach b ZWende 7 Se 77 G Lediglich bei extrem unf rmigen oder abgerundeten Feldern weicht sie davon ab Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist dass die Feldbreite gut in Abh ngigkeit von der Fl che abge sch tzt werden kann und in der Regel Werte zwischen OT Sb 2 Dr 78 annimmt F r die verallgemeinerbaren Darstellungen wird mit quadratischen Feldern gerech net Dabei ist sowohl der Vorteil von langen und schmalen als auch der Nachteil von nicht rechteckig
200. r t entspricht Diese Abh ngigkeit der Schubspannung t von dem Scherweg j wird mit Gleichung 16 dargestellt wobei die Beiwerte K und K das spezifi sche Verhalten des Bodens beschreiben 2 2 pes a tan eek 1 Ke _ Ken 1 lei Ge max Daraus kann die gewichtsbezogene Zugkraft nach Gleichung 17 berechnet werden wobei sich alle Eingangswerte aus physikalisch messbaren Gr en ergeben Die L nge lg der Kon taktfl che Ax muss gesch tzt die Koh sion c und der innere Reibwinkel des Bodens ge messen oder aus Tabellen mit Erfahrungswerten ermittelt werden olk F A K Es ans A 1 17 F F GJ zZ Aufbauend auf Bekkers Arbeiten stellt Sch ring 114 die Mechanik zwischen Rad und Bo den zusammenfassend dar und erl utert insbesondere die bis dahin vorliegenden Berech nungsgleichungen zum Rollwiderstand Die vorliegenden Gleichungen geben den Rollwider stand als Funktion der relativen Einsinktiefe f r unterschiedliche Heckwinkel und Bodenarten an Ferner werden verschiedene Rad Boden Modelle diskutiert die alle in Form von Elemen tarplattenmodellen die Schubspannung in Abh ngigkeit des Scherwegs angeben und ber den Aufstandswinkel integrieren um daraus das Triebkraft Schlupf Verh ltnis zu berechnen 36 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht Schlussfolgernd stellt Sch ring jedoch all diese Ans tze in Frage da sie entweder zu einfach sind um extremen Schlupfwerten zu
201. r Antriebs strang nicht voll ausgelastet ist wird diese als Power Boost bezeichnete Zusatzleistung genutzt Das ist m glich da die Motoren aufgrund des geforderten Konstantleistungsbereichs bei hohen Drehzahlen elektronisch begrenzt sind und so die maximale Leistung ber die Motorsteuerung zeitweise verf gbar gemacht werden kann Der Kraftstoffverbrauch von Motoren wird stark durch die Auslastung des Motors und den Betriebspunkt im Motorkennfeld beeinflusst Die durchschnittliche Auslastung der Schlep permotoren ber die gesamte Laufzeit ist relativ gering Eine Umfrage in Baden W rttemberg ergab f r Gr nland und Ackerbaubetriebe nur Werte zwischen 11 und 32 64 Dazu wurde der Jahreskraftstoffverbrauch auf die Gesamteinsatzzeit der Schlepper und die vorhan dene Schlepperleistung bezogen Die geringen Auslastungen begr nden sich daher einerseits durch den gro en Anteil an Leerlaufbetrieb Auslastung lt 3 und durch die f r manche Arbeiten ben tigte Maximalleistung die f r den Einsatz eines Schleppers auf dem Betrieb 18 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht entscheidend ist und folglich f r eine eher zu gro e Motordimensionierung sorgt Beim Schleppereinsatz durch Lohnunternehmer muss von deutlich h heren Auslastungswerten ausgegangen werden da der Schlepper mit optimaler Wirtschaftlichkeit genutzt werden muss 3 3 1 Darstellung des Motorkennfeldes Im Motorkennfeld von Dieselmotore
202. r Hauptzeit Fl chenbezogener Kraftstoffverbrauch in der Hauptzeit Streckenbezogener Kraftstoffverbrauch in der Hauptzeit Zeitbezogener Kraftstoffverbrauch in der Hauptzeit Mobility number Plattenbreite Reifenbreite Wendeverbrauch auf einem Schlag Massenbezogener Wendeverbrauch je Wendevorgang X Formelzeichenverzeichnis Formel Einheit Bedeutung zeichen Bwi br ml m Arbeitsbreitenbezogener Verbrauch je Wendevorgang c N mm Koh sion CI N mm Cone Index Ci N mm Spezifischer Eindringwiderstand dr m Raddurchmesser Fab N Kraft am Punkt a in Richtung b x y oder z siehe Bild 16 Fg N Gewichtskraft des Gesamtfahrzeugs Fe tie N Gewichtskraft auf der Triebachse Fre N u erer Rollwiderstand Fri N Innerer Rollwiderstand Fu N Umfangskraft am Rad Fx N L ngskraft Fy N Querkraft Ez N St tzkraft Fzug N Zugkraftbedarf eines Ger ts Fzug b N m Breitenabh ngiger Zugkraftbedarf eines Ger ts Fzug bt N m cm Breiten und arbeitstiefenabh ngiger Zugkraftbedarf eines Ge r ts G Abk rzung f r Gang in Abbildungen und Bildunterschriften 21 22 Parameter fiir den Getriebewirkungsgrad hyz m Hohe der Hinterachse tiber dem Boden hy m Hohe der Vorderachse tiber dem Boden li bersetzung an der Stelle i siehe Bild 25 im Antriebsstrang j mm Scherweg k N cm Spezifischer Pflugwiderstand K Fest 0 Parameter f r die Oberbodenfestigkeit nach dem berrollen K Fest U Parameter f r die Unterbodenf
203. r a bis d aus Gleichung 44 transformiert wer den um die Triebkraft Schlupf Kurve darstellen zu k nnen und f r weitere Berechnungen nutzbar zu machen Dieses geschieht anhand des in 134 gezeigten Verfahrens Die Steigung 0 wird auf den Hochpunkt der Funktion bezogen es ergibt sich die standar disierte Steigung K sta 0 der Kurve Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 73 Ok max 54 K sta 0 0 p max e Es wird eine Hilfsvariable u eingef hrt die numerisch aus Gleichung 55 berechnet werden kann Ka 0 5 u 1 In w 55 u In w 1 Ausreichend genaue Werte lassen sich allerdings auch mit der gen herten Umkehrfunktion nach Gleichung 56 berechnen In x 0 0 683 a 0 194 56 Anschlie end werden die Parameter a bis d nach den Gleichungen 57 bis 60 berechnet nl Si IE In u 58 O kmax d u b c 53 a b Pe 60 Die so berechneten Parameter k nnen in Gleichung 44 eingesetzt werden um das Trieb kraftverhalten f r definierte Reifen und Bodenbedingungen zu beschreiben Zur Veranschau lichung des Modells sind im folgenden Kapitel 4 3 1 verschiedene Beispielrechnungen darge stellt 74 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 4 3 1 Beispielrechnungen f r das Reifen Boden Modell Um zu veranschaulichen dass auch extreme Annahmen wie alle Werte k 0 oder alle Wer te k 1 zwar extreme jedoch keine unrealistischen Ergebni
204. rbrauch bei Transportarbeiten mit Anh nger bergauf Parameter aus Tabellen A2 bis A4 5 9 Einfluss von Boden auf den Kraftstoffverbrauch Der Boden beeinflusst den Kraftstoffverbrauch erheblich da einerseits die Zugkraft des Ger tes andererseits das Triebkraftverhalten der Reifen stark von Bodenparametern beeinflusst werden Durch kleinr umige Bodenvariationen bei Feldversuchen sind diese Einflussfaktoren nur schwierig zu ermitteln weshalb sie mit dem Modell untersucht werden sollen Die ber tragbarkeit der Absolutwerte in die Praxis kann kritisch sein wenn Abweichungen im Ton oder Feuchtegehalt die G ltigkeit der Modellgleichungen beeintr chtigen Dennoch l sst sich Ergebnisberechnungen 137 sehr gut darstellen in welcher Gr enordnung der Einfluss des Bodens liegt und in welchen F llen Anpassungen am Schlepper beispielsweise durch gr ere Bereifung vorgenommen werden m ssen In Tabelle 13 sind Zugkraft und Verbrauchswerte von jeweils zwei unter schiedlichen B den Bearbeitungszust nden und Bodenbearbeitungsger ten aufgef hrt Tabelle 13 Zugkraft und Verbrauchswerte von unterschiedlichen Ger ten auf verschiede nen B den Schlepper Nr 1 Boden Nr 2 Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Sp SS D eb tc S SIS e l 35 c o DO D Oo O O o O o 3 oO O oO FU SS 28 23 03 2 EE Ze D O D gt D gt O N WwW OF WM e Bewuchs 0 50 0 50
205. rden Brixus verfolgt die Bekker Theorie f r Diagonalreifen weiter 120 Die mobility number B soll als Kennwert f r gutes Triebkraftverhalten dienen Gleichung 19 Einflussgr en sind der Einsinkungsbeiwert oh und das Breiten Durchmesser Verh ltnis beide sowie die Radlast und der Cone Index CI Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 37 bp 1 5 9 a 2 br zl e 19 F Dr 1 3 SA F r den Umfangskraftbeiwert u und den dazugeh rigen Rollwiderstandsbeiwert p erh lt er eine Abh ngigkeit von B welche durch die empirischen Gleichungen 20 und 21 darge stellt werden u 0 88 f1 etn 1 e7750 0 04 20 1 0 55 Godbole 121 integriert in diese Gleichungen Wongs Ansatz der Schubspannungskurven mit lokalem Maximum Au erdem werden die Form der Aufstandsfl che und die Abh ngigkeit von innerer Reibung und Koh sion genauer ber cksichtigt Mit den aufw ndigeren Modell gleichungen erreicht er bessere bereinstimmungen mit den Messergebnissen Durch diese Erweiterungen kann der Ansatz wieder als halbempirisch eingestuft werden Upadhyaya vereinfacht die Gleichungen 9 und 10 von Steinkampf um einen Parameter um seine Messergebnisse an diese anzun hern 101 102 Es folgen die empirischen Glei chungen 22 und 23 zur Darstellung des Triebkraft und des Umfangskraftbeiwerts in Abh ngigkeit vom Schlupf k a l e 22 aas hb A 23 Upadhyaya stellt Zusam
206. rechnungen mit dem vorliegenden Modell dargestellt werden Grunds tzlich ist festzuhalten dass der Kraftstoffverbrauch bei der Feldarbeit entscheidend vom Zugleistungsbedarf abh ngt Somit sind Ger te mit geringerem Zugleistungsbedarf f r den Verbrauch stets vorteilhaft Fortschritte in diesen Bereichen wurden in der Vergangenheit durch optimierte Scharformen beim Pflug Fl gelschargrubber und letztendlich die reduzierte Bodenbearbeitung bis hin zur Direktsaat erzielt Allerdings werden dabei auch unterschiedli che Arbeitsergebnisse erzielt welche nicht zu vernachl ssigende pflanzenbauliche Auswir kungen haben k nnen Daher ist eine Absch tzung des Einsparungspotenzials bei Umstellung der kompletten Arbeitskette nur unter Ber cksichtigung dieser betriebswirtschaftlichen pflanzenbaulichen und kologischen externen Effekte sinnvoll Es stehen deswegen Einspa rungen durch Systemoptimierungen von Schlepper und Ger t die das Arbeitsergebnis nicht oder nur minimal beeinflussen im Vordergrund Dies ist beispielsweise bei der Arbeitsbreite Bereifung Ballastierung des Schleppers oder der Wahl der Fahrstrategie Allrad oder Hinter radantrieb Fahrgeschwindigkeit Gang usw der Fall Viele Schleppereinstellungen machen sich nicht erst im Kraftstoffverbrauch bemerkbar sondern zeigen prim ren Einfluss auf Wirkungsgrade von einzelnen Aggregaten oder Grup pen von Aggregaten Insbesondere Einflussfaktoren auf den Laufwerkswirkungsgrad lassen
207. reits gute Ergebnisse erzielt Weiterhin spricht f r dieses additive Verfahren dass Nachteile bei der Bodenbeschaffenheit beispielsweise durch Vorteile in der Reifengr e tats chlich ausgegli chen werden k nnen da zwischen den Eingangsparametern eine gewisse Unabh ngigkeit besteht Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 71 Eine Ausnahme bei der Linearit t bildet der Einfluss der Feuchte der optimales Triebkraft verhalten bei Werten zwischen 15 und 20 Bodenfeuchte erwarten l sst Daher wird er mit einem Polynom 2 Grades in der Gleichung ber cksichtigt Bild 21 So wird die Auswir kung etwas zu geringf gig bewertet es k nnen aber auch keine unrealistischen Optimalbe dingungen bei extrem trockenen oder feuchten B den als Ergebnis resultieren max maximaler Triebkraftbeiwert suchte 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Parameter f r Bodenfeuchte k Feuchte Bild 21 Maximaler Triebkraftbeiwert in Abh ngigkeit der Bodenfeuchte f r 850 Messer gebnisse Eine weitere Ausnahme diesmal bez glich der gegenseitigen Beeinflussung verschiedener Einflussfaktoren bilden Kontaktfl chengr e und Rollwiderstand Auf weichem Boden ist eine gro e Kontaktfl che durch geringere Einsinkung vorteilhaft w hrend bei hartem Boden der innere Rollwiderstand durch Reifenverformung berwiegt Daher ist in Gl 51 diese gegenseitige Beeinflussung ber cksichtigt Weiteres nicht lineares Verhalten
208. ren Einfluss auf den Bedienkomfort und den Zeitbedarf zum Wenden als auf den Kraftstoffverbrauch und sind deswegen von nachrangiger Bedeutung Eine ausf hrliche Betrachtung zu den Auswirkungen von unterschiedlichen Fahrstrategien bei der Stra enfahrt und der Bodenbearbeitung auf die Motoremissionen wird von Lindgren anhand eines umfassenden Modells vorgestellt 149 Es zeigen sich dabei f r den Kraftstoff Einsparungspotenziale bis zu 14 Au erdem werden Unterschiede der Emissionszusam mensetzung in Abh ngigkeit vom Betriebspunkt des Motors deutlich beispielsweise der Anstieg der Stickoxidemissionen bei abgesenkter Motordrehzahl Dennoch tritt eine weitge hende Korrelation zwischen Kraftstoffverbrauch und den Gesamtemissionen auf 3 6 1 Motor Getriebe Management Der grunds tzliche Vorteil h herer Motorauslastung bei stufenlosen Getrieben wird anhand von Versuchen mit dem M nchner Forschungstraktor gezeigt 150 So konnte beispielsweise mit dem Forschungstraktor beim Pfl gen eine Erh hung der Motorauslastung um 8 auf 92 gegen ber einem simulierten Lastschaltgetriebe erreicht werden Nennenswerte Aus wirkungen auf den Kraftstoffverbrauch lassen sich jedoch erst im Teillastbereich erzielen Dort bestehen zahlreiche Regelungsm glichkeiten f r Ackerschlepper 151 So kann bei nicht ausgelastetem Motor die Drehzahl abgesenkt werden bis ein definierter Grad der Mo tordr ckung erreicht ist So kann der Motor stets nahe dem optimal
209. rhalten sind f r unterschiedliche Zugkraft bedingungen in Tabelle 17 dargestellt Die Annahmen f r gute mittlere und schlechte Bedin gungen sind die Annahmen von Kutzbach 52 gen hert an Steinkampfs Gleichung 9 Der Maximalwert der Kurve f r sehr gutes Triebkraftverhalten wurde anhand von Steinkampfs Messungen festgelegt und der Kurvenverlauf mittels der Parameter b und c an die Form von Kutzbachs Kurven angepasst Auf die genaue Ber cksichtigung von Bodeneigenschaften muss zur Vereinfachung verzichtet werden Die grobe Annahme f r die Qualit t des Trieb kraftverhaltens reicht jedoch zur Berechnung von Faustzahlen aus Die entsprechenden Trieb kraft Schlupf Kurven sind in Bild 57 dargestellt Tabelle 17 Parameter f r das Triebkraftverhalten bei unterschiedlichen Bedingungen a b c Sehr gut 0 68 0 70 10 5 Gut 0 61 0 67 10 0 Mittel 0 54 0 64 9 5 Schlecht 0 46 0 60 9 0 146 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 0 8 0 6 D E 0 4 sehr out he gut r mittel 02 schlecht 0 20 40 60 Schlupf o Bild 57 Triebkraftbeiwert Schlupf Kurven f r unterschiedliche Traktionsbedingungen Anschlie end berechnet sich die Nabenleistung Pnape aus der Zugkraft Fzug der Gewichtskraft Fg dem Rollwiderstandsbeiwert p dem Triebkraftbeiwert o und der Fahrgeschwindigkeit v nach Gleichung 88 v Prabe Foug Fa al 88
210. ringen Seitenkr fte keine Auswirkungen auf das Triebkraftverhalten haben k nnen nun in zweiter N herung die Radkr fte beginnend mit den Gleichungen 33 bis 35 und 38 berechnet werden Bereits dieses Ergebnis liefert sehr gute Werte die in weiteren N herungen lediglich minimale weitere Korrekturen erfahren 66 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 4 3 Reifen Boden Modell Das Reifen Boden Verhalten stellt einen der wichtigsten Einflussfaktoren auf den Kraftstoff verbrauch und gleichzeitig einen der gr ten Ungenauigkeitsfaktoren dar Daher ist die Ab sch tzung dieses Verhaltens von gro er Bedeutung Grunds tzlich lassen sich alle in Kapitel 3 5 2 beschriebenen Modelle zur Vorhersage dieses Verhaltens in das Modell integrieren Da diese jedoch bei der Bestimmung der ben tigten Eingangsparameter meist aufw ndige Mes sungen erfordern wird hier ein neues Reifen Boden Modell vorgestellt welches speziell auf die Problemstellung der Wirkungsgradberechnung im Feldeinsatz angepasst ist Dabei soll das Reifenverhalten anhand weniger leicht mess oder absch tzbarer Parameter bestimmt werden Eine wichtige Forderung ist dabei die Berechnung realistischer Ergebnisse so sollen beispielsweise Triebkraftbeiwerte gr er als 1 ausgeschlossen werden Es wurde ein auf empirischen Gleichungen basierendes Modell erstellt welches anhand einer Vielzahl von Messergebnissen parametrisiert wurde Um den Triebkraftbeiwert und den Rollw
211. rschied noch 5 Insbesondere bei Arbeiten die etwa die halbe Nennleistung des Motors ben tigen ist dieses Einsparungspotenzial gegeben 132 Ergebnisberechnungen 5 7 Unterschiedliche Fahrzeugkonzepte Die Untersuchung verschiedener Fahrzeugkonzepte und der Vergleich selbiger bez glich des Kraftstoffverbrauchs ist zwar grunds tzlich m glich die Ergebnisse sind jedoch kaum aussa gef hig und daher cher irref hrend als aufschlussreich Grunds tzlich unterscheidbare Fahr zeugkonzepte sind beispielsweise Standardschlepper Systemschlepper Knicklenkschlepper Ger tetr ger und im Extremfall sogar Einachsschlepper Diese Konzepte unterscheiden sich insbesondere in Gesamtmasse Achslastverteilung Gr e der Bereifung Bereifungsunter schieden vorne und hinten installierter Motorleistung und verwendetem Getriebe All diese Einflussfaktoren wurden in den vorherigen Kapiteln bereits untersucht und Kriterien zur Optimierung des Gesamtfahrzeugs erl utert Ein optimales Fahrzeugkonzept gibt es folglich nur dann wenn all diese Kriterien ber cksichtigt werden Beispielrechnungen f r Fahrzeug konzepte die sich in vielen der oben genannten Parameter unterscheiden lassen folglich keine bertragbaren Ergebnisse erwarten da es mehr auf die Abstimmung des Fahrzeugs als auf das Grundkonzept an sich ankommt Auf Beispielrechnungen zu diesem Thema wird folglich bewusst verzichtet 5 8 Einfluss von Steigungen Nach der Untersuchung von fahrzeu
212. rsprung des in Bild 16 gezeigten Koordinatensystems befindet sich mittig in der Hinter achse des Schleppers die x Achse liegt in Fahrtrichtung die y Achse nach links beide paral lel zur Bodenebene Folglich ist die z Richtung die Senkrechte zum Boden mit der auch die Radlasten wirken Durch die Indizierung der Kr fte F werden der Angriffspunkt und die Wirkrichtung angegeben Der Index der Momente nicht in Bild 16 dargestellt gibt die Dreh achse an sowie die Indizes der L ngen den Bezugspunkt und die Richtungskomponente des jeweiligen Abstandes zum Ursprung Alle Kr fte und L ngen haben in Richtung der Achsen positive Werte entgegen der Richtung der Achsen negative Werte Dieses Vorgehen ist f r Entwicklung des Krafistoffverbrauchs Modells 61 das Computermodell vorteilhaft da nicht alle Langen und Krafte immer die gleiche Richtung haben So kann beispielsweise die Zugkraft oberhalb oder unterhalb der Hinterachse in schra gem Winkel nach oben oder nach unten angreifen Mit dem genutzten Verfahren lassen sich Fehler an diesen Stellen vermeiden Die Punkte werden wie folgt bezeichnet zus tzlich sind die Koordinaten x y z angegeben Bild 16 Aufstandspunkt des linken Hinterrads Aufstandspunkt des rechten Hinterrads Aufstandspunkt des linken Vorderrads Aufstandspunkt des rechten Vorderrads Angriffspunkt der Gewichtskraft Schwerpunkt Angriffspunkt der Zugkraft Pendelpunkt der Vorderachse
213. rten anschaulich dargestellt Eingangsleistung am Rad Eingangsleistung am Rad 100 100 ANAK VAM AA Sg AAAA n KAA 3 g Laufwerkverluste amp 80 Ota S YZZ77 ARTE IR CS SE sl LEE Ae Ce A S 60 PL 60 25 an EI CA DE UNE Ei a 2 IZ MAR pi 25 40 Z 40 verbleibende E E Nutzleistung ig I sa 30 30 3 mg 7 verbleibende 5 20 Nutzleistung ie 3 20 ZC 10 10 _ Triebkraft ae ee ee Radlast st Ri 10 20 30 40 60 0 10 20 30 40 50 70 Schlupf o Triebkraftbeiwert X Bild 8 Laufwerkwirkungsgrad in Abh ngigkeit vom Schlupf links und Triebkraftbei wert hier von Steinkampf mit x bezeichnet rechts 99 Die bliche Darstellung dieser Zusammenh nge zeigt die linke Abbildung in Abh ngigkeit vom Schlupf Diese resultiert aus der Abh ngigkeit des Triebkraftbeiwertes vom Schlupf die sich wiederum aus dem Scherweg Schubspannungs Zusammenhang ergibt siehe Kapitel 3 5 2 Die rechte Darstellung ist anschaulicher da direkt deutlich wird wie der Schlupf mit gr er werdender Triebkraft ansteigt Auch der breite Optimumsbereich des Laufwerkwir kungsgrades f r Triebkraftbeiwerte zwischen 0 2 und 0 5 zeigt hohe Wirkungsgrade unter halb dieses Bereichs ist die Zugleistung zu gering und der Rollwiderstandsanteil berwiegt oberhalb steigt der Schlupf stark an und l sst den Laufwerkwirkungsgrad zur ckgehen In diesem optimalen Bereich liegt der Schlupf zwischen 5 und 20 was d
214. s ses von Differenzialsperren und Allradantrieb wird von Verschoore und Duquesne vorgestellt 57 59 Dabei steht der Einfluss von unterschiedlichen Triebkraftbedingungen an den R dern und von der Hangneigung im Vordergrund Mit dem Modell wird auch der Effekt eines gere gelten Differenzials dargestellt Vorteile lassen sich damit durch Optimierung des Schlupfes an allen R dern in Bezug auf Zugkraft und Bodenschonung erzielen Au erdem kann der Wenderadius bei Kurvenfahrt verbessert werden Die gezeigten Vorteile beim Wirkungsgrad werden jedoch bei Extrembedingungen also bei hohen Schlupfwerten gezeigt Die bertra gung auf bessere Triebkraftbedingungen zur Verallgemeinerbarkeit der Ergebnisse gilt es daher noch zu pr fen Die vorliegenden Modelle unterscheiden sich stark in Ihrer Komplexit t und zum Teil in den grundlegenden Berechnungsverfahren In der Regel sind die Ergebnisse realistisch allerdings schwanken die Verbrauchswerte in der Praxis sehr stark weshalb die berechneten Werte meist innerhalb des gro en Streuungsbereichs der Messwerte von Feldversuchen liegen Der Bezug zu physikalischem Verhalten ist stets abh ngig von der Zielsetzung der einzelnen Modelle Bei der Berechnung von Faustzahlen sind sie m glichst einfach gehalten und h ufig empirisch zur Untersuchung einzelner Einflussfaktoren wurden die betroffenen Teile genauer abgebildet Keines der Modelle stellt allerdings das ganze System so gut dar dass alle Einzel parame
215. schwindigkeit GPS km h Fahrgeschwindigkeit Radarsensor km h Zugkraft Kraftmessrahmen 1 6 N Zugkraftsensoren EHR V Die Ergebnisse der Messungen bei der Bodenbearbeitung zeigen dass f r den betrachteten Schlag Mohren auf dem Versuchsgut Ihinger Hof Renningen Unterschiede in Bodenart und dichte Schwankungen um den Mittelwert des Zugkraftbedarfes von 60 bedingen Die gemessene Zugkraft f r das Bodenbearbeitungsger t als Ausgangswert der Simulation weist daher eine hohe Variabilit t ber die Fahrtstrecke von 2 x 500 m Hin und R ckweg auf 4 7 2 Vergleich der Ergebnisse des Modells mit Feldmessungen Um zur Validierung die gemessenen Werte mit den Ergebnissen des Modells vergleichen zu k nnen werden die Messdaten zun chst aufbereitet Dabei wird eine interpolierte H henkarte und eine interpolierte Zugkraftkarte des Schlags erstellt aus denen der Position des Schlep pers die entsprechenden Steigungs und Zugkraftwerte zugeordnet werden Die Position des Schleppers dient zum Nachfahren der gleichen Fahrstrecke mit dem Modell um mit dem Versuch vergleichbare Ergebnisse zu simulieren Die Fahrgeschwindigkeit v wird dabei nicht 92 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells als Eingangsparameter ber cksichtigt da diese sp ter von dem Modell berechnet wird Dazu wurde f r die Validierungsberechnung die Fahrgeschwindigkeit iterativ gen hert bis die gew nschte Motordrehzahl oder die Leistungsgr
216. sen Qualit tsanforderungen nach DIN 14214 standardisiert sind Dennoch sind Qualit ts schwankungen deutlich gr er als bei Diesel F r viele neue Motoren liegt eine Freigabe f r den Kraftstoff vor ltere Modelle m ssen jedoch umger stet werden Insbesondere die Ver tr glichkeit von Schl uchen und Dichtungen ist bei dem aggressiveren Biodiesel zu pr fen Au erdem verk rzen sich die Wartungsintervalle f r lwechsel um die H lfte da sich Bio diesel im Motor l anreichert und dessen Viskosit t senkt Die Emissionswerte werden meist als vorteilhaft gegen ber Diesel eingestuft 21 25 allerdings liegen auch hierzu widerspr ch liche Ergebnisse vor bei denen zum Teil sogar gr ere Stickoxidemissionen gemessen wur den 17 Des Weiteren wurden in Versuchen sowohl eine geringere Motorleistung als auch ein h herer Kraftstoffverbrauch festgestellt 26 Bild 1 Emissionen beim Einsatz von Verbrennungsmotoren 9 150 kW 2 100 D D S 50 0 1000 1500 2000 1 min 2500 Motordrehzahl Bild 1 Massenbezogener Mehrverbrauch von RME gegen ber Diesel in Abh ngigkeit von Motordrehzahl und leistung Messwerte nach Thullner 26 Die geringere Motorleistung kann durch Anpassung des Motorkennfelds ausgeglichen wer den Der volumetrische Mehrverbrauch von 5 7 begriindet sich durch den geringeren Heizwert 23 und liegt sowohl im Voll als auch im Teillastbetrieb gleicherma en vor Somit wird der Preis
217. sfahrzeug wird der Schlepper ber die Zapfwelle die Hyd raulik und Zugkraft entsprechend dem Feldeinsatz belastet Der beim Ziehen auf der Stra e geringere Schlupf kann durch eine etwas h here Fahrgeschwindigkeit simuliert werden Die so erhaltenen Ergebnisse erm glichen den Vergleich unter quasi identischen Bedingungen f r unterschiedliche Schlepper und verschiedene Arbeiten Das Verhalten des Laufwerks wel ches schlepperabh ngig abweichende Schlupfwerte bedingen w rde kann dabei nicht darge stellt werden 3 2 Verbrauchsmodelle f r Ackerschlepper Neben den in den folgenden Kapiteln beschriebenen theoretischen Grundlagen zur Beschrei bung der Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs liegen auch ver schiedene Gesamtmodelle zur Verbrauchsberechnung vor Die Vielzahl dieser Modelle ver glichen mit der relativ kleinen Anzahl an Messungen ist durch den hohen Aufwand und die verh ltnism ig geringe Reproduzierbarkeit der Messungen im Vergleich zu unterschiedli chen Modellans tzen begr ndet Die in Deutschland gebr uchlichsten Verbrauchswerte f r unterschiedliche Arbeiten basieren auf dem vom KTBL genutzten Modell Grundlagen dieser Berechnungsmethode wurden bereits im Jahr 1983 vorgestellt 3 41 43 Die f r die aktuellen Verbrauchsberechnungen genutzte Datenbank f r Kosten und Zeitbedarf in der Pflanzenproduktion wurde vom KTBL Arbeitsprogramm Kalkulationsunterlagen entwickelt und wird st ndig
218. sich so h ufig besser isoliert betrachten Im Kraftstoffverbrauch spiegeln sich diese Wir kungsgrade direkt wieder Eine andere M glichkeit der Ergebnisdarstellung ist die Angabe der ben tigten Motorleistung f r bestimmte Einsatzf lle Der Vorteil dabei ist dass die Er gebnisse nicht motoren und betriebspunktspezifisch sind Allgemein kann der Motorleis tungsbedarf als proportional zum Kraftstoffverbrauch angesehen werden Erst f r den Ver 108 Ergebnisberechnungen gleich unterschiedlicher Gesamtsysteme muss zwingend der Kraftstoffverbrauch als Ver gleichsgr e herangezogen werden Die im Folgenden dargestellten Modellrechnungen basieren auf den in Kapitel 4 beschrieben Fahrzeug Reifen Boden und Ger temodellen F r jede Berechnung muss eine Vielzahl von Parametern festgelegt werden die in Tabelle 11 aufgef hrt sind Die ben tigten Angaben sind jeweils in den Ergebnisbildern oder den zugeh rigen Bildunterschriften aufgef hrt wobei die Parametertabellen f r verschiedene Schlepper Ger te und Bodentypen aus den Tabellen A2 bis A4 im Anhang entnommen werden Tabelle 11 Angabe der Modellparameter f r die Ergebnisrechnungen Angabe zur Berechnung Anzahl der Parameter Schlepper Nr 62 2 mal Bereifung aus Tabelle A3 im Anhang _ Ger tNr 6 bei Ger ten mit Nachl ufern oder Ger tekombinatio Arbeitsbreite bs __ nen auch 12 oder 18 aus Tabelle A4 im Anhang 3 Tiefe tor 2 f
219. sse wie Triebkraftbeiwerte gr er als 1 resultieren lassen sind die entsprechenden Kurven in Bild 22 dargestellt 1 alle Werte k 1 a alle Werte k 0 5 KEN LT em alle Werte k 0 u 20 75 ee E a a aaa EEN SS 05 e o Triebkraftbeiwert ze NM er nn ES la ei 2 0 25 Rollwiderstandsbeiwert p ac eet ee 2 0 if tee 0 20 40 60 Schlupf o Bild 22 Simulationsergebnisse f r extreme k Werte In Tabelle 6 sind Ergebnisse dieses neuen Modells dargestellt Als Beispiel wurden unter schiedliche Bodenbedingungen gew hlt die Parameter daf r wurden gesch tzt Im zweiten Teil der Tabelle sind die charakteristischen Werte berechnet nach den Gleichungen 47 bis 53 dargestellt Diese erlauben bereits eine Aussage tiber das Reifenverhalten bei den gege benen Bedingungen Im dritten Teil stehen die Werte al bis dl a2 und b2 die den Kurven verlauf nach den Gleichungen 57 bis 60 charakterisieren Mit den Gleichungen k nnen die Kurven dann grafisch dargestellt Bild 23 oder weitere Berechnungen durchgef hrt werden Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 75 0 8 S e CS Gr nland S 0 6 F xo e gegrubbert z D y gepfl gt Zn 32 5 04 EK 82 B 02 x 0 ie 0 20 40 60 Schlupf o Bild 23 Simulationsergebnisse f r unterschiedliche Bodenbedingungen Tabelle 6 Rechenbeispiele f r das Re
220. sstescesvaeceedntees 90 4 7 1 Messeinrichtung zur Modellvalidierung o0n0annnnennneennneonesoesreseesseesreeseesee 90 4 7 2 Vergleich der Ergebnisse des Modells mit Feldmessungen 91 4 8 ZUGKRAP TE MODELL PUR GER TE tea ers aispendely 94 Sch INERENGEIS FUNG F R GER TE sx ee ee eebe ege 96 4 10 KRAFTSTOFFVERBRAUCH IN NEBEN RUST UND WEBOGEZEITEN 97 4 10 1 Fahrsirecke mit arbeitendem Egeter geen rege 98 4 20 2 EE 99 4 10 3 Messungen zum Verbrauch beim Mienden 99 4 10 4 Bestimmung des Verbrauchs zum Hienden 101 4 10 5 Gesamtverbrauch auf dem Schlag 104 Inhaltsverzeichnis Vil 5 4 10 06 Weitere ENN 105 HTL PGESAMTMODERL else 106 ERGEBNISBERECHNUNGEN vesissiscccssncnssassiccanectaseosecdevcovnstsonnsesduacensedsonscvseosensonseanes 107 5 1 EINFLUSS DES ZUGKRAFTBEDARES 4 c dyqeiaassdescsundseeiasasautensedessnbestuisbasdsaenaaassarseanieay 109 5 2 EINFLUSS VON DIFFERENZIALSPERREN UND ALLRADANTRIER 111 Bl EE Ee er 112 3 2 2 PMS SFY EEN 114 92 3 Differenza ls pervenerint acd eek 115 5 3 ARBEITSBREITE UND FAHRGESCHWINDIGKEIT ENEE 118 SA EINFLUSS DER MASSE en ee en east 120 MAL E 121 5 4 2 Einfluss der Massenverteiling ausser 122 3 4 3 Einfluss sich ver ndernder Mossen 123 344 VERISIUNSSSEWIEN aaa 124 5 53 OPTIMALE ZAPEWELLEN ZUGLEISTUNGSVERTEILUNG 126 5 6 EINFLUSS DERGETRIEBE BERSETZUNG nan anni einen 127 SOA EENEG une 127 5 6 2 Einfluss der Getriebeabstufung auf de
221. ssung des positionsbezogenen Kraftstoffverbrauchs wird von Domsch vorgestellt 38 Der mit GPS ausgestattete Schlepper hat ein volumetrisches Mess system in der Kraftstoffleitung die Kraftstofftemperatur zur Umrechnung wird jeweils am Anfang und am Ende einer berfahrt gemessen Verbrauchsschwankungen f hrt Domsch st rker auf Bodenunterschiede als auf Steigungen und Gef lle im Gel nde zur ck obgleich keine Zugkraftmessung vorliegt F r eine praxistaugliche Messung durch die Landwirte schl gt er eine Unterst tzung durch die Schlepperhersteller vor die ein System vergleichbar Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 13 mit der Ertragskartierung am M hdrescher aufbauen k nnten Auch Schutte f hrt neben Versuchen zur Zugkraftkartierung eine Kartierung des Kraftstoffverbrauchs durch 36 Dazu wird keine nachger stete Messeinrichtung sondern das CAN Bus Signal genutzt Es zeigt sich eine starke Korrelation zwischen Zugkraftbedarf und Kraftstoffverbrauch je Fl che Neben diesen Versuchen an Ackerschleppern wurden von W rz Messungen bei einem Feld h cksler durchgef hrt 37 Es wurde eine volumetrische Messeinrichtung mit W rmetauscher zur K hlung des R cklaufs verwendet Ferner liegen Messungen des mit der identischen Messeinrichtung ausgestatteten Hohenheimer Versuchsm hdreschers vor 39 Die DLG nutzt ein Messsystem um den Verbrauch bei exakt definierten Feldarbeiten zu bestimmen 40 Mit einem Brem
222. st die Annahme eines proportionalen Verhaltens von ben tigter summierter Nabenleistung und Zugleistung zu pr fen In Bild 36 ist die ben tigte Nabenleistung und Zugleistung in Abh n gigkeit von dem Zugkraftbedarf f r einen Standardschlepper auf gegrubbertem Feld darge stellt Es zeigt sich dass nur n herungsweise proportionales Verhalten im Bereich zwischen 15 und 35 kN gilt Durch den Rollwiderstand ist der Nabenleistungsbedarf gegen ber dem Zugleistungsbedarf zu h heren Werten verschoben Mit zunehmender Zugkraft Fzus und konstanter Fahrgeschwindigkeit v steigt der Schlupf progressiv an weshalb die zun chst gleiche Steigung der Nabenleistungskurve zunimmt und schlie lich die Steigung gegen un endlich geht 100 100 kW Schlepper Nr 1 80 Boden Nr 5 80 i v 4km h O ARTT a DE Oras a a 4 60 SE 60 o Ac i gt D pan 3 40 40 S D 2 2 j 5 20 Laufwerkwirkungsgrad 20 5 j Zugleistungsbedarf s 0 xX Nabenleistungsbedarf 0 10 20 30 40 kN 50 Zugkraftbedarf CH Bild 36 Motorleistungsbedarf Zugleistungsbedarf und Laufwerkwirkungsgrad in Abh n gigkeit von der Zugkraft Parameter aus Tabellen A2 bis A4 110 Ergebnisberechnungen Der ebenfalls in diesem Bild dargestellte Laufwerkwirkungsgrad nr ergibt sich f r allradge triebene Fahrzeuge aus Gleichung 14 Der Verlauf kann durch die geringe Ausgangsleistung bzw Zugleistung im linken Bereich erkl rt werd
223. steme jedoch nicht in Ackerschleppern eingesetzt Phab e E z lt ER 82 89 1 Tabelle 18 Parameter f r die Getriebeverluste bei unterschiedlichen Wirkungsgradeinstu fungen 81 22 Gut 0 96 0 06 Mittel 0 92 0 08 Schlecht 0 88 0 10 Hydrostatisch 0 85 0 05 Wenn auch f r die Berechnung von Faustwerten keine unterschiedlichen Getriebequalit ten ber cksichtigt werden m ssen so ist die Parameterfestlegung f r den hydrostatischen Fahran trieb in jedem Fall notwendig Daher ist auch die Er ffnung der zus tzlichen Option der Ber cksichtigung unterschiedlicher Getriebe vorteilhaft 6 2 5 Motorleistung durch Zug und Nebenleistung Da f r einige Ger te und Arbeitsmaschinen auch Motorleistung ber Nebenabtriebe des Mo tors ben tigt werden bei Ackerschleppern in der Regel die Zapfwelle sind auch diese Werte in Tabelle AS im Anhang festgelegt Dabei wird zwischen mengenabh ngiger Arbeit Wneben m f r das Aus oder Einbringen der Ladung z B durch die G llepumpe dem breiten und tiefenabh ngigen Leistungsbedarf PNeten vt f r angetriebene Bodenbearbeitungsger te auf unterschiedlichen B den und dem rein breitenabh ngigen Leistungsbedarf PNeben z B f r das Gebl se einer pneumatischen S maschine unterschieden Die massenbezogene Arbeit f r 148 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches Ernte oder Ausbringarbeiten Wneben m stellt f r Erntemaschinen die gesamte Arbeit au er d
224. sten vorteilhaft Daher ist eine genaue Pauschalaussage ber die optimale Radlastverteilung nicht m glich mit Werten zwischen 20 und 40 werden jedoch keine gro en Fehler bez glich der Optimierung des Kraftstoffverbrauchs gemacht 5 4 3 Einfluss sich ver ndernder Massen Bei vielen Pflegearbeiten wie beispielsweise Minerald nger oder Stalldung streuen wird die Ladung w hrend der Fahrt entleert Bei Erntemaschinen f llt sich der Bunker langsam und wird dann wieder schlagartig entleert F r Berechnungen die nicht diesen gesamten Vorgang simulieren ist die Annahme eines mittleren Gewichtes f r die Berechnung nur eines Fahrzu standes zu berpr fen Neben der nderung der Gesamtmasse findet abh ngig von der Lage des Gewichts auch eine Verschiebung der Achslastverteilung statt Besonders wenn eine gezogene Achse st rker 124 Ergebnisberechnungen belastet wird tritt aufgrund des Rollwiderstands zus tzliche Zugkraft auf In Tabelle 12 sind beispielhaft Verbrauchswerte und die Abweichungen zwischen dem gemittelten Ladungsge wicht und dem tats chlichen Verbrauch bei langsamer Gewichtsabnahme dargestellt F r das D ngerstreuen wurde der Angriffspunkt der Gewichtskraft 2 m hinter der Hinterachse ange nommen beim Stalldung ausbringen ver ndert sich mit der Masse der Ladung die Rollwider standskraft am Anh nger F r den Miststreuer wurde eine Zapfwellenleistung von 10 kW angenommen Tabelle 12 Vergleich des Verbrauchs
225. t Direkteinspritzung bei Betrieb mit unterschiedlich aufbereitetem Raps l Dissertation Universit t Hohenheim 1997 VDI Reihe 12 Nr 316 Batel W Alternative Kraftstoffe f r die Landwirtschaft Landtechnik 37 1982 H 6 S 278 280 May H U Hattingen J Theobald K Weidmann und A K nig Untersuchung des Betriebs und Abgasemissionsverhaltens eines Dieselmotors mit Oxidationskatalysator Motortechnische Zeitschrift MTZ 59 1998 H 2 S 112 123 Krahl J A Munack und M Bahadir Emissionen bei der Verwendung von Raps l RME oder Dieselkraftstoff sowie vergleichende Absch tzung ihrer Umweltwirkungen eine bersicht Landbauforschung V lkenrode 44 2002 H 2 S 182 196 Vellguth G Emissionen bei Verwendung alternativer Kraftstoffe in Schlepper Dieselmotoren Grundlagen der Landtechnik 37 1987 H 6 S 207 213 Baum K A Munack J Krahl J B nger und O Syassen Abgasmessungen an einem Dieselmotor mit auf RME optimiertem Einspritzsystem Landtechnik 54 1999 H 5 S 276 277 Thuneke K Emissionen Raps l betriebener Dieselmotoren Landtechnik 54 1999 H 3 S 176 177 Thullner C Vergleich des Kraftstoffverbrauchs von Diesel und Biodiesel bei Ackerschleppermotoren Bachelorarbeit Universit t Hohenheim 2005 unver ffentlicht Literatur 165 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Fischer J K Krieger H Le
226. te Untersuchung dieser einzelnen Verluste jedoch nicht m glich Mit den theoretischen Erkenntnissen kann eine Berechnung eines bekannten Getriebekonzeptes durchgef hrt werden das tats chliche Verhalten muss jedoch durch Messungen best tigt werden Anhand dieser Messungen wurde f r jeden Gang ein Getriebekennfeld erstellt welches den Wirkungsgrad bei dem jeweiligen Betriebspunkt zeigt Bild 5 Die obere Grenzkurve ist durch das maximale Motordrehmoment definiert Se Jl NIE e S Es m o 3 i u Sg LS gt 70 80 90 110 Motordrehzahl Bild 5 Getriebekennfeld nach Reiter 80 Um das Kennfeld mathematisch zu beschreiben werden vereinfachte Gleichungen zur Be schreibung der Verluste genutzt Dazu werden die Verluste in das Leerlaufverlustmoment Mvo welches auch die Schleppleistung von nassen Bremsen und Kupplungen beinhaltet und das lastabh ngige Verlustmoment My aufgeteilt die mit den Gleichungen 5 und 6 be schrieben werden k nnen Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 25 Myo Av A nu 5 My Bo B cny B2 Mu 6 Die Koeffizienten A und B sind dabei getriebe und gangspezifisch wobei f r gro e G nge zus tzlich ein leichter quadratischer Einfluss der Drehzahl auf Myo hinzukommt Der Getrie bewirkungsgrad ergibt sich nach Gleichung 7 Myo M 1lGetriebe l Ze re 7 F r den Einfluss des Drehmoments zeigt sich eine Zunahme mit der
227. te multiplizieren sich im Extremfall zum gesamten Einsparungspotenzi al auf was zu einer m glichen Einsparung von 63 f hren w rde Allerdings schlie en sich einige Faktoren gegenseitig aus so wird beispielsweise durch die Wahl des richtigen Ganges nur bei Arbeiten das volle Einsparungspotenzial erreicht die den Motor etwa zu 50 auslas ten F r diese Arbeiten ist allerdings die Schlepper Ger te Kombination von untergeordneter Bedeutung weshalb diese Punkte nicht gleichzeitig als Einsparungspotential auftreten Es kommt hinzu dass die vollen Einsparungen mit einem der Parameter erst dann m glich sind wenn alle Parameter weit vom Optimum entfernt liegen Da in der Praxis nicht von einem solchen Extremfall auszugehen ist liegt das maximale Einsparungspotenzial unter Praxisbe dingungen bei etwa 30 und kann bei ung nstigen Ist Zust nden durch mehrere Optimie rungsma nahmen erreicht werden Besonders hervorzuheben ist die Wahl des richtigen Gan ges bei der ohne externe Effekte sehr gro e Einsparungspotenziale bei einigen Arbeiten erm glicht werden Da h ufig Arbeiten nicht die gesamte Motorleistung ben tigen sind durch geschulte Fahrer entsprechendes Motor Getriebe oder ein weiterentwickeltes Schlep per Management sowie durch unterschiedliche bersetzungen im Zapfwellengetriebe im Idealfall mit einer stufenlosen Zapfwellen bersetzung erhebliche Einsparungen zu erzielen Neben diesen systemoptimierenden Ma nahmen sind auch
228. te zu empfehlen Auch die Umsetzung der maximalen Zugkraft h ngt von der Voreilung ab die erwarteten Vorteile sind jedoch gering da der Schlupfwert bei dem maximalen Triebkraftbeiwert st rker durch Boden als durch Reifeneigenschaften beeinflusst wird Au erdem liegt dieser Schlupf weit entfernt vom opti malen Wirkungsgrad weshalb diese Fahrzust nde ohnehin nicht anzustreben sind Gr ere Bedeutung als dem Wirkungsgrad und der Zugleistung wird daher der Fahrstabilit t und dem Wendekreis einger umt der durch gr ere Voreilung verkleinert werden kann siehe Kapi tel 3 6 4 5 2 3 Differenzialsperren 5 2 3 1 Differenzialsperren in der Hinterachse Differenzialsperren in der Hinterachse sind bei Ackerschleppern in der Regel schaltbare Klauensperren Um den Nutzen des Zuschaltens zu zeigen eignet sich besonders die Untersu chung des Einflusses von seitlichen Hangneigungen In Bild 38 wird bereits der Vorteil beim 116 Ergebnisberechnungen Pfl gen gezeigt nun soll in Abh ngigkeit von der seitlichen Neigung der Wirkungsgradr ck gang durch den unterschiedlichen Schlupf links und rechts aufgrund unterschiedlicher Radlas ten dargestellt werden Bild 41 70 70 Schlepper Nr 1 Laufwerkwirkungsgrad 5 50 Boden Nr 5 50 5 lt v 5 km h D G40 F 518 kN 40 CS 30 A305 SS Schlupf links ZS 20 a 10 0 0 412 8 4 0 4 g 12 seitliche Hangnei
229. teigung in Fahrtrichtung Bild 49 Kraftstoffverbrauch in Abh ngigkeit von der Steigung f r unterschiedliche Schaltstufen Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Die untere H llkurve die bis auf die Spr nge kurz vor Erreichen der maximalen Steigung nahezu stetig verl uft l sst keine nennenswerten Vorteile f r enger gestufte Getriebe oder Stufenlosgetriebe erwarten und best tigt damit die Aussage aus Kapitel 5 6 2 Die Vorteile von stufenlosen Getrieben liegen eher in der besseren Erreichbarkeit der optimalen Fahrzu st nde da Schaltvorg nge mit Auskuppeln unter Last teilweise nicht m glich sind Ferner kann durch Getriebe mit langen bersetzungen Erreichen der H chstgeschwindigkeit mit reduzierter Drehzahl der geringere Verbrauch gekennzeichnet durch die gestrichelte Gerade bei geringeren Steigungen realisiert werden da nicht bei voller Drehzahl im Teillastbereich des Motors gefahren werden muss Dieser Vorteil wird bereits bei 15 km h sichtbar und ist mit steigender Geschwindigkeit noch deutlich st rker ausgepr gt 130 Ergebnisberechnungen 5 6 3 Wahl des richtigen Ganges Die Wahl des richtigen Ganges ist f r die Einsparung von Kraftstoff aus zwei Gr nden von besonderer Bedeutung Erstens wirkt sie sich nicht auf das Arbeitsergebnis aus es entstehen folglich keine externen Effekte zweitens ist das fl chenbezogene Einsparungspotenzial durch die korrekte Motorauslastung erheblich Die beste Getriebe bersetzung korreliert en
230. ten f r verschiedene Arbeiten zeigt Jaufmann auf 155 Erm glicht werden diese Regelungen durch den Datentransfer zwischen den Steuerger ten des Schleppers und den Ger ten ber den CAN Bus und LBS in der Praxis fehlt es jedoch noch an gemeinsamen Regelungsstrate gien Die Optimierungspotenziale f r Verbrauch und Fl chenleistung sind erheblich 156 und stehen grunds tzlich nicht im Widerspruch wenn auch die Zielsetzung einer optimierten Fl chenleistung nicht ganz das Verbrauchsoptimum erreicht So konnte beispielsweise die Fl chenleistung um 25 gesteigert und dabei der fl chenbezogene Kraftstoffverbrauch um 20 reduziert werden Bei der Anpassung von Schlepper und Ger t sind nicht nur die Einstellm glichkeiten im Einsatz interessant es sollten auch Schlepper und Ger t optimal zueinander passen Diese Effekte fallen jedoch nicht direkt in den Bereich des Schleppermanagements Sie werden in Kapitel 3 8 genauer untersucht 3 6 3 Leitlinienplanung Eine immer gr er werdende Bedeutung kommt auch der Optimierung der Fahrstrecke im Feld zu Die Zunahme von GPS Global Positioning System und automatischen Lenksyste men die heute von allen wesentlichen Herstellern f r Ackerschlepper und selbstfahrende Arbeitsmaschinen angeboten werden erm glichen neue Fahrstrategien So k nnen beispiels weise erst jede zweite Fahrspur bearbeitet und die zun chst ausgelassenen Spuren anschlie Bend nachgeholt werden um Wendevorg nge zu ver
231. ter detailliert untersucht werden k nnen In den folgenden Kapiteln werden unter schiedliche Teilmodelle erl utert die die Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs bzw den Zugkraftbedarf von Ger ten genauer beschreiben Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 17 3 3 Motor Moderne Motoren landwirtschaftlicher Fahrzeuge fast ausschlie lich Dieselmotoren haben auf hohem technischen Niveau immer mehr Gemeinsamkeiten mit direkt einspritzenden Dieselmotoren anderer Fahrzeugarten gekennzeichnet durch die folgenden Entwicklungsten denzen 60 Aufladung niedrige Nenndrehzahlen um 2000 2500 1 min Hochdruckeinspritzung gt 1000 bar zunehmend elektronisch mehr als zwei Ventile pro Zylinder Bestverbrauch b lt 200 g kWh reduzierter Wartungsaufwand sehr geringe Schadstoffemissionen Leichtbau Ger uschreduzierung Neben den Systemen mit Reihen und Verteilereinspritzpumpen gewinnen auch solche mit Pumpe Leitung D se und Pumpe D se an Verbreitung 61 Vereinzelt sind auch Traktoren mit Common Rail Einspritzung zu finden 62 Durch die elektronische Regelung der Ein spritzung werden die Minderung von Emissionen die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und eine optimierte Leistungscharakteristik erm glicht 63 Als Folge der elektronischen Motorsteuerung kann f r bestimmte Eins tze die Motorleistung erh ht werden Insbesondere bei Zapfwellen und Transportarbeiten bei denen de
232. teratur bersicht Drehmoment Drehmoment 60 75 100 Set 50 75 Zwischen Nenn Drehzahl drehzahl drehzahl Bild 2 ISO 8178 8 Stufen Test links und FAT 6 Stufen Test rechts f r die Bestim mung des Durchschnittsverbrauchs die Zahlen in den Kreisen stehen f r die Ge wichtung der einzelnen Punkte im Kennfeld 35 Der mobile Einsatz erfordert volumetrische Messsysteme die den massebezogenen Verbrauch mit Hilfe der Kraftstofftemperatur zur Bestimmung der Dichte messen Es bieten sich dabei zwei M glichkeiten an Entweder werden das Volumen von Pumpenzu und r cklauf sowie beide Temperaturen bestimmt oder der R cklauf wird dem Zulauf wieder zugef hrt nachdem das Volumen bestimmt wurde Dieser Aufbau erfordert eine zus tzliche Kraftstoffk hlung da es sonst zu einer berhitzung des Kraftstoffes kommt Als kosteng ns tige jedoch wenig genaue Alternative wird auch ein Tanksensor angeboten der die F ll standh he bestimmt Ein besonders elegantes Verfahren zur Verbrauchsbestimmung bei modernen Motoren mit elektronisch geregelter Einspritzung ist die Nutzung des schlepperei genen Sollwertes f r Einspritzmenge dauer und zeitpunkt Diese Methode bedingt zwar den Zugriff auf das CAN Bus Signal besitzt aber eine hohe Genauigkeit 36 und erfordert keine konstruktiven Umbauma nahmen am Schlepper Eine bersicht ber g ngige Verfahren zur Verbrauchsmessung liefert W rz 37 Ein Messsystem zur Erfa
233. terscheidungen das Berechnungsverfahren f r unterschiedliche Arbeiten sehr kompliziert Da das Schlepperverhalten jedoch bei allen Arbeiten grunds tzlich gleich ist und lediglich die Einflussparameter variieren ist ein Berechnungsverfahren ohne Fallunterscheidungen vorteilhaft 6 2 Vereinfachtes Berechnungsverfahren f r Verbrauchswerte Die wesentlichen Forderungen f r ein vereinfachtes Berechnungsverfahren sind dass keine systematischen Fehler entstehen d rfen und die wichtigsten Einflussgr en ber cksichtigt werden Die Eingangsparameter insbesondere vom Ger t m ssen berschaubar bleiben und es sollen keine Fallunterscheidungen n tig sein Bei Ger ten die beispielsweise keine Zapf wellenleistung ben tigen kann der entsprechende Kennwert Null gesetzt werden so dass in jedem Fall mit identischen Gleichungen gerechnet werden kann Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches 143 Im Folgenden werden die Gleichungen zur Verbrauchsberechnung zusammengefasst und Annahmen vorgestellt mit denen Eingangsparameter mit untergeordnetem Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch vernachl ssigt werden k nnen Die wichtigen Eingangsgr en zur Be schreibung des Schlepperverhaltens werden in Tabellen festgelegt so dass sie nicht gemessen werden m ssen um den Kraftstoffverbrauch zu berechnen 6 2 1 Vereinfachende Annahmen zur Verbrauchsberechnung F r die Berechnung sind Allradantrieb und Differenzialsperre immer zugeschaltet
234. toffverbrauches Einschlie lich des Wendeverbrauches ergibt sich unter Ber cksichtigung der Dichte des Kraftstoffs px der Gesamtverbrauch auf dem Feld nach Gleichung 95 f r Bodenbearbeitung und Gleichung 96 f r Pflegearbeiten analog zu Kapitel 4 10 5 Die Dichte von Dieselkraft stoff liegt bei etwa 0 82 kg l Bus 24m Br 1 95 PK dAn Bu 2 bg Boos 1 96 PK sc Um Streckenfahrten zu ber cksichtigen muss auch der Verbrauch bezogen auf die Wegstre cke Bu berechnet werden Bei den bekannten Fahrzeugdaten k nnen hierzu die oben genann ten Gleichungen genutzt werden die sich zum Teil vereinfachen lassen da weder Zapfwellen leistung noch Zugkraft von Ger ten ber cksichtigt werden muss Bas Ze bem Mawr 97 Anschlie end k nnen die zur Bearbeitung einer Fl che ben tigten Wegstrecken An und Abfahrten Transportfahrten mit der Arbeitsmaschine Transportfahrten mit Zubring oder Abfuhrfahrzeug etc berechnet werden Der Verbrauch daf r mit den entsprechenden Fahr zeugen kann dann auf die bearbeitete Fl che umgelegt werden um den Gesamtverbrauch zur Erledigung einer Arbeit zu bestimmen Zur Vollst ndigkeit muss auch der Verbrauch in den Bef llzeiten berechnet werden Da das Fahrzeug in der Regel dabei steht wird lediglich Zapfwellenleistung oder Ladearbeit von einem zweiten Fahrzeug ben tigt F r alle Bef llarbeiten Weerin kann analog zum Wert des Ausbringens auch ein Wert bezogen
235. tstufen LS im dritten Gang dargestellt 500 Nm 212 400 a LS 4 5 20h ee LS 3 ae a TAER ge er ee ge Lues S 2 S Bee ee nen LS 1 5 200 g A SCH 2 Zn 320 50 kW S 400 I le Bee 4004 0 Zee 1000 1500 2000 1 min 2500 Motordrehzahl Du Bild 51 DBetriebspunkte im Motorkennfeld f r das Fahren im dritten Gang mit unterschied lichen Geschwindigkeiten Schlepper Nr 1 Boden Nr 2 Ger t Nr 3 7 7 ta 11 cm bg 3 m G 3 Parameter aus Tabellen A2 bis A4 Der Anstieg des Momentes mit der Drehzahl ist durch den im Ger temodell verankerten Zugkraftanstieg mit der Fahrgeschwindigkeit bedingt Durch die Kennfeldcharakteristik mit dem starken Drehmomentanstieg ist der Fahrgeschwindigkeitsbereich in Stufe 3 und 4 einge schr nkt allerdings wird in diesen G ngen durch das sichtbar h here Motordrehmoment auch der minimale Verbrauch erreicht Verst rkt wird dieser Effekt nochmals durch die Charakte ristik des Getriebekennfeldes welches ebenfalls den besten Wirkungsgrad bei gro en Auslas tungen und niedrigen Drehzahlen hat F r die Praxisanwendung ist folglich die Empfehlung des gr tm glichen Ganges sinnvoll Das Einsparungspotenzial ist erheblich so kann f r das gezeigte Beispiel bei einer erforderlichen Motorleistung von 50 kW der Verbrauch von der 1 zur 4 Lastschaltstufe um ber 26 reduziert werden und selbst zwischen der 3 und 4 Last schaltstufe betr gt der Verbrauchsunte
236. tufen 3 5 5 Bandlaufwerke Mit Einf hrung der ersten Ackerschlepper tauchten auch die ersten Kettenlaufwerke f r den landwirtschaftlichen Einsatz auf Sie wurden vor allem bei sehr schwerer Zugarbeit und arbei ten an steilen H ngen vorgezogen Mit der Einf hrung von Gummilaufb ndern wurden sie f r den allgemeinen landwirtschaftlichen Einsatz interessant Vorteile sind insbesondere die gro e Aufstandsfl che und der verh ltnism ig geringe Bodendruck der bei begrenzter Ar 44 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht beitsbreite die bertragung hoher Zugkr fte bei Leistungen bis ber 300 kW erm glicht 142 Berechnungsverfahren zur Modellierung von Bandlaufwerken werden von Wong vorgestellt 119 143 Dabei wird der Einfluss der Rollen und der Spannung des Bandes zur Berechnung der Druckverteilung ber cksichtigt und anschlie end die Einsinkung und die schlupfabh ngige Triebkraft resultierend aus der Scherweg Schubspannungs Beziehung abgeleitet Ein weiteres Modell wird von Book vorgestellt 144 welches auf den Gleichun gen von Wismer und Luth 115 f r Reifen basiert Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den Messwerten berein Grunds tzlich zeigen unterschiedliche Messungen ein hnliches Triebkraft Schlupf Verhalten wie Reifen allerdings liegt das Maximum auf h herem Niveau und bei niedrigerem Schlupf 145 147 Bild 11 Dieser Effekt ist durch den sehr langen Scherweg zu erkl ren der wi
237. twa 60 der aromaten und schwefelfreie Dieselkraftstoff abdestilliert und sofort verwendet werden Ein kleiner Teil der h her siedenden Paraffinwachse l sst sich als Grundstoff f r die Chemieindustrie verwer ten Die leichten Fraktionen sind entweder nach Anpassung der Oktanzahl als Ottokraftstoff zu verwenden oder werden erneut der Fischer Tropsch Synthese zugef hrt Die entstehenden Kraftstoffe sind schadstofffrei und k nnen den speziellen Anforderungen der Motorenherstel ler angepasst werden Die Qualit t ist unabh ngig vom Ausgangsmaterial daher sind sie aus Sicht der Fahrzeughersteller sehr interessant 33 Dennoch bleibt selbst bei weiterer Verbilli gung des Verfahrens die Frage nach der Herstellung der Biomasse offen die bei Ausbau solcher Anlagen erhebliche Produktionsfl chen beanspruchen w rde Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 11 3 KRAFTSTOFFVERBRAUCH VON ACKERSCHLEPPERN LITERATUR BERSICHT Untersuchungen zum Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern k nnen einerseits in Messun gen und Berechnungen unterteilt werden andererseits lassen sich Verfahren zur Betrachtung des Gesamtschleppers und Verfahren zur Betrachtung von Einzelkomponenten unterscheiden Bei Letzteren steht meist der Wirkungsgrad der jeweiligen Komponente im Vordergrund der Untersuchung Da sich dieser direkt auf den Verbrauch auswirkt und die Kennlinien des grundlegenden Verhaltens dieser Einzelkomponenten f r die Erstellung
238. uch alle anderen Emissionen reduziert was den Vorteil der Ressourcenschonung durch Energieeinsparung nochmals verst rkt 6 Emissionen beim Einsatz von Verbrennungsmotoren Tabelle2 Einf hrungstermine und Abgasgrenzwerte f r mobile Arbeitsmaschinen und Ackerschlepper nach Richtlinie 97 68 EG und 2004 26 EG Motoren 8 s 2 s s s s s s is2 s Ss s s 2 8 kategorie ala a SIR IRIRI R FIR A 8 RIRI RIR keine Stufe II Stufe III A ISkW lt P lt co 5 5 co 5 5 HC 1 5 HC NO 4 7 37 kW NO 8 0 PT 0 8 PT 0 6 Stufe I Stufe II Stufe HI A Stufe III B 37kw lt p lt C0 65 co 5 0 co 5 0 co 5 0 HC 13 HC 13 HC NO 4 7 HC NO 4 7 56 kW NO 9 2 NO 7 0 PT 0 85 PT 0 4 PT 0 4 PT 0 025 Stufe I Stufe II Stufe HI A Stufe IIB Stufe IV s6kW lt p lt CO 65 CO 5 0 CO 5 0 CO 5 0 CO 5 0 HC 1 3 HC 1 3 HC NO 4 7 HC 0 19 HC 0 19 75kW NO 9 2 NO 7 0 NO 3 3 NO 0 40 PT 0 85 PT 0 4 PT 0 4 PT 0 025 PT 0 025 Stufe I Stufe ll Stufe HI A Stufe IIB Stufe IV ek lt p lt CO 5 0 co 5 0 CO 5 0 co 5 0 co 5 0 HC 1 3 HC 1 0 HC NO 4 0 HC 0 19 HC 0 19 130 kW NO 9 2 NO 6 0 NO 3 3 NO 0 40 PT 0 73 PT 03 Pr 03 PT 0 025 PT 0 025 Stufel Stufe II Stufe II A Stufe IIB Stufe IV 130kw lt p lt C050 CO 3 5 CO 3 5 CO 5 0 CO 3 5 HC 1 3 HC 1 0 HC NO 4 0 HC 0 19 HC 0 19 560 kW NO 9 2 NO 6 0 NO 2 0 NO 0 40 PT 0 2 PT 02 PT 02 PT 0 025 PT 0 025 PT Partikel alle Angaben in g kWh
239. ufgrund der Vereinfachungen schnell eine L sung gefunden werden 4 5 Getriebemodell Der Getriebewirkungsgrad wird h ufig mit konstanten Werten zwischen 80 und 90 ange nommen Bei genauerer Betrachtung trifft dies jedoch nicht zu da sowohl eine Abh ngigkeit von der Drehzahl als auch vom bertragenen Moment der Auslastung und dem berset zungsverh ltnis besteht Diese Einfl sse bedingt durch Zahnradpaarungen Lastschaltstufen Vorgelegewellen etc werden f r das Modell vernachl ssigt Lediglich die allgemein g lti gen Unterschiede sollen ber cksichtigt werden da sonst schlepperspezifische Ergebnisse resultieren die keine bergreifenden Aussagen zulassen So k nnte beispielsweise das opti male bersetzungsverh ltnis f r eine Arbeit nicht ermittelt werden da f r jeden Gang bauart bedingt unterschiedliche Wirkungsgrade auftreten Getriebekennfelder f r Ackerschleppermotoren wurden von Reiter 80 und Seeger 55 gemessen Es zeigen sich f r konstante bersetzung ein starker Anstieg des Wirkungsgrades mit dem Drehmoment und leicht ansteigende Verluste mit der Drehzahl Im Modell wird f r das Planschverlustmoment Mpiansch ein mit der Drehzahl leicht linear ansteigender Verlauf angenommen Gleichung 71 Mit dem bersetzungsverh ltnis ig ergibt sich f r Drehge schwindigkeit des Motors mm und des Getriebeausgangs c folgender Zusammenhang Glei chung 69 Ou G ig 69 Da Eingangs und Ausgangsdrehz
240. und gegenseitige Einfl sse wurden vernachl ssigt Sie k nnten durch weitergehende Messergebnisse entspre chend eingearbeitet werden Beim derzeitigen Kenntnisstand k nnen solche Erweiterungen jedoch noch nicht ausreichend abgesichert werden Mit den vorliegenden Gleichungen werden bereits gute und realistische Ergebnisse erzielt Kmax 0 3 1 0 13 5 K Bewuchs 0 1 1 K Fest 0 0 09 S K fest U 0 07 S Kron 47 0 09 4 Krach ra K Feuchte 0 13 Kreifen 72 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells 55 18 K Bewuchs 12 K Fest O Sch K Fest U 0 Kon 8 K Feuchte Kmax 7 100 48 K 0 5 2 8 K Bewuchs 1 3 KFest o 49 Der innere Rollwiderstandsbeiwert p w chst mit gr eren Reifen und geringerem Luftdruck an pi 0 015 0 01 KReifen 50 Der Rollwiderstandsbeiwert p bei Nullschlupf berechnet sich nach Gleichung 51 plo 0 0 18 0 02 K Bewuchs 0 06 K rest 0 0 054 K fest U 51 irae K Fest U Zi 1 0 03 Kreifen Die Steigung des Rollwiderstandsbeiwertes p variiert nur geringf gig ber alle Versuche Da kein direkter Einfluss der Reifen und Bodenparameter bestimmt werden kann wird hier ein konstanter Wert f r alle Versuche angenommen oz 0 013 52 Der u ere Rollwiderstandsbeiwert p berechnet sich nach Gleichung 53 Pe P Pi 53 Nachdem so die 4 Kennwerte Gees Kmax Pe and 0 zur Beschreibung der Kurve abge sch tzt wurden m ssen sie in die Paramete
241. ung mit dem Fahrzeugmodell mit Hilfe dieser Rahmenwerte und den Bodenparametern nach Glei chung 74 berechnet Sq s 0 2 s 53 1 4 s 53 S 74 o K Bewuchs 0 4 K rest 0 0 2 K rest 0 4 T a K Feuchte ji 0 2 ER Diese Gleichung ist nicht validiert und erhebt keinen Anspruch auf allgemeine G ltigkeit Dennoch ist die Richtung in welche die Bodenparameter die Zugkraft beeinflussen eindeu tig beim Feuchtegehalt wird die geringste Zugkraft bei mittleren Werten erreicht Auch ohne die genaue Kenntnis der Auspr gung der einzelnen Einflussparameter und ohne gegenseitige 96 Entwicklung des Kraftstoffverbrauchs Modells berlagerung der selben werden realistische Ergebnisse erzielt Des Weiteren hat die Glei chung den Vorteil dass der Bodeneinfluss f r die Simulation nicht gestuft sondern linear ber cksichtigt wird Unstetigkeiten in den Modellergebnissen werden so vermieden Au er dem muss nicht die Bodenzugfestigkeitsklasse zur Bestimmung von sq zus tzlich zu den Bodenparametern abgesch tzt werden 4 9 Nebenleistung f r Ger te Zum Leistungsbedarf von unterschiedlichen Anbauger ten liegen kaum Messungen vor Grunds tzlich lassen sich f r Ackerschlepper Zapfwellenleistungsbedarf und hydraulischer Leistungsbedarf unterscheiden wobei letzterer f r die Mehrzahl der bei uns eingesetzten Ger te meist f r die Bet tigung von Hydraulikzylindern zur Ger teeinstellung oder f r Schlie mechanismen genutzt
242. unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten an allen R dern auftreten Zum einen kann durch unterschiedliche Radlasten oder Triebkraftbe dingungen an den beiden Seiten bei nicht gesperrtem Differenzial eine Drehzahlabweichung auftreten zum anderen ist meist kein L ngsdifferenzial vorhanden was bei Allradschleppern zu einem festen bersetzungsverh ltnis zwischen Vorder und Hinterachse f hrt Da die Rollradien von Luftdruck und Untergrund beeinflusst werden Kapitel 3 5 3 wird aus Gr n den der Fahrstabilit t in der Regel eine Voreilung von bis zu 3 gew hlt die Umfangsge schwindigkeit der Vorderr der ist um bis zu 3 gr er als die der Hinterr der Brenninger untersucht die Auswirkungen dieser Voreilung theoretisch bez glich Wirkungsgrad und Fahrverhalten bei Kurvenfahrt 159 161 Die Auswirkungen auf den Wirkungsgrad k nnen anschaulich in einem Kennfeld wie in Bild 12 dargestellt werden Dabei zeigt sich dass opti male Wirkungsgrade in etwa bei gleichen Umfangsgeschwindigkeiten von Vorder und Hin terr dern auftreten Dennoch ist der Wirkungsgradverlust selbst bei Voreilungswerten bis zu 6 minimal unter 2 und daher von untergeordneter Bedeutung Wichtiger ist nach Bren ninger das Verhalten bei Kurvenfahrt wobei durch eine stufenlos regelbare bersetzung des Allradantriebs der Wendekreis deutlich verkleinert werden kann Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 49 ee eebe o gt Zug a I
243. ur 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 Harnisch C Matlab Simulink Module AS2TM Benutzerhandbuch 2003 e Harnisch C Dynamische Echtzeitsimulation der Gel ndefahrt mehrachsiger Radfahrzeuge Dissertation Universit t der Bundeswehr Hamburg 2001 VDI Reihe 12 Nr 488 Korlath G Mobility Analysis of Tracked and Wheeled Vehicles on Unpaved Ground Proceedings of the 7th Asia Pacific Conference of the ISTVS Changchun China 2004 S 99 112 Osetinsky A und I Shmulevich Traction Performance Simulation of a Pushed Pulled Driven Wheel Trans ASAE 47 2004 H 4 S 981 994 H fflinger W Raupenlaufwerke Eine Erg nzung zu AS Reifen Landbauforschung V lkenrode 1998 SH 196 S 35 48 Persson S Tire radius a discussion Vorabmanuskript zu einem Buch Persson S Basic concepts in traction mechanics a discussion Proceedings of the 5th North American Conference of the ISTVS Saskatoon Canada 1995 S 99 108 Sch ring D A Contribution to Soil Dynamics Journal of Terramechanics 5 1968 H 1 S 31 37 Grecenko A Messungen der Zugeigenschaften bei Gel ndefahrzeugen gemessene Gr en Zemedelska technika 24 1978 S 643 660 Schreiber M and H D Kutzbach Comparison of different zero slip definitions and a proposal to standardize tire characteristics Proceedings of the e European Conference of the ISTVS
244. verbrauch und kann daher vernachl ssigt werden Der Verbrauch beim Dreschen ist insbesondere durchsatzabh ngig deshalb werden verschie dene Ertragswerte verglichen Die Fahrgeschwindigkeit wurde hier angepasst um die Ergeb nisse nicht durch allzu stark abweichende Motorauslastungen zu verf lschen F r alle berechneten Werte wurde hier stets der gleiche Schlepper gew hlt um die Produkti onsketten f r einen Betrieb mit nur einem Schlepper berechnen zu k nnen siehe Kapitel 6 5 Ergebnisse f r Ackerschlepper mit anderer Motorleistung und Masse k nnen mit dem Excel Modell schnell und einfach berechnet werden Auch Untersuchungen f r eine Vielzahl von weiteren Arbeiten sind bei bekannten Parametern m glich Einschr nkungen ergeben sich lediglich bei Hofarbeiten Futtermischwagen Lade oder Rangierarbeiten usw da diesen keine Fl che zugeordnet werden kann Hierzu kann das detaillierte Modell genutzt werden mit dem bei bekanntem Leistungsbedarf und bekannten Fahrstrecken f r diese Arbeiten Kraftstoffverbrauchswerte berechnet werden k nnen 154 Vereinfachte Berechnung des Kraftstoffverbrauches Tabelle 19 Kraftstoffverbrauch f r unterschiedliche Arbeiten B den und Schlaggr en Schleppermasse 6 t Motorleistung 100 kW Boden Bear Kraftstoffverbrauch l ha oberfl che beitungs f r unterschiedliche Ger t Traktions widerstand Schlaggr en verhalten des Bodens 2
245. vor Dazu m ssen die wesentlichen Parameter von Schlepper und Ger t aber auch f r das Triebkraftverhalten und den Zugkraftbedarf der Ger te bekannt sein Als Regelgr e bietet sich neben dem Zugkraftbedarf auch der am Schlepper messbare Schlupf an Stellgr e ist vor allem die Arbeitstiefe die direkten Einfluss auf die Zugkraft hat aber auch die Ver nderung der Arbeitsbreite beim Pfl gen oder die Lage des Ger ts zum Schlep per sind denkbar Als problematisch wird der Einfluss dieser Stellgr en auf das Arbeitser gebnis eingestuft das nicht mit in die Regelung eingeht Auch die Optimierung der Getriebe bersetzung und der Motordrehzahl wird vorgesehen Dazu werden mittels eines Algorithmus die optimale Schleppereinstellung und Pflugbreite ermittelt die vor jeder Fahrspur eingestellt werden k nnen Das Potenzial wird sowohl f r eine Leistungssteigerung als auch zur Kraft stoffeinsparung als erheblich eingestuft Kipp stellt die Umsetzung eines solchen Schleppermanagements mit entsprechenden digitalen Regelsystemen mit einem Mikrorechnerkonzept vor 154 Kraftstoffeinsparungen und Leis tungssteigerungen von 15 k nnen so bei der Bodenbearbeitung erreicht werden Ferner werden die M glichkeiten der verbesserten Fahrsicherheit durch geregelte Schwingungstil gung gezeigt Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht 47 Die Potenziale eines Schleppermanagements mit den aktuell verf gbaren Regelm glichkei
246. vorteil von etwa 10 auf 3 4 reduziert Als kritisch wird auch die Haltbar keit der Einspritzpumpen eingesch tzt 27 Nachweise f r geringere Lebensdauern liegen jedoch nicht vor 2 3 2 Pflanzen l Bei dem Einsatz von reinem Pflanzen l ist der Kostenvorteil gegen ber Diesel gr er Der mit Biodiesel vergleichbare Heizwert steht einem um etwa 30 geringeren Preis gegen ber Allerdings gibt es keine herstellerseitigen Freigaben f r die Motoren Es sind Umbauma na men notwendig die von verschiedenen Firmen angeboten werden Der Kraftstoff muss zur Senkung der Viskosit t und besseren Zerst ubung vorgew rmt werden alternativ werden auch Zweikraftstoffsysteme mit Umschaltung zwischen Diesel und Raps l angeboten Bei einigen Anbietern der Umr sts tze werden auch ver nderte Einspritzd sen und Auslassventi le eingesetzt Ein Problem stellt die Haltbarkeit der Maschinen dar 28 Im so genannten 100 Schlepper Programm wurden 111 Fahrzeuge umger stet und mit Pflanzen l betrieben In den ersten 4 Jahren traten bei 36 Schleppern Sch den mit Kosten ber 2000 und bei 10 Schlep pern mit Kosten ber 15000 auf Lediglich ein Drittel der Maschinen lief problemlos Die 10 Emissionen beim Einsatz von Verbrennungsmotoren Hauptprobleme bei diesen Tests waren der auch von Reiser 19 als kritisch bezeichnete Teillastbetrieb sowie stark schwankende Qualit ten des Kraftstoffs Grunds tzlich ist eine Umstellung nur dann sinnvol
247. wenn sie ben tigt werden Das ist bei schwerer Zugarbeit Fahren am Hang oder Pfl gen in der Furche der Fall Der Einfluss der Voreilung auf den Laufwerkwirkungsgrad wird vernachl ssigt da er wie gezeigt wurde gering ist Es wird f r die Berechnungen von ebenen Fl chen ausge gangen der Einfluss von Hanglagen wurde in Kapitel 5 8 1 n her untersucht eine vereinfa chende allgemeine Aussage ist nicht m glich Relevante Auswirkungen f r das Fahren berg auf und bergab zeigen sich jedoch nur in Extremlagen seitliche Neigung hat bei gesperrtem Differenzial praktisch keinen Einfluss Daher wird dieser Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch f r das vereinfachte Berechnungsverfahren nicht ber cksichtigt Die genaue Geometrie hat verglichen mit den Auswirkungen der Gesamtmasse einen geringen Einfluss auf den Kraft stoffverbrauch daher wird auch dieser vernachl ssigt 6 2 2 Einfluss der Gesamtmasse Die Gesamtmassen von Schlepper Ger t Anh nger und ggf Ladung m ssen jedoch bekannt sein oder zuverl ssig gesch tzt werden anschlie end berechnet sich die gesamte Gewichts kraft Fg nach Gleichung 85 EN es EE leng 85 G Z MGes SC M Schlepper Dos TU 85 Wenn bei Transportarbeiten in beide Richtungen transportiert wird darf die Masse der La dung nicht halbiert werden Bei Abfahr und Zubringarbeiten sowie landwirtschaftlichen Ernte und Ausbringarbeiten ist dies in der Regel nicht der Fall da entweder die halbe Strecke eine
248. werden kann Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu den Schleppern ist der gro e Nebenleistungsbedarf im Verh ltnis zu der geringen Zug bzw Rollwiderstandsleistung F r den M hdrescher als 56 Kraftstoffverbrauch von Ackerschleppern Literatur bersicht die bedeutendste Erntemaschine wurde eine umfassende Untersuchung des Leistungsbedarfs von Mugrauer 193 durchgef hrt In der Regel wird der Leistungsbedarf der einzelnen Ag gregate als fester Anteil der installierten Motorleistung angenommen Bild 14 obgleich er fast ausschlie lich vom Durchsatz der Maschine abh ngig ist Genauere Untersuchungen f r die kleineren Nebenantriebe und bei st ckzahlschw cheren Erntemaschinen fehlen nahezu v llig S N ZS Fahrantrieb Korntank entleerung mech hydr gt xf gt 80 Dreschwerk o u Sch ttler 60 24 D G A0 e A 2 15 H cksler 2 Klimaanl Elek lt 20 9 Reinigung 2 W Schr gf rderer 7 Schneidwerk 2 4 12 14 6 8 10 Durchsatz t h 2 3 4 5 Fahrgeschwindigkeit km h Bild 14 Aufteilung der Motorleistung beim M hdrescher nach Freye 194 3 10 Kraftstoffverbrauch au erhalb der Hauptzeit Da der Schlepper nicht nur beim Bearbeiten der Fl che an sich Hauptzeit 190 Kraftstoff verbraucht sondern auch w hrend des Wendens am Vorgewende zudem Standzeiten durch Pausen und Reparaturen sowie Fahrstrecken von und zum Feld oder Transportarbeiten anfal len
249. zu dieser 5 km h Kurve lediglich der Knick tritt bei kleineren Steigungen auf und das Verbrauchsniveau ist insgesamt niedriger F r gro e Zugkr fte steigen die Kurven mit der Steigung progressiv an auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten Ergebnisberechnungen 135 Aufgrund dieses unterschiedlichen Verhaltens in Abh ngigkeit von der Motorcharakteristik dem Triebkraftverhalten und der Zugkraft sowie der Motorauslastung ist eine Verallgemei nerung der Ergebnisse nicht m glich Nur in detaillierten Modellen kann dieser Einfluss korrekt ber cksichtigt werden F r einfache Berechnungsverfahren muss er vernachl ssigt werden was aufgrund der praxis blichen Bearbeitungsrichtung quer zum Hang und norma lerweise geringeren Steigungswerten als in dem gezeigten Beispiel als relativ unproblema tisch anzusehen ist 5 82 Einfluss von Steigungen und Gang bei Stra enfahrt Bereits in Bild 49 wurde der Einfluss des Ganges bei der Stra enfahrt gezeigt Da in diesem Kapitel der Einfluss der Steigung allein im Vordergrund steht ist in Bild 54 der Verbrauch f r unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten bei der Wahl des jeweils verbrauchsoptimalen Gan ges dargestellt Die Kurven f r die jeweilige Geschwindigkeit entsprechen der unteren H ll kurve von Bild 49 anhand dessen auch die Unstetigkeitsstellen durch Schaltvorg nge in den Kurven erkl rt werden k nnen 3 a kg a km v 6 km h 5 9 _v 10km h S v 15 km h

Kraftstoffverbrauch beim Einsatz von

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