Article in yearbook 2021

Tractors Ride Dynamics – Ride Safety – Driver's Place

Abstract:

Current studies are targeted towards gaining knowledge regarding conventional topics of driving dynamics and driving safety in agricultural tractors. However, the focus is also shifting increasingly towards challenges in the context of highly automated and autonomous systems, a shrinking number of qualified employees in the agricultural sector and, last but not least, environmental and climate protection aspects. Potentials arise from improved assistance systems, testing methods and a deeper system understanding. Highly sophisticated and pragmatic approaches are discussed equally.

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Fahrdynamik

Traktoren und deren fahrdynamische Charakteristika sind nach wie vor Gegenstand aktueller Forschung. Untersuchungen zielen auf Effizienz- und Leistungssteigerungen sowie verbesserte Simulationsansätze und Prognosemöglichkeiten ab. Jedoch findet ebenfalls die Erschließung von Nischenbereichen mittels pragmatischer Lösungen statt und nicht zuletzt rücken auch Umwelt- und Klimaschutzaspekte stärker in den Fokus.

Gegenstand der Untersuchungen von Saetti, Mattetti et al. sind Energieverbräuche von Nebenaggregaten in landwirtschaftlichen Traktoren, die in Feldversuchen untersucht wurden. Die Aufzeichnungen wurden im Rahmen von 137 Betriebsstunden mit einem Steyr 6230 CVT auf 1212 Kilometern Fahrstrecke vorgenommen. Während der Versuche lag der Kraftstoffverbrauch allein durch die Nebenaggregate bei 462 Liter. Im Leerlauf benötigten die Nebenaggregate einen Anteil von 38 Prozent der Gesamtenergie. Die größten Energieverbraucher sind über den Motorriemen direkt mit der Kurbelwelle gekoppelt und dadurch direkt abhängig von der Motordrehzahl. Dies kann zu einem zum sogenannten „accessory overdrive“ führen – also einer Energieversorgung der Nebenaggregate, die über dem tatsächlichen Bedarf liegt – und zum anderen kann sogenanntes „parasitic loading“ auftreten – der Energieverbrauch von Nebenaggregaten, ohne eine sinnvolle Funktion zu erfüllen. Die Autoren gehen davon aus, dass Traktoren in Bezug auf deren Energieverbrauch stark von elektrisch angetriebenen Nebenaggregaten profitieren würden [1]. Einen ähnlichen Untersuchungsgegenstand hat die Veröffentlichung von Mattetti, Varani et al. [2]. Diese befasst sich mit der Möglichkeit und dem Nutzen einer Start-Stopp-Automatik für Traktoren zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen. Hintergrund der Untersuchung ist, dass Traktoren 10 % bis 43 % der Betriebszeit im Leerlauf betrieben werden [3] und 67 % der Leerlaufzeit ausschließlich durch das Verhalten der fahrzeugführenden Personen bedingt sind [4]. Als minimal erforderliche Standzeit, für die ein Ausschalten des Motors energetisch sinnvoll ist, wird eine Zeit von 4 Sekunden ermittelt. Eine tatsächliche Umsetzung einer Start-Stopp-Automatik würde eine gewisse Überarbeitung des Antriebsstrangs, insbesondere der elektrischen Anlage nach sich ziehen. Die Autoren wollen aber unabhängig von einer tatsächlichen Umsetzung das Bewusstsein für die Schädlichkeit und den Einfluss von Leerlaufzyklen schaffen [2].

Ebenfalls verantwortlich für den Energiebedarf von Traktoren sind Erkenntnisse über den Rad-Boden-Kontakt, als Schnittstelle zum überfahrenen Gelände. Diese sind wertvoll, um auftretende Kräfte besser abschätzen zu können und Maßnahmen sowie aktive Sicherheitssysteme zur Steigerung der Fahrsicherheit implementieren zu können. Pegram, Botha et al. führen mit diesem Ziel Untersuchungen an Stollenreifen mit Hilfe eines Trommelprüfstands durch. Die Reifenverformung beim Abrollen wird mittels Dehnungsmessstreifen gemessen, während die Kontaktzone mit der Hilfe von Stereokameras bei Last-, Schlupf- und Innendruckvariationen aufgenommen wird. Lineare Zusammenhänge zwischen Radlast und Reifendehnung können potentiell zur Vorhersage von Reaktionskräften verwendet werden. Bei der Dehnungsmessung sind jedoch die Charakteristik und der Einfluss der Stollen zu berücksichtigen [5]. Im Rahmen von Ausrollversuchen unter Variation der Reifeninndrücke und Ballastierung wählen Schwehn, Ernst et al. einen Ansatz zur Rollwiderstandsermittlung von Traktorreifen auf Asphaltuntergründen. Die Untersuchungen zeigen, dass bei niedrigen Reifeninnendrücken Walkverluste verstärkt zum Tragen kommen, während im Bereich zwischen 1,6 und 2,4 bar nur geringere Einflüsse zu verzeichnen sind. Mit Hilfe des praxisnahen Ansatzes wird eine Kompromissfindung zwischen Rollwiderstand, Gesamtenergiebedarf und Fahrkomfortaspekten bei Transportfahrten unterstützt [6]. Weitere Untersuchungen an Off-Road Reifen auf weichen Untergründen bei mehreren Überfahrten führen He, Sandu et al. durch und untersuchen Bodendeformationen in Abhängigkeit des Reifenschlupfs sowie die Traktionsleistung [7]. Einen Modellierungsansatz von Rad-Boden-Kontakten von Off-Road Reifen in Dynamiksimulationen für ein breites Untergrundspektrum schlagen Peiret, Karpman et al. vor. Die Formulierungen erfolgen auf Basis des Cone-Index – Bodenreaktionskräfte werden mittels Zwangsbedingungen implementiert [8].

Prüfstandsversuche bieten Vorteile wie eine hohe Wiederholgenauigkeit, eine Unabhängigkeit von Witterungseinflüssen sowie die Automatisierung und Beschleunigung von Testzyklen. Der Erkenntnisgewinn und die Verwertbarkeit von Ergebnissen und Messdaten ist jedoch vom Praxisbezug bzw. der Realitätsnähe abhängig. Mit Inkrafttreten der Stufe V der EU-Verordnung 2016/1628 wurde die Überwachung von Realemissionen mittels portabler Emissionsmesssysteme (PEMS) eingeführt. In diesem Zusammenhang beschäftigen sich Ettl, Emberger et al. mit der geeigneten Abbildung von Realemissionen bei verkürzter Messdauer in einer Prüfstandsumgebung. Die CAN-Bus Daten realer Traktorfahrzyklen werden in diesem Zusammenhang in einem Versuch über die gesamte Zeitdauer reproduziert und in einem weiteren Versuch segmentiert, um ausschließlich relevante Segmente zur Reproduktion der Zyklen in der Prüfstandsumgebung zu verwenden. Die anfallenden Emissionen werden auf dem Prüfstand mit Hilfe eines PEMS und eines stationären Gasanalysesystems erfasst und mit den PEMS-Daten bei realen Fahrzyklen verglichen. Im Rahmen der Untersuchungen konnte die Testdauer mit der beschriebenen Methode zur Bestimmung der anfallenden Emissionen von 8,5 Stunden Realdaten auf 55 Minuten reduziert werden [9].

In Bild 1 sind ein Antriebsstrang-Prüfstand sowie der schematische Aufbau der Interaktion mit einem korrespondierenden Traktormodell zur Ansteuerung zu sehen. Schoerghuber, Ortner et al. validieren für diese Konfiguration das zur Anwendung kommende Traktormodell zur Ansteuerung der Prüfstandsperipherie anhand realer Fahrszenarien. Die vorgestellten Validierungsmanöver umfassen eine Pendelfahrt bei 10 km/h, eine Fahrt mit Anbaugerät unter Abgriff einer Zapfwellenleistung und Belastung der Traktorhydraulik bei 6 km/h sowie eine Transportfahrt mit Anhänger auf einer Fahrbahn mit zunehmender Steigung. Der Prüfstand soll zukünftig im Zuge von Applikationen und Validierungen zum Einsatz kommen, wodurch Stör- und Umwelteinflüsse realer Kalibrierungen vermieden und automatisierte Kalibrierungsprüfungen ermöglicht werden [10].

Eine Methode zur beschleunigten strukturmechanischen Prüfung von Traktoren unter Verwendung eines Rollenprüfstands stellen Wen, Xie et al vor [11]. Eine Abbildung eines Lastspektrums zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Zapfwellen, auf der Basis von Messungen an Traktorzapfwellen mit Hilfe eines patentierten Zapfwellenprüfstands, stellen Wang et al. vor. Im Fokus der Untersuchung steht eine Kombination aus Fuzzy- und PID-Regler zur Abbildung variabler Lastmomente mittels zweier Wirbelstrombremsen [12]. Zur Rekonstruktion und Extrapolation von Lastsignalen in Bezug auf Festigkeits- und Ermüdungsuntersuchungen diskutieren Yang, Song et al. einen Ansatz. Vorgeschlagen wird von den Autoren, auch dynamische Lastwechsel zu berücksichtigen [13]. Eine Modellierung von Belastungsspektren von angetriebenen Traktorvorderachsen wird durch Yang, Song et al. durchgeführt. Im Fokus sind hier Parameteridentifikationen bezogen auf die gesamte Einsatz- bzw. Lebensdauer [14].

Bild 1: Realer Aufbau des Antriebsstrangprüfstands des Kubota M7 Traktors und schematische Übersicht des Signalflusses für den modellbasierten Prüfstandsbetrieb [10]

Figure 1: Real powertrain test bed setup of the Kubota M7 tractor and schematic overview of signal flow for model-based operation [10]

 

Optimierungspotential im Konfliktfeld zwischen Traktionsleistung und Bodenverdichtung zeigen Bulgakov et al. auf. Durch den Einsatz einer zusätzlichen Antriebsachse gekoppelt mit der Wegzapfwelle eines Traktors kann die Traktionsleistung vergrößert werden, ohne gleichzeitig die Bodenverdichtung zu erhöhen. In Versuchen wird die genannte Konfiguration mit einem 5-Schar Pflug einem Standardtraktor mit 3-Schar Pflug gegenübergestellt. Gegenüber der Standardtraktorkonfiguration wird in den Tests eine gleichmäßigere Bodenbearbeitung bei geringerer Fluktuation der Bearbeitungstiefe ermittelt. Weiterhin wird durch gezielte Zugpunkteinstellung bei vergleichbarer Bearbeitungsqualität der Kraftstoffverbrauch verringert [15].

Einen Prototypingansatz zur aktiven Schlupfkontrolle bei der Bodenbearbeitung unter Verwendung eines Fuzzy-Reglers implementieren Soylu und Çarman. Der Schlupf wird in Relation zur nicht angetriebenen Traktorvorderachse bestimmt und durch die Tiefeneinstellung des Pflugs geregelt. In Feldtests wird das Assistenzsystem auf Arduino-Mikrocontrollerbasis gegenüber der Feldbearbeitung ohne Assistenzsystem bei manueller Tiefeneinstellung des Pflugs verglichen. Bei der Bearbeitung eines lehmig-tonigen Weizenstoppelfelds mit einer geplanten Arbeitstiefe von 25 Zentimetern konnte durch den Einsatz des Assistenzsystems eine zehnprozentige Abnahme der Arbeitstiefe, bei einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs um 44 % sowie einer Erhöhung der Flächenleistung um 5 % ermittelt werden [16]. Einen ähnlichen Ansatz zur Schaffung eines kostengünstigen Assistenzsystems für eine Überwachung des Antriebsschlupfs, des Geschwindigkeitsverhältnisses eines Bodenbearbeitungsgeräts sowie des Zapfwellenmoments und Zugkraftbedarfs wählen Nataraj, Sakar et al. Das System ist so konzipiert, dass der fahrenden Person durch 3 LEDs signalisiert wird, ob sich Schlupf und Geschwindigkeitsverhältnis bei der Bodenbearbeitung in einem günstigen Bereich befinden. Versuche zur Systemverifizierung wurden auf einem abgeernteten Reisfeld mit sandigem Lehmboden in Indien unternommen [17].

Weitere Ansätze für sensortechnische Maschinenaktualisierungen stellen Gabitov, Insafuddinov et al. im Rahmen einer Methode zur Überwachung und Vorhersage von Maschinenausfällen vor, die auf der Grundlage aktueller Maschinenbetriebsdaten erfolgt [18].

Aspekte der Fahrdynamik von Traktoren im Feld hochautomatisierter Maschinen sind Gegenstand der Veröffentlichung von Stasewitsch, Schattenberg et al. Hierzu werden Einsatzgrenzen eines kinematischen Einspurmodells zur Pfadfolgeregelung untersucht. Diese werden mit den komplexeren Ansätzen dynamischer Modelle verglichen und in Feldtests an einem Fendt Vario 724 untersucht. Anhand der Untersuchungen werden Einsatzgrenzen hinsichtlich der Fahrgeschwindigkeit und des Lenkwinkels angegeben, für die in Abhängigkeit der untersuchten Einsatzbedingungen eine vertretbare Abweichung des kinematischen Modells gegenüber dem dynamischen Modell gegeben ist [19]. Ebenfalls mit der Pfadfolgeregelung unter fahrdynamischen Gesichtspunkten beschäftigen sich Xu, Chen et al. Untersuchungsgegenstand ist die Charakteristik eines elektro-hydraulischen Lenksystems und die geeignete Berücksichtigung im Rahmen einer Regelungsstrategie. Zur Anwendung kommt ein kaskadierter Algorithmus, bestehend aus modellprädiktiver Regelung (model predictive control), Gleitregimeregelung (sliding mode control), und PID-Regelung für die korrespondierenden Hierarchiestufen der Pfadfolge-, Lenkwinkel- und Lenkmomentregelung. Untersucht wird der vorgeschlagene Algorithmus in Simulationen und Hardware in the Loop Tests [20].

Fahrsicherheit

Aktuelle Untersuchungen bezüglich auftretender Unfälle und Unfallursachen verdeutlichen, dass der landwirtschaftliche Bereich mit seinen zum Teil rauen und schwer einzuschätzenden Umweltbedingungen ein erhöhtes Risiko für Personen, Material und Umwelt darstellt und ein unveränderter, wenn nicht zunehmender Entwicklungsbedarf nach sicherheitstechnischen Maßnahmen und Einrichtungen auf Organisations-, Einsatz- sowie Maschinen- und Personenebene gegeben ist.

Den Zusammenhang zwischen Personenalter und einer Häufung von Unfällen im landwirtschaftlichen Sektor untersuchen Faust, Castell et al. Probandenversuche in einem realitätsnahen Traktorsimulator zeigen eine deutlich erhöhte Reaktionszeit bei älteren Probanden [21]. Niu, Li et al. veröffentlichen Untersuchungen zu Einflussfaktoren für unsicheres Fahrverhalten von LKW-Fahrern. Die Analysen unter Zuhilfenahme der Methoden maschinellen Lernens decken hier Korrelationen und individuelle Risikofaktoren auf und beziehen insbesondere auch organisationstechnische und soziale Aspekte mit ein [22]. Die Erkenntnisse und Diskussionsansätze sind für den landwirtschaftlichen Bereich im Rahmen der Unfallprävention ebenfalls relevant.

Bild 2: Seitlicher Überschlag des Traktors auf eine horizontale Fläche: (a) Schematische Darstellung, mit s und s' als Ausgangs- und Endlage des Massenschwerpunkts; Versuchsfahrzeug in T1 (b) und T2 (c) Konfiguration [23]

Figure 2: Lateral tractor rollover onto a horizontal surface: (a) Schematic representation where s, s' indicate the COG initial and rest positions respectively; actual tested tractor in T1 (b) and T2 (c) configuration [23]

 

Überschläge stellen nach wie vor besonders kritische Unfallereignisse dar. In diesem Zusammenhang untersuchen Khorsandi, Ayers et al. einen Querschnitt an Maßnahmen und Technologien zur Vermeidung von Überschlägen sowie auch Bedienerschutzvorrichtungen und Informationssystemen zur Benachrichtigung von Ersthelfern im Off-Road Bereich [24]. Effektive Bedienerschutzvorrichtungen zur Vermeidung tödlicher Unfälle stellen in diesem Zusammenhang Überrollschutzsysteme (roll over protective structures - ROPS) dar. Das Energieabsorptionsvermögen des mit Dämpfungsblöcken montierten ROPS eines Schmalspurtraktors mit unterschiedlichen Radkonfigurationen untersuchen Capacci et al. Repräsentiert werden die Traktortypen T1 und T2 der EU-Verordnung 167/2013/EU mit der Reifengröße 420/70R30 in T1-Konfiguration und 270/95R36 in T2-Konfiguration auf der Hinterachse. Im Rahmen der Untersuchungen wurde der Versuchstraktor quasi-statisch zum Kippen gebracht. Die umgewandelte Energie ergibt sich aus der Traktormasse und der Höhenänderung des Massenschwerpunkts beim Überschlag (s. Bild 2 a). Die Kräfte und Verformungen des ROPS wurden an der Kontaktzone des Aufpralls erfasst. Die Überschlagsversuche (vgl. Bild 2) zeigen eine negative Auswirkung der schmalen Räder, sowohl bezüglich der Aufprallenergie (durch einen höherliegenden Massenschwerpunkt), als auch bezüglich der Energiedissipation in den Reifen, was zu einem erhöhten Anteil der Aufprallenergie für den Überrollschutz führt. Die Autoren schlagen vor, den Einfluss von Dämpfungsblöcken und Reifenkonfigurationen bei Überschlagsmodellen und dem Design von ROPS mit zu berücksichtigen, zum Teil veraltete Testszenarien zu überarbeiten und kritische Fahrzeugkonfigurationen im Rahmen von Zertifizierungen zu berücksichtigen [23].

Das Ziel, Überschlagssituationen nachzubilden, Mechanismen zu identifizieren und das Verhalten fahrzeugführender Personen zu untersuchen, verfolgen Watanabe und Sakai mit der Entwicklung eines Fahrsimulators. Der Fahrsimulator ist auf der Basis von CarSim und MATLAB/Simulink aufgebaut und umfasst einen hydraulischen Shaker mit 6 Freiheitsgraden sowie weitere Peripheriegeräte als Benutzerschnittstelle. Fokus des Simulators ist die Abbildung von Überschlags- und Kippszenarien verursacht durch niedrige Radaufstands- und Seitenführungskräfte rutschender und springender Reifen. Abgebildet wird das Szenario eines tatsächlichen Traktorunfalls in Japan bei der Befahrung eines steilen Kurvenstücks als Übergang zwischen einem Reisfeld und einem Wirtschaftsweg (s. Bild 3) [25].

Bild 3: Verhalten des Simulators bei der Simulation eines umkippenden Traktors. (a): Traktor vor dem steilen Übergangsweg; (b): Traktor bei Auffahrt auf den Übergangsweg; (c): Rutschen des Traktors; (d) Sturz des Traktors von der Straße [25]

Figure 3: Behaviour of the motion system during the simulation of tractor overturning. (a): Tractor before entering the passage slope; (b): Tractor enters into the passage slope; (c): Sliding occurrence; (d) Tractor fall from the road [25]

 

Im Rahmen einer weiteren Veröffentlichung untersuchen Watanabe und Sakai die als Power-Hop bezeichnete Instabilität – eine selbsterregte Schwingung, die sich durch das Springen der vorderen Traktorreifen äußert und vorrangig bei 4WD-Traktoren unter hohen Zuglasten auf trockenem Untergrund auftritt. Das implementierte Zeitdomänenmodell beschreibt das vertikale Reifenspringen, Stick-Slip-Effekte sowie das Gelenkspiel zwischen Traktor und Anbaugerät. Das Modell kann die Charakteristika vorausgegangener Feldexperimente in Parameterstudien reproduzieren. Mit Hilfe des entworfenen Modells soll laut den Autoren eine weitergehende Untersuchung von Power-Hops möglich sein, um zukünftig Vermeidungs- und Regelungsstrategien zu entwickeln [26]. Einen analytischen Ansatz zur Abschätzung der statischen und dynamischen Kippstabilität landwirtschaftlicher Fahrzeuge stellen Petrović, Cerović et al. vor. Berechnet und anhand skalierter Modellversuche verifiziert werden maximale Geländesteigungen ideal ebener Untergründe, für die in Abhängigkeit verschiedener Geschwindigkeiten und Kurvenradien ein Überschlag vermieden werden kann [27]. Mit der Neigung zum seitlichen Kippen beschäftigen sich ebenfalls Song, Zhang et al. im Rahmen von numerischen Parameterstudien am Beispiel eines Mähdreschers bei kurzen Straßenfahrten [28].

Um die Verletzung von Personen und Materialschäden zu vermeiden, die im Falle eines Überschlags unweigerlich entstehen, stellen Qin, Wu et al. einen aktiven Ansatz zur Fahrzeugstabilisierung vor. Hierzu entwickeln die Autoren ein nichtlineares zeitvariables Modell, mit welchem die Kipp- bzw. Rolldynamik von Traktoren beschrieben werden kann. Als Intervention werden sowohl ein geregeltes Schwungrad als auch ein aktiver Lenkassistent verwendet. Die Umsetzbarkeit des Regelalgorithmus und der Stabilitätskriterien wird anhand von Simulationen und skalierten Versuchen überprüft. Die Erkenntnisse sollen laut den Autoren als Ansatz zur Stabilisierung für zukünftige Robotersysteme und Straßenfahrzeuge genutzt werden [29].

Weitere Gefährdungen gehen für maschinenführende Personen von hör- und spürbaren Maschinenschwingungen aus (noise, vibration, harshness - NVH). Diese stellen je nach Expositionsdauer und -stärke sowohl Komfortbeeinträchtigungen als auch Gesundheitsgefährdungen dar. Zur Bewertung der Exposition bezogen auf einen 8-Stunden-Arbeitstag kommt häufig die Methode nach ISO 2631-1 [30] zur Anwendung. Im Rahmen der ISO 2631-5 [31] werden zwei verschiedene weitere Methoden in Abhängigkeit von der Expositionscharakteristik definiert, wodurch die Wahrscheinlichkeit chronischer Erkrankungen abgeschätzt werden soll. De la Hoz Torres et al. führen einen Vergleich der beiden genannten Normen durch und kritisieren in diesem Zusammenhang eine unzureichende Abstimmung dieser sowie eine zu geringe Basis an Studien bezüglich der Anwendung und Durchführbarkeit. Vor diesem Hintergrund schlagen die Autoren eine neue Methode vor, um insbesondere auch die Exposition und vorhandene Risiken während des gesamten Berufslebens zu evaluieren. Die Methode wird beispielhaft auf eine Fallstudie angewendet, um den realen Einsatz zu demonstrieren. Untersucht wurden Traktorfahrten (Class II Category A - 78/764/EEC) in einem Geschwindigkeitsbereich von 5-25 km/h im Gelände, auf unbefestigten Straßen sowie asphaltierten Straßen [32].

NVH-Phänomene können verschiedene Ursachen haben. Eine Untersuchung und Modellierung von Schallemissionen im Antriebsstrang von Traktorzapfwellen deckt Kollisionen durch Verzahnungstoleranzen als Quelle von Geräuschemissionen auf. Zur Vorhersage der Schallabstrahlung wurden eine 1D-Simulation erstellt sowie Versuche durchgeführt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass sich das dynamische Verhalten und die Geräuschemissionen mit veränderter Drehzahl des Antriebsstrangs ändern. Hierbei wurde ein sprunghaft verändertes Verhalten, mit einer Verringerung der Schallabstrahlung um ca. 10,9 dB(A), in einem spezifischen Drehzahlbereich bei höher werdender Drehzahl identifiziert [33].

Die zunehmende Ausstattung von Traktoren mit Vorderachsfederungen zur Schwingungsdämpfung des Fahrzeugaufbaus treibt auch Neuentwicklungen entsprechender Feder-Dämpfer-Aggregate voran, die für einen möglichst großen Einsatzbereich konzipiert sind und den Fahrkomfort erhöhen sollen. Janoschek und Hillesheim stellen ein hydropneumatisches Federungssystem für Traktorvorderachsen mit regelbarem Ringraumdruck vor. Das Aggregat des Unternehmens Freudenberg Sealing Technologies wird aktuell mit zwei Ringraumdruckstufen angeboten und kann so in Abhängigkeit der auftretenden Achslasten die Federrate variieren und so den verfügbaren Federweg anpassen. Ein Aggregat mit individuell durch die bedienende Person einstellbarem Ringraumdruck befindet sich in der Testphase [34].

Im Rahmen einer Dissertation wird das Verhalten eines vollgefederten Systemtraktors mit semi-aktiver hydropneumatischer Federung in Kombination mit einem über den Heckkraftheber gekoppelten Anbaugerät untersucht. Sieting untersucht den Einfluss des Federungssystems auf das vertikaldynamische Verhalten des Fahrzeugs, die Auswirkung auf Fahrsicherheit und Fahrkomfort, die Systemdynamik unter Einsatz eines Anbaupflugs sowie die Beeinflussbarkeit der Fahrzeugschwingungen mittels gekoppelter Sky-Hook-Regelalgorithmen. Unter anderem wird ein Mehrkörpersimulationsmodell des vollgefederten Traktors als Einspurmodell aufgebaut, parametriert und für Untersuchungen verwendet. Vergleichend werden Versuche am Realfahrzeug auf einer 4-Stempel-Hydropulser-Anlage durchgeführt. Der spezielle Fahrzeugaufbau wird für die tiefe Bodenbearbeitung durch eine ungünstige Rückwirkung des Anbaugeräts auf den Fahrzeugaufbau als ungeeignet eingeschätzt. Mögliche Potentiale ergeben sich jedoch für den Einsatz von Anbaugeräten, die keine starken vertikaldynamischen Reaktionskräfte hervorrufen. In Simulationen wird dazu das mögliche Potential zur Tilgung von Nickschwingungen mit einem erweiterten Regelungsansatz unter Einbeziehung des Heckkrafthebers aufgezeigt [35].

Weitere Potentiale der Regelung von Federungssystemen ergeben sich durch das Einbeziehen der Fahrbahnunebenheiten in die Regelungsstrategie. Hamersma und Els entwerfen zu diesem Zweck einen modellbasierten Ansatz zur Abschätzung auftretender Federungsreaktionskräfte unter Verwendung von a priori Wissen über die Fahrbahnunebenheiten am Beispiel eines Off-Road Fahrzeugs mit dem Ziel, Auswirkungen geänderter Feder-Dämpfer-Einstellungen abzuschätzen. Untersuchungen werden in Simulationen an einem linearen Viertelfahrzeugmodell, einem nicht-linearen Vollfahrzeugmodell sowie in Experimenten mit konstanter Fahrgeschwindigkeit durchgeführt [36].

Fahrerplatz

Im Umfeld des Fahrerplatzes und der Fahrerplatzgestaltung wird die Implementierung hochautomatisierter Systeme sowie autonomer Ansätze weiter vorbereitet und fortgeführt. Jedoch werden auch notwendige Zwischenschritte vollzogen. Übergänge zwischen der Fahrerplatzgestaltung, der Prozessoptimierung und der Fahrsicherheit sind hierbei fließend.

Ein besonderes Augenmerk liegt in der Verortung, Umgebungswahrnehmung und Gefahrenerkennung. Die als 3D-Terrain-Mapping vorgestellte Methode soll zur Hinderniserkennung dienen und mittels Oberflächenscans die Umgebungs- und Untergrundstruktur erfassen. Aufgenommen werden 3D-Punktewolken mittels Stereo-Kameras, Radar und Lidar-Sensoren, die anschließend mit Machine-Learning- und Deep-Learning-Algorithmen aufbereitet werden. In diesem Zusammenhang geht es um Gefahrenerkennung, Kollisionsvermeidung sowie die Ableitung von Befahrbarkeits- und Durchführbarkeitsanalysen. Als ein mögliches Einsatzfeld im landwirtschaftlichen Bereich wird von den Autoren die Detektion eines Schwads beim Ballenpressen genannt. Mit der vorgestellten Methode können unabhängig von GNSS-Systemen automatisierte Fahraufgaben ermöglicht werden und sie können z. B. auch in besonderen Umgebungen wie Hanglagen zum Einsatz kommen [37]. Ein weiteres Multi-Sensor-System der Bosch Engineering GmbH besteht aus einer Radareinheit, Ultraschallsensoren sowie einem 360°-Kamerasystem. Das aktuell für Prototypingzwecke angebotene System soll fahrende Personen im Off-Highwaybereich durch eine Objekterkennung und Visualisierung sowie die Überwachung verschiedener Peripheriebereiche wie z. B. toter Winkel unterstützen [38; 39]. Eine Methode zur möglichst objektiven Auswahl geeigneter Sensoren oder Sensorkombinationen im Kontext von Objekt- und Hinderniserkennungen stellen Lee, Schätzle und Lang vor. Die technische Performanz (messbare Kernkriterien zur Erfüllung von Anforderungen und Zielen) sowie die Detektionszuverlässigkeit werden als Auswahlkriterien exemplarisch auf den Einsatzbereich eines autonomen Rasenmähers angewendet [40].

Mösker stellt einen Anbaugerätefeldhäcksler der Firma Krone und ein damit im Zusammenhang stehendes Assistenzsystem vor. Anbaugerätefeldhäcksler haben gegenüber konventionellen Feldhäckslern das Problem eines eingeschränkten Sichtfeldes. Dieses wird durch Kameras und Displays bzw. ein Head-Mounted-Display erweitert, um so die Nachteile gegenüber selbstfahrenden Feldhäckslern zu minimieren und Anbaugerätefeldhäcksler für den Nischeneinsatz attraktiver zu machen [41]. Ein bereits 2019 auf der LAND.TECHNIK AgEng Konferenz in Hannover vorgestelltes Konzept [42] ist eine radarbasierte Anstiegserkennung mit daraufhin abgestimmter Fahrstrategie [43].

Automatisierungslösungen und Assistenzsysteme werden auch eingesetzt, um den zunehmenden Mangel qualifizierter Arbeitskräfte zu kompensieren. Zur Evaluierung eines visuellen Assistenzsystems beim Speicher-Entladen einer Erntemaschine werden mit erfahrenen sowie unerfahrenen Personen Versuche mit und ohne Assistenzsystem durchgeführt. Die Auswertung der Aufzeichnungen von Eye-Tracking Brillen in Kombination mit NASA TLX Fragebögen konnte zeigen, dass durch den Einsatz eines Assistenzsystems eine stärkere Fokussierung auf den eigentlichen Aufgabeninhalt bei einer Verringerung der Nutzerbeanspruchung sowohl für erfahrene als auch unerfahrene Nutzer erreicht werden konnte. Gleichzeitig konnten ungünstige Körperhaltungen minimiert werden, die sich zum Beispiel durch ein Zurückdrehen der fahrenden Personen beim Blick durch das Heckfenster ergeben. Darüber hinaus konnte eine starke Korrelation der Nutzerbeanspruchung mit einem häufigen Blick durch das Heckfenster der Erntemaschine identifiziert werden. Beides konnte durch den Einsatz des Assistenzsystems reduziert werden [44]. Ebenfalls mit Eye-Tracking Metriken in Bezug auf die Arbeitsbelastung beim Ausführen sekundärer Aufgaben während des Fahrzeugführens beschäftigen sich Bitkina, Park et al. [45].

Assistenzsysteme wie das CEMOS-System von Claas zielen ebenfalls darauf ab, die Komplexität für fahrzeugführende Personen in verschiedenen Szenarios zu reduzieren und bei der Wahl geeigneter Maschinenkonfigurationen zu unterstützen. Ehlert stellt in diesem Zusammenhang die überarbeitete Softwarestruktur sowie die Mobilgerätanwendung Claas connect app vor [46]. Eine Integration des Bodenverdichtungswarnsystems TERRANIMO in das Assistenzsystem CEMOS nehmen Birkmann, Wieckhorst et al. vor. TERRANIMO ist ein webbasiertes Werkzeug zur Berechnung des Bodenverdichtungsrisikos, anwendbar für Traktorreifen und Raupenfahrwerke. Zur Anwendung kommt ein Approximationsansatz zur Berechnung der Spannungsverteilung im Boden. Diese wird mit der Lastaufnahmefähigkeit des Bodens verglichen, um das Risiko der Bodenverdichtung abzuschätzen. Berechnungsdaten und Benutzereingaben werden aus dem CEMOS System übernommen und an die Berechnung zur Abschätzung des Bodenverdichtungsrisikos übergeben. Benutzereingaben zu Bodenparametern werden dazu intern geeignet quantifiziert. Das Berechnungsergebnis des Bodenverdichtungsrisikos wird der maschinenführenden Person direkt in drei verschiedenen Tiefenschichten angezeigt (s. Bild 4) [47].

Bild 4: CEMOS Anzeige des Bodenverdichtungsrisikos für Traktoren mit Reifen und Raupenlaufwerken [47]

Figure 4: CEMOS illustrations to indicate the soil compaction risk for wheel tractors and for half-track tractors [47]

 

Assistenzsysteme und Systemkonzepte dienen jedoch zunehmend nicht nur zur Einstellung und Überwachung der Parameter einer einzelnen, isoliert betrachteten Maschine, sondern kommen im Rahmen der Parametereinstellung und Überwachung ganzer Maschinenverbände zum Einsatz. Diese Verbände sollen dabei kollaborativ und möglichst effizient gemeinsame Aufgabenstellungen verfolgen. Dies ist für hochautomatisierte und autonome Maschinen gleichermaßen essenziell. Ein wichtiges Element ist in diesem Zusammenhang die Kommunikation und Aufgabennachverfolgung. Ein Ansatz wird durch das AEF Projektteam Wireless In-Field Communication (WIC) vorgestellt. Demonstrationsbeispiel ist eine von mehreren Maschineneinheiten gemeinsam genutzte und in Echtzeit aktualisierte Bearbeitungskarte, die die Information der einzelnen Task-Controller zusammenführt. Der Fokus liegt hier auf einem markenunabhängigen Kommunikationsprozess. Betrachtungsschwerpunkte sind unter anderem der kontinuierliche Datenaustausch sowie eine Synchronisation bei Verlust und Wiederaufnahme des Kommunikationskanals. Hierzu wurden erste Feldtests durchgeführt [48]. Eine Überwachung von Maschinenverbänden wird künftig nicht nur aus einer fahrenden Maschine heraus erfolgen, sondern im Rahmen der Überwachung autonomer Systeme auch entkoppelt von diesen. Kissel, Tarasinski et al. stellen im Zusammenhang mit einer vollelektrischen Traktoreinheit zur Energieversorgung eines Maschinenverbands im Zuge des Projekts GridCon2 eine separierbare Fahrerkabine vor, die zum Manövrieren der vollelektrischen Einheit außerhalb der Einsatzszenarien dienen kann. Durch die eigenständige Energieversorgung kann die Kabine auch entkoppelt als eine Art mobiler Leitstand zur Überwachung des Maschinenverbands genutzt werden [49]. Einen Diskussionsbeitrag zu Umsetzung und Voraussetzungen hochautomatisierter Arbeitsgeräte, als Vorstufe zur autonomen Bewirtschaftung, aus Sicht der Prozessautomatisierung liefern Röttgermann und Haverkamp [50].

Änderungen der Einsatzkonzepte im Kontext hochautomatisierter Maschinen und Maschinenverbände erfordern auch Anpassungen sowie Neudefinitionen der Aufgabenstruktur des Bedien- bzw. Überwachungspersonals sowie auch Ansätze zur gänzlichen Überarbeitung des Arbeitsplatzes. Eine zunehmende Systemkomplexität mit stärkeren Automatisierungsgraden befördert die Prozessintransparenz und ist problematisch für das Situationsbewusstsein. Lorenz kritisiert in diesem Zusammenhang, dass der Automatisierungsgrad und die Aufgabenteilung aktuell durch die technologischen Grenzen zu Lasten der bedienenden Personen bestimmt werden. Daraus ergibt sich unter anderem eine starke Unregelmäßigkeit der Überwachungsaufgaben und notwendiger Eingriffe sowie der allgemeine Rückgang direkter Eingriffs- und Steueraufgaben. Hierzu untersucht Lorenz systematisch Bedienerszenarien, am Beispiel eines Bodenbearbeitungsprozesses, untergliedert diese und definiert eine Aufgabenstruktur im geänderten Arbeitsumfeld. Der Fokus liegt hier auf dem Wandel der Rolle maschinenführender Personen, den aufgabenbezogenen Tätigkeiten sowie deren Häufigkeit und Nutzerbeanspruchung der Mensch-Maschine-Interaktionen [51].

Im Rahmen des Projekts Fahrerkabine 4.0 mit einem Fokus auf adaptive Mensch-Maschine-Schnittstellen für Mähdrescher untersuchen Metzger, Lehr und Geimer aktuell Beanspruchungsgrade sowie Möglichkeiten beanspruchungsadaptiver Schnittstellen. Auf der Basis von Personenumfragen und CAN-Bus-Daten von Einsatzszenarien werden Belastungssituationen und Arbeitstätigkeiten ermittelt und quantifiziert. Die Analysen ergeben, dass Arbeitseinsätze geprägt sind von Situationen hoher Arbeitsbelastung einerseits und Bereichen der Unterforderung andererseits. Damit im Zusammenhang stehende Gefahren sind Unaufmerksamkeit und Ermüdung sowie eine Beeinträchtigung des Wohlbefindens. Künftiges Ziel ist es, Benutzerschnittstellen zu schaffen, die sowohl Überforderung als auch Unterforderungen vermeiden. Letzteres soll durch gezielte Aktivierung z. B. mittels unterstützender Handlungsempfehlungen erfolgen. Ein notwendiger Aspekt ist in diesem Zusammenhang auch die Nutzerzustandserfassung [52].

Maßnahmen der Effizienz- und Leistungssteigerung müssen neben der Rolle des Menschen im System auch verstärkt Klima- und Umweltschutzaspekte berücksichtigen, um die damit in Verbindung stehenden Herausforderungen erfolgreich bearbeiten zu können, aber auch, um der damit in Verbindung stehenden Verantwortung gerecht zu werden und die sich bietenden Entwicklungschancen zu nutzen. Neben einem verstärkten Trend zur Teil- und Vollelektrifizierung gilt es, auch bislang ungenutzte Potentiale aufzudecken und zu nutzen. Diskussionsansätze in Bezug auf eine nachhaltige Implementierung autonomer agrartechnischer Maschinen sowie Ansätze einer nachhaltigeren Gestaltung von Maschinen und landwirtschaftlichen Prozessen liefern Holovač und Krzywinski [53].

Zusammenfassung

Optimierungen und Untersuchungen in den Bereichen Fahrdynamik, Fahrsicherheit und Fahrkomfort zielen darauf ab, Entwicklungs-, Bearbeitungs- und Prüfprozesse effizienter zu gestalten und durch das Einbringen eines tiefergehenden Systemverständnisses bislang ungenutzte Potentiale und Möglichkeiten zu erschließen. In diesem Zusammenhang spielen auch pragmatische Lösungen und die Erschließung von Nischenbereichen eine wichtige Rolle.

Darüber hinaus werden Versuche unternommen, um das Spannungsfeld zwischen erhöhter Systemkomplexität und -automatisierung, einer nutzerzentrierten, attraktiven und sicheren Arbeitsumgebung sowie einer klima- und umweltgerechten Entwicklung aufzulösen. Zukünftig sind hierfür jedoch zum Teil Perspektivwechsel und eine Revision vorhandener Optimierungskriterien notwendig.

Literatur

[1]     Saetti, M.; Mattetti, M.; Varani, M.; Lenzini, N.; Molari, G.: On the power demands of accessories on an agricultural tractor. Biosystems Engineering 206 (2021), S. 109-122.

[2]     Mattetti, M.; Varani, M.; Molari, G.; Fiorati, S.; Lenzini, N.: Feasibility study of an idling-stop device on agricultural tractors – LAND.TECHNIK 2022, 25.02.2022, Online Conference. In: VDI-Berichte 2395, Düsseldorf: VDI Verlag 2022, S. 529-534.

[3]     Perozzi, D.; Mattetti, M.; Molari, G.; Sereni, E.: Methodology to analyse farm tractor idling time. Biosystems Engineering 148 (2016) H. 9, S. 81-89.

[4]     Molari, G.; Mattetti, M.; Lenzini, N.; Fiorati, S.: An updated methodology to analyse the idling of agricultural tractors. Biosystems Engineering 187 (2019) H. 9, S. 160-170.

[5]     Pegram, M. S.; Botha, T. R.; Els, P. S.: Full-field and point strain measurement via the inner surface of a rolling large lug tyre. Journal of Terramechanics 96 (2021), S. 11-22.

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Autorendaten

M. Sc. Conrad Klose ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Konstruktion von Maschinensystemen an der Technischen Universität Berlin.

Prof. Dr.-Ing. Henning J. Meyer ist Leiter des Fachgebietes Konstruktion von Maschinensys-temen an der Technischen Universität Berlin.

Keywords:
ride safety, ride comfort, driver assistance systems, ride dynamics
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Klose, Conrad; Meyer, Henning Jürgen: Ride Dynamics – Ride Safety – Driver's Place. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2021. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2022. – pp. 1-18

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