Potenzial eines Traktormanagementsystems

TRAKTORTECHNIK

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Alexander Jaufmann, Braunschweig

Potential eines Traktormanagementsystems

Das Verbesserungspotential des Gesamt- systems Fahrer-Traktor-Gerät-Boden durch Einsatz eines Traktormanagementsystems ist in Anbetracht der Flächenleistungen und des spezifischen Kraftstoff- verbrauchs/Fläche beträchtlich. Bei entsprechender Ausführung der optimalen Kombination der Regelungs- und Steue- rungsstrategien sind deutliche

Verbrauchsminderungen, Steigerungen der Flächenleistung, hohe Auslastung des Gesamtsystems sowie Schonung des Bodens und der Umwelt zu erwarten.

Außerdem wird eine spürbare Entlastung des Fahrers von Steuerungs- und Rege- lungsaufgaben ermöglicht.

A

^lle wichtigen, sich ständig erhöhen- den Anforderungen an Traktoren wie hohe Arbeitseffektivität niedriger Be- triebsmittelverbrauch, Komfort und Um-

likkomponenten und Geräte sind heute vielfach entweder elektronisch geregelt oder elektrisch ansteuerbar. Aber das Op- timierungspotential des Gesamtsystems Fahrer-Traktor-Gerät-Boden, das mit die- sen Regelungs-und Steuerungssystemen bei allen Einsatzbedingungen möglich ist, kann auch vom erfahrenen Traktorfahrer wegen der Komplexität des Gesamtpro- zesses nicht voll ausgenutzt werden.

Hierfür ist ein Traktormanagementsystem nötig, bei dem die Teilsysteme elektro- nisch intelligent verknüpft sind und das so den optimalen Betrieb des Gesamtsy- stems gewährleisten kann.

Untersuchung eines Traktormanagementsystems

Der Aufbau eines Traktormanagementsy- stems erfolgt nach dem entwickelten Re- gelungs-und Steuerungskonzept [1], das

Motor-, Getriebe-, Fahrwerks- und Hubwerksmanagement durch ein Kommunikations-

Bild 1: Versuchsstand für die Untersuchung eines Traktorma- nagementsystems: 1 - Diesel- motor mit einem elektronisch regelbaren Einspritzsystem; 2- elektronisch verstellbares /eistungsverzweigtes Lastschalt- getriebe (2); 3,4-elektrisch

verstellbare hydrostatische Einheiten für die Belastung von Antriebstrang und Zapfwelle; 5 -

~---'"---' Zentralrechner Fig. 1: Test stand for investigating a tractor management system

Weltfreundlichkeit sind zunehmend schwieriger auf mechanischem Wege zu lösen. Aus diesem Grunde nimmt der Ein- satz mikroelektronischer Systeme im Traktor weiter zu. Daß in den letzten Jah- ren wesentlich mehr Neuerungen auf

· dem Gebiet elektronischer Steuerung und Regelung erschienen sind, zeigt deutlich, daß hier das größte Entwick- lungspotential steckt, den Traktor noch wirtschaftlicher und effizienter als bisher betreiben zu können.

Die Dieselmotoren, Getriebe, Hydrau-

Dr-Ing. Alexander Jaufmann war wissen- schaftlicher Mitarbeiter am Institut für Land- maschinen und Fluidtechnik der TU Braun- schweig, Langer Kamp 19a, 38106 Braun- schweig (Instituts/eiter: Prof. Dr-Ing. H.-H.

Harms).

290

system miteinander verknüpft und damit eine Optimierung des Gesamtsystems er- möglicht.

Systematische und realitätsnahe Unter- suchungen eines Traktormanagementsy- stems wurden am Institut für Landma- schinen und Fluidtechnik mit Hilfe der Simulation und eines stationären Ver- suchsstands durchgeführt. Es wurden die Simulationsmodelle für die Teilsysteme Motor, Getriebe, Hydraulik, Hubwerk und Gerät und auch für das gesamte Rege- lungssystem Traktor-Gerät-Boden ent- wickelt [2]. Mit Hilfe der Programme MATLAB/SIMULINK und MECHMACS konnten die Simulationsmodelle erstellt werden. Das Verhalten der verschiedenen Teilkomponenten wurde durch Messun- gen an einem Systemfahrzeug dokumen-

tiert. Aufgrund der Meßergebnisse und der geometrischen Abmessungen der Bauteile wurde anschließend für jedes Teilsystem ein mathematisches Modell entwickelt, das an geeigneten Stellen ver- einfacht wurde. Eine vergleichende Beur- teilung der Simulationsergebnisse der Teilsysteme mit den zuvor aufgenomme- nen Messungen schloß sich an. Durch die Verknüpfung der Teilsysteme ent- stand anschließend das Modell des Ge- samtsystems.

Am Versuchsstand (Bild 1) wurden die Regelungsstrategien für den Dieselmotor und das stufenlose hydrostatisch-mecha- nisch leistungsverzweigte Getriebe imple- mentiert und untersucht [3]. Um die Ar- beiten im Feld auf dem Versuchsstand nachfahren zu können, wurde ein rech- nerisches Simulationsmodell der An- triebsstrang- und Zapfwellenbelastung für das System "Traktor-Gerät-Boden"

entwickelt. Zur Simulation der Antriebs- strang- und Zapfwellenbelastung bei den gängigsten Einsatzfällen wurden die je- weiligen Belastungen auf der Basis von Feldeinsatzmessungen ermittelt. Das ent- wickelte Simulationsmodell ermöglicht es, zusammen mit digitalen Reglern des elektronischen Steuergerätes die Bela- stungseinheit so zu regeln, daß eine Be- lastung von Motor und Getriebe dem rea- len Einsatzfall entspricht [3]. Damit er- laubt das Managementsystem am Versuchsstand folgende Probleme zu be- arbeiten: Entwicklung von Optimierungs- strategien, Entwicklung adaptiver Rege- lungs- und Steuerungssysteme mit den Simulationseinrichtungen, Festlegung der Kennfelder für die Regelung und Steuerung, Entwicklung von Regelungs- konzepten mit Hilfe einer Simulation und

ü

berprüfu ng am Versuchsstand sowie Er- mittlung des Einflusses der Eigenschaften des Antriebsstranges auf die Regel- strecke.

Zur Zuordnung und Ausführung der Regelungs- und Steuerungsmöglichkei- ten für häufige Traktor-Geräteeinsätze wurden die Optimierungsstrategien ent- wickelt [4], die auf den bereits imple- mentierten Regelungsstrategien für Mo- tor, Getriebe, Hubwerk und Fahrwerk so- wie Triebstrang und Gerät basieren. Simulations -und Versuchsergebnisse Um das Potential des Motormanagemen- tes zu untersuchen, wurden voll-und teil- lastspezifische Kennlinien des Motors ge-

52. Jahrgang LANDTECHNIK 6/97

···•····•···•·••·•·•••

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Kralstoffverb rauch/ Fläche fuel consumption/area 29,34

27,72

"' 26,10

s

24,48 22,86

c c

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;;: I

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21,24 19,62 18,00 =!

1,052 0,970 .c 0,888

ro .c 0,806

0,724 0,642 0,560

1,13 1,09 1,05 1,01 0,97 0,93 0,89 0,85

f= f=

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1--

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2 3

Flächenleistung areapower

1-

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1-- 1-- 5

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3

Motorleistung/Motornennleistung englne power/ englne ratir>9

1-- 1-- 1--f- f-1--

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_R

2 3 4

mlneon1cumpJlon

f= f=

f= f= f=

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1-- 1-- 6

-

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- -

6 7

1--

H

5 6

rungsstrategie "Zeit- einsparung", die hier als "max. Leistung"

zu sehen ist, als auch für "Betriebs- mitteleinsparung"

(min. Verbrauch) am besten die Kombina- tion der Regelungs- strategien (1) aller möglichen Einzel- komponenten geeig- net ist (siehe Bild 2).

Diese Kombination erlaubt auch eine deutlich bessere M otora uslastu ng (Bild 2c). Wenn man beispielsweise als Vergleichspunkt die Kombination der Re- gelu ngsstrategien nur nach Zugkraft (6) nimmt, die im realen Einsatz aller-

Zusammenfassung

Die Untersuchung der Optimierungsstra- tegien hat gezeigt, daß die optimale Re- gelungskombination aller Teilsysteme im gesamten Managementsystem über 20 % Flächenleistungssteigerung bei gleichzeitiger deutlicher Senkung des flächenbezogenen Kraftstoffverbrauchs ermöglicht. Die Wahl der Regelungskom- bination ist stark von den jeweiligen Ar- beitseinsätzen und Bodenverhältnissen abhängig. Die Erfüllung der speziellen Anforderungen bei jedem Traktoreinsatz ist nur mit entsprechend angepaßten Steuerungs- und Regelungsstrategien für die Teilsysteme am Traktor und am Ar- beitsgerät zu erreichen. Die Priorität der einen oder anderen Regelungsstrategie ist dabei von der übergeordneten Opti- mierungsstrategie des Gesamtsystems abhängig: Zeiteinsparung, Betriebsmittel- einsparung, Bodenschonung oder einer Kombination dieser Strategien.

Literatur

[1] Harms H.-H. und A. Jaufmann: Tractor Ma- nagement System . Proceedings AVEC'96. In- ternational Symposium on Advanced Vehicle Control. Aachen, 1996,. pp. 1209-1225 [2] Jaufmann A. und G. Tewes: Traktormanage-

mentsystem - Entwicklung, Aufbau und Si- mulation. Agrartechnische Forschung, 2 (1996), H. 1, S. 53-62

[3] Jaufmann A.: Traktormanagementsystem. Bild 2: Verhältnis verschiedener Strategien beim Pflügen: 1. Zug-Lage-

Schlupf-Getriebe 1; 4. Lage ; 2. Zug-Lage-Schlupf,· 5. Lage-Getriebe 1; 3. Zug-Lage; 6. Zug; 7. Lage-Getriebe 2

dings ohne optimale Regelung des Mo- tors oft verwendet wird, ermöglicht die optimale Einstellung (1) bei "maximaler Leistung" eine bis zu 25 % höhere Flächenleistung bei gleichzeitiger Redu- zierung des flächen- bezogenen Kraft- stoffverbrauches um 20 %. Die Optimie-

VDI/MEG Kolloquium Agrartechnik. Mobilhy- draulik. Braunschweig, 1996, S. 74-89 [4] Jaufmann A.: Optimierungsstrategien für ein

Traktormanagementsystem. Landtechnik 51 (1997), H. 1, S. 8-9

Fig. 2: Relationship of various strategies when ploughing

testing plant Eine Langfassung dieses Beitrages ist für die

.,Agrartechnische Forschung" geplant.

fahren. Mit dem Einbau der elektroni- schen Motorregelung ist es mit dem glei- chen Motor möglich, im breiteren Ar- beitsdrehzahlbereich von 1500 bis 2100 min·¹ den Motormomentverlauf beliebig zu ändern. Beim Einbeziehen von mehre- ren Parametern in den Optimierungspro- zeß ist es durchaus möglich, in einem breiteren Drehzahlbereich den spezifi- schen Kraftstoffverbrauch unter 200 g/kWh zu halten. Einige Schwierigkeiten treten beim Steigern des gewünschten Momentes im Drehzahlbereich unter 1400 min·¹ auf, weil die Ist-Einspritzmen- ge oft nicht durch den Sollwert, sondern von der Rauchgrenze bestimmt wird.

Im Bild 2 sind beispielhafte Ergebnisse verschi8dener Regelungskam bi nationen eines Traktormanagementsystems beim Pflügen dargestellt. Hier wurden opti- mierte Motorkennfelder eingesetzt und das System mit realen Lastmomenten so- wohl an der Zapfwelle als auch für die am Hubwerk aufzubringende Zugkraft beauf- schlagt. Diese Beispiele zeigen, daß so- wohl für die übergeordnete Optimie-

52. Jahrgang LANDTECHNIK 6/97

Schlüsselwörter rungsstrategie auf

.. minimalen Verbrauch" erlaubt eine bis zu 28 % - Senkung des flächenbezoge- nen Kraftstoffverbrauches.

Die besten Verhältnisse bei einer Krei- seleggen- Zapfwellenarbeit ergeben sich bei "mittel- leichter" Belastung (Bild 3).

ln diesem Fall kann man noch bei einem relativ günstigen Verbrauch eine gute Lei- stung erreichen. Bei

Potential, Traktormanagement, Rege- lungsstrategie, Optimierungsstrategien

schwerem Boden führt eine Steige- rung der Flächenlei- stung zu einer über- proportionalen Stei-

gerung des

Kraftstoffverbra u- ches.

Bild 3: Vergleich verschiedener Zapf- wellenarbeiten Fig. 3: Agreement of

"' s

12,6 11,6 10,5 9.4 8,3

7,2 6,1

Keywords

Potential, tractor management, control strategy, optimization strategies

Zapfwellenarbeit

(Kraftstoffverbrauch/ Fläche) PTO fuel consumption/area

mittelschwer

o mjn, Verbrauch mm. consumplion

• max. Leistung max. power

different PTO Works ' - - - -- - - 2 _ _ _ _ _ 3 _ _ _ _ _ __.

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