DE4001495A1 - Tiefenfuehrung fuer bodenbearbeitungsgeraete - Google Patents

Description

1. Stand der Technik

Landwirtschaftliche Zugmaschinen sind i. a. mit einem gere­ gelten hydraulischen Kraftheber ausgerüstet. Dieser über­ nimmt die Tiefenführung eines an der Dreipunkthydraulik an­ gebauten Bodenbearbeitungsgerätes (nachfolgend BAG genannt), z. B. eines Pfluges, und überträgt dabei meist einen Teil des Gerätegewichts auf die Zugmaschine. Dadurch wird die Achsbelastung der Zugmaschine vergrößert, was zu einer Erhö­ hung der, auf den Boden übertragbaren, Vortriebskräfte führt, bzw. zu einer Verminderung des Radschlupfs. Für die Tiefenführung von Bodenbearbeitungsgeräten, die an der Drei­ punkthydraulik anzubauen sind, werden derzeit i. a. folgende Regelsysteme eingesetzt:

• - Lageregelung
• - Zugwiderstandsregelung (Abhängig von dem Einbauplatz der Meßsensoren unterscheidet man hier zwischen Ober- und Un­ terlenkerregelung
• - Mischregelung (Kombination aus Zugwiderstands- und Lageregelung)

Nach der Übertragungsart der Meß- und Regelimpulse unter­ scheidet man weiterhin zwischen:

• - EHR (Elektronische Hubwerkssteuerung)
• - MHR (Mechanische Hubwerkregelung)
• - SHR (Servohydraulische Hubwerkregelung).

Aufsattelpflüge, die nur an den Unterlenkern der Zugmaschine befestigt sind, können bei Traktoren mit Oberlenkerregelung nur über die Lageregelung der Hydraulik und zusätzlich durch das höhenverstellbare Stützrad des Pfluges in der Tiefe ge­ führt werden.

Weiterhin sind aus der Literatur verschiedene Systeme be­ kannt, die aber bisher in der Praxis keine Verbreitung ge­ funden haben. Dazu gehören die folgenden, in Offenlegungs­ schriften beschriebenen, Verfahren:

• - DE 35 01 568 A1
  Messung der Absolutbewegungen des Anbaugerätes durch Be­ wegungssensoren
• - DE 32 35 818 A1
  Meßwertgeber für Pfluglage am Stützrad
• - DE 36 11 414 A1
  Messung des Zugwiderstands an einzelnen Bodenbearbeitungs­ werkzeugen, durch elektronische Verarbeitung der Meßsi­ gnale Steuerung der Gerätelage über Dreipunkthydraulik und hydraulischen Oberlenker
• - DT 24 03 760 A1
  Oberlenker-Zugkraftregelung, bei der die Regeleinheit vom Schlepper in den Oberlenker verlegt ist.

2. Kritik am Stand der Technik Lageregelung

Bei dieser Regelung wird das an der Dreipunkthydraulik ange­ hängte BAG durch eine Höhenregelung der Unterlenker im bezug zum Schlepper immer in der gleichen Lage gehalten. Daraus resultieren bei Nickbewegungen des Schleppers, z. B. infolge Bodenunebenheiten, Schwankungen in der Tiefenführung des BAG's.

Zugwiderstandsregelung

Die Tiefenführung des angebauten BAG's erfolgt über die Mes­ sung des Gerätezugwiderstandes, einem bestimmten Zugwider­ stand entspricht somit immer eine voreingestellte Bearbei­ tungstiefe. Zur Erhaltung des voreingestellten Sollwertes wird bei einer Erhöhung des Zugwiderstands das BAG angehoben, sinkt der Zugwiderstand ab, wird das BAG angesenkt. Eine Änderung des Zugwiderstandes, z. B. durch einen Wechsel in der Bodenbeschaffenheit, Bodendichte oder -feuchte, be­ wirkt somit auch eine ungewollte Änderung der Bearbeitungs­ tiefe. Dies wirkt sich aber i. a. auf die Bodenbearbeitung nachteilig aus, da gerade im Bereich höherer Bodenverdich­ tung, in dem zum Ausgleich des erhöhten Zugwiderstands das BAG angehoben wird, eine konstante Bearbeitungstiefe erfor­ derlich wäre.

Mischregelung

Eine Kombination der beiden erstgenannten Regelungsarten führt zur sogenannten Mischregelung, bei der die Anteile von Lage- und Zugwiderstandsregelung einstellbar sind. Je nach Anteil von Lage- oder Zugwiderstandsregelung wirken sich auch die Nachteile des jeweiligen Systems stärker oder schwächer aus.

Diese bekannten Regelsysteme sind wegen ihrer Wirkungsweise (Messung der Lage oder des Zugwiderstandes, oder Kombination beider Verfahren) im praktischen Feldeinsatz unter den wech­ selnden Bedingungen (Bodenform und -dichte) nicht in der La­ ge, eine konstante Tiefenführung von Bodenbearbeitungsgerä­ ten zu realisieren. Infolge der starren Dreipunktanhängung des BAG's führen Nickbewegungen der Zugmaschine zu Änderun­ gen des Winkels zwischen Boden und BAG, die sich am BAG, je nach Entfernung zum Drehpunkt der Nickbewegungen, in unter­ schiedlichen Höhenbewegungen bemerkbar machen.

Bei Aufsattelgeräten, die nur an den Unterlenkern der Drei­ punkthydraulik angeschlossen werden, ist der störende Ein­ fluß von Nickbewegungen der Zugmaschine gering (durch die drehbare Verbindung von Aufsattelgerät und Unterlenker und den relativ kurzen Hebelarm der Unterlenker). Allerdings ist es wegen des fehlenden Oberlenkers auch nicht möglich, einen zusätzlichen Anteil des Gerätegewichts auf die Zugmaschine zu übertragen. Die aus den oben genannten Offenlegungs­ schriften bekannten Verfahren haben noch keine allgemeine praktische Verwertung gefunden, da sie gegenüber den ange­ wandten Verfahren offensichtlich keine bedeutende Verbesse­ rung darstellen.

3. Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System für die Regelung der Tiefenführung von Bodenbearbeitungsgeräten, die an Kraft­ heberanlagen angebaut sind, zu realisieren, das im Feldein­ satz eine konstante Tiefenführung des BAG's ermöglicht, und in den Fällen, in denen das BAG während des Arbeitseinsatzes ständig Zug auf den Oberlenker ausübt, einen Teil des Gerä­ tegewichts über die Kraftheberanlage auf die Zugmaschine überträgt.

4. Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Oberlenker ein, unter Druck- oder Zugbelastung in der Länge veränderliches, Bauteil eingesetzt wird, das seiner, durch das an die Kraftheberanlage angebaute BAG verursachten, äu­ ßeren Zugbelastung eine Kraft entgegensetzt, deren Größe auf einen konstanten Wert einstellbar ist. Für Einsatzgebiete, in denen der Oberlenker auch auf Druck beansprucht werden kann, wird er mit einer Vorrichtung ausgeführt, die die vom Oberlenker ohne Verschiebung (Längenveränderung) übertragbare Druckkraft auf einen Maximalwert begrenzt. Die Längenverän­ derung des Oberlenkers infolge der äußeren Belastung wird durch eine Meßvorrichtung erfaßt. Weiterhin wird die Lage der Unterlenker der Kraftheberanlage, z. B. durch Abtasten einer Kurvenscheibe auf der Kraftheber-Hubwelle (wie u. a. von der Kraftheber-Lageregelung bekannt), aufgenommen. Diese beiden Meßgrößen, Längenveränderung des Oberlenkers und Lage der Unterlenker werden in einem Regelgerät zu einem Signal addiert und regeln zusammen mit der manuellen Tiefeneinstel­ lung (Sollwert) den Steuerschieber der Kraftheberanlage, und damit die Tiefenführung angebauter BAGe. Die Lageabwei­ chungen des Winkels zwischen BAG und Boden, verursacht durch Nickbewegungen der Zugmaschine, werden durch die Längenver­ änderung des Oberlenkers ausgeglichen.

Als Oberlenker wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Hydrau­ likzylinder eingesetzt, der mit Regelorganen zur Einstellung und Aufrechterhaltung eines konstanten Kammerdrucks oder zu­ sätzlich zur Begrenzung des anderen Kammerdrucks auf einen Maximalwert ausgerüstet ist. Für die Lösung, die nur bei Zugbelastung des Oberlenkers einzusetzen ist (konstante Oberlenkerkraft), wird ein einfach wirkender Hydraulikzylin­ der als Oberlenker eingesetzt (vgl. Ausführungsbeispiel 1), die Lösung für Zug- oder Druckbelastung des Oberlenkers ist mit einem doppelt wirkenden Hydraulikzylinder und zusätzlich mit einer Regelung zur Begrenzung der Oberlenkerkraft auf einen Maximalwert ausgerüstet (vgl. Ausführungsbeispiel 2). Außerdem ist am Oberlenker eine Vorrichtung (mechanisch oder hydraulisch) zum Feststellen der Kolbenstange angebracht. Der prinzipielle Aufbau dieser Kraftheberregelung ist in Bild 1 dargestellt.

Während des Arbeitseinsatzes wirkt auf das, an der Krafthe­ beranlage angebaute, BAG, infolge seines Gewichts, ein Dreh­ moment (MG) um seine Aufnahmepunkte (A) in den Unterlenkern der Kraftheberanlage. Diesem Moment (MG) wirken die Drehmo­ mente entgegen, die durch den Gerätearbeitswiderstand ((MW) = Summe der Reibungskräfte zwischen BAG und Boden) und die Bodenauflagekraft ((MB) = hauptsächlich Stützkraft an den Schleifsohlen und dem Stützrad) erzeugt werden. Das aus der Summe dieser drei Momente (MG + MW + MB) resultierende Drehmoment wird durch jenes Moment kompensiert, das durch die Kraft, welche der Oberlenker auf das BAG ausübt, erzeugt wird (MO). Gemäß der Gleichgewichtsbedingung ist die Summe aller, auf das BAG um die Aufnahmepunkte (A) wirkenden, Mo­ mente gleich Null. Abhängig von der Drehrichtung des aus MG + MW + MB resultierendem Moment muß der Oberlenker ein, ent­ gegengesetzt wirkendes, Moment erzeugen, das im Oberlenker eine Druck- oder eine Zugbelastung hervorruft. Im Fall MG < (MB + MW) wird der Oberlenker immer auf Zug beansprucht, für MG < (MW + MB) wird er auf Druck beansprucht, bei MG = (MB + MW) ist die äußere Beanspruchung des Oberlenkers gleich Null.

Beim Einsatz von BAGen, bei denen infolge ihres hohen Ge­ wichts immer der Fall MG < (MB + MW) vorliegt, kann die Lösung mit einfach wirkendem Hydraulikzylinder als Oberlen­ ker eingesetzt werden. Es wird die Zylinderkammer beauf­ schlagt, deren Volumen sich beim Zusammenschieben des Zylin­ ders vergrößert; diese Zylinderkammer wird im folgenden als Kammer I bezeichnet. In diesem Einsatzfall wirken dem Gerä­ tegewichtsmoment (MG) die anderen auftretenden Momente ent­ gegen (MG = (MW + MB + MO). Die vom Oberlenker der äußeren Belastung entgegengesetzte Kraft wird mit Hilfe der Regel­ organe auf einen konstanten Wert eingestellt. Dieser einzu­ stellende Wert der Oberlenkerkraft wird so gewählt, daß die Summe aus Oberlenker-Moment (MO) und dem, im jeweiligem Ar­ beitseinsatz maximal zu erwartendem, Gerätearbeitswider­ stands-Moment (MW) das entgegenwirkende Gerätegewichtsmoment (MG) niemals völlig aufhebt. Es bleibt somit immer eine Dif­ ferenz MG - (MO + MW), die durch das, von der Bodenauflage­ kraft erzeugte, Moment ausgeglichen wird. Im Arbeitseinsatz wird das BAG über die Lageregelung der Zugmaschine auf der eingestellten Sollwert-Arbeitstiefe geführt. Bei konstantem Gerätegewicht und konstanter Oberlenkerkraft (durch die Re­ gelorgane wird der Druck in Kammer I konstant gehalten) wer­ den Schwankungen des Gerätearbeitswiderstand-Momentes (Zug­ widerstand) durch umgekehrt proportionale Veränderungen des Bodenauflagekraft-Moments (MB) ausgeglichen (Gleichgewichts­ bedingung). Nickbewegungen der Zugmaschine führen dagegen zu starken Veränderungen der Bodenauflagekraft, und damit des Bodenauflagekraft-Moments ((MB), ohne ausgleichende Verände­ rung eines anderen Moments), die eine entsprechende Längen­ veränderung des Oberlenkers auslösen, bis die Bodenauflage­ kraft wieder den Wert erreicht hat, der zur Herstellung des Momentengleichgewichts am BAG notwendig ist. Eine absinkende Bodenauflagekraft führt somit zu einer Verlängerung des Oberlenkers, bis das BAG sich wieder ausreichend am Boden abstützt; eine steigende Bodenauflagekraft bewirkt umgekehrt eine Verkürzung des Oberlenkers, bis die Bodenauflagekraft wieder auf den, für das Momentengleichgewicht erforderlichen, Wert abgesunken ist. Gleichzeitig wird über die gemessene Längenveränderung des Oberlenkers eine Nachführung der Kraftheberanlage zur Beibehaltung der Arbeitstiefe durchgeführt. Dazu wird im Regelgerät das Steuersignal von der Längenmessung des Oberlenkers mit den Signalen von der Lagere­ gelung und der Sollwerteinstellung addiert, und das Gesamt­ signal regelt den Steuerschieber.

Beim Einsatz von BAGen, bei denen infolge ihres geringen Gewichts sowohl der Fall MB < (MB + MW) als auch MG < (MB + MW) vorliegen kann, ist die Lösung mit doppelt wirkendem Hydraulikzylinder als Oberlenker einzusetzen. Bei Zugbela­ stung wirkt der Oberlenker wie der oben beschribene einfach wirkende Zylinder. Über die, zum einfach wirkenden Zylinder, zusätzlichen Regelorgane wird der Druck, der in der Zylin­ derkammer wirkt, deren Volumen sich bei einer Verkürzung des Oberlenkers verkleinert, auf einen maximal erreichbaren Wert (Pk) eingestellt; diese Zylinderkammer wird nachfolgend als die Kammer II bezeichnet. Liegt der, von der äußeren Druck­ belastung des Oberlenkers erzeugte Kammerdruck unter diesem eingestellten Wert, dann überträgt der Oberlenker diese äu­ ßere Druckkraft ohne Längenveränderung (Verkürzung) vom BAG auf die Zugmaschine. Wird infolge der äußeren Druckbelastung der eingestellte maximale Kammerdruck erreicht, dann re­ agiert der Oberlenker auf ein weiteres Ansteigen der äußeren Druckbelastung durch Zusammenschieben des Zylinders (Verkür­ zung), also ein Nachgeben gegenüber der äußeren Belastung. Dieser einzustellende Druck Pk wird so gewählt, daß die vom Oberlenker ohne Längenveränderung übertragbare Druckkraft größer ist als jene Kraft, die im FAll MG < (MB + MW) durch das Restdrehmoment MG - MW auf den Oberlenker wirkt, wobei für MW der beim vorliegenden Arbeitseinsatz maximal zu er­ wartende Wert angesetzt wird. Der Oberlenker stützt das BAG immer gegen die Zugmaschine ab (wenn MG < (MW + MB)), und verkürzt sich erst dann, wenn die übertragende Druckkraft einen kritischen Wert, der über die Druckbegrenzung der Zy­ linderkammer II einzustellen ist, überschreitet, z. B. bei Nickbewegungen der Zugmaschine. Bei einer Kombination einer zweiachsigen Zugmaschine mit einem, an der hinteren Krafthe­ beranlage angebauten, BAG würde eine Bodenerhebung durch das Hochgehen der Vorderachse eine gleichzeitige Abwärtsbewegung des BAG's verursachen (Drehung der "starren" Zugmaschine- BAG-Kombination um den gemeinsamen Drehpunkt). Infolge dieser Bewegung stützt sich das BAG stärker am Boden ab und die Druckbelastung des Oberlenkers steigt, und damit der Druck in der Zylinderkammer II. Erreicht dieser Druck den eingestellten Wert Pk, dann gibt der Oberlenker einer weiter ansteigenden Druckbelastung nach (er verkürzt sich), und die Stützkraft des BAG's gegen den Boden bleibt konstant. Über die gemessene Längenveränderung des Oberlenkers wird die Tiefenführung des BAG's um den, durch die gemeinsame Drehbewegung der Zugmaschine-BAG-Kombination hervorgerufe­ nen, Fehler korrigiert, und somit konstant gehalten.

5. Erzielbare Vorteile

Die beschriebene Tiefenführung für Bodenbearbeitungsgeräte ermöglicht eine, vom Zugwiderstand unabhängige, Regelung der Arbeitstiefe von BAGen, die an der Dreipunkt-Kraftheberanla­ ge angebaut sind. Dabei kann durch den längenveränderlichen Oberlenker ein Teil des Gerätegewichts auf die Zugmaschine übertragen werden. Der Anteil des übertragenen Gerätege­ wichts ist über die einzustellenden Kammerdrücke des hydrau­ lischen Oberlenkers, bzw. über die Federkraft beim Einsatz eines Oberlenkers nach dem nebengeordneten Patentanspruch, zu steuern.

Mit der beschriebenen Kraftheberanlage sind insbesondere folgende Vorteile beim Einsatz von Bodenbearbeitungsgeräten zu realisieren:

• - hohe Qualität der Bodenbearbeitung durch konstante Bear­ beitungstiefe;
• - bessere Traktion durch Übertragung eines Teils des Geräte­ gewichts über die Dreipunktgeräteanhängung auf die Antriebs­ achse der Zugmaschine (Zusatzachslast), damit weniger Rad­ schlupf;
• - geringe Geräte-Führungsreibung (Trageffekt) vermindert den Geräte-Zugwiderstand;
• - geringerer Energieverbrauch durch verminderten Radschlupf und Zugwiderstand;
• - Geräte-Tiefenführung unabhängig vom Zugwiderstand. Beim Be­ trieb von Aufsattelpflügen ist mit dem hydraulischen Ober­ lenker ebenfalls eine teilweie Übertragung des Gerätege­ wichts auf die Zugmaschine möglich, wobei durch den längen­ veränderlichen Oberlenker der Aufsattelpflug weiter als sol­ cher betrieben werden kann. Bei der Arbeit mit Aufsattel­ pflügen ist durch den längenveränderlichen hydraulischen Oberlenker ein Ausheben des Pfluges, beginnend beim ersten Pflugschar, und auch ein Einzug beginnend mit dem ersten Pflugschar, weiterhin möglich.

Diese Vorteile wirken sich für den landwirtschaftlichen Be­ trieb insbesondere aus in:

• - einer Senkung der Treibstoffkosten (durch Verminderung des Rollwiderstands und des Radschlupfs)
• - einer Verminderung der Bodenschäden (weniger Bodendruck und Radschlupf, konstante Bearbeitungstiefe) und daraus resultierend eine Verbesserung des Pflanzenwachstums.

6. Ausgeführte Beispiele

Für den in Bild 1 dargestellten prinzipiellen Aufbau werden nachfolgend einige Beispiele ausgeführt:

6.1 Ausführungsbeispiel 1

Oberlenker mit einfach wirkendem Hydraulikzylinder

6.2 Ausführungsbeispiel 2

Oberlenker mit doppelt wirkendem Hydraulikzylinder.

Claims (7)

1. Tiefenführung für Bodenbearbeitungsgeräte, die an einem Kraftheber, vorwiegend hydraulischen Dreipunkt-Kraftheber, angebaut sind, der mit einer manuellen Tiefeneinstellung und einer Lageregelung ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberlenker der Dreipunkt- Kraftheberanlage ein in der Länge veränderliches Bauelement, vorzugsweise ein einfach oder doppelt wirkender Hydraulikzy­ linder, ist, das seine Länge proportional zu einer äußeren Belastung verändert, wobei die vom Oberlenker gegen die äuße­ re Belastung wirkende Gegenkraft einstellbar ist.

2. Tiefenführung für Bodenbearbeitungsgeräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an dem Oberlenker eine Vor­ richtung zur Messung seiner Längenveränderung, die durch eine Verschiebung der Kolbenstange gegenüber dem Zylinder verur­ sacht wird, befindet.

3. Tiefenführung für Bodenbearbeitungsgeräte nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Regelgerät die Höhenre­ gelung der Kraftheberanlage durch Addition der drei Paramater

• - manuelle Tiefeneinstellung / Sollwert
• - Lage der Unterlenker
• - Längenänderung des Oberlenkers

gebildet wird.

4. Tiefenführung für Bodenbearbeitungsgeräte nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberlenker mit einer Vorrich­ tung zum Blockieren der Längenverstellung ausgerüstet ist.

5. Tiefenführung für Bodenbearbeitungsgeräte nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines Hydraulikzylin­ ders als Oberlenker der an diesem Zylinder angeschlossene Hydraulikkreislauf mit einer Regelung zum Einstellen des Kam­ merdrucks, bzw. der Kammerdrücke, im Hydraulikzylinder ausge­ rüstet ist.

6. Tiefenführung für Bodenbearbeitungsgeräte, die an einen Kraftheber, vorwiegend hydraulischen Dreipunkt-Kraftheber, angebaut sind, der mit einer manuellen Tiefeneinstellung und einer Lageregelung ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Oberlenker ein federbelaste­ tes Bauteil eingesetzt wird, das einer äußeren Belastung (Normalkraft) jeweils eine einstellbare Federkraft entgegen­ setzt.