Einleitung

Seit der Entwicklung der ersten von Dampfmaschinen angetriebenen Traktoren im 19. Jahrhundert, ist ihre Aufgabe bis heute unverändert geblieben, nämlich: Leistung, hohe Traktion und Drehmoment zu liefern und dabei das Drehmoment zuverlässig bei regelbarer Drehzahl zur Verfügung zu stellen. Im Laufe der Zeit hat sich die Gestaltung dieses ersten Traktors weiterentwickelt und zu einer breiten Palette von geländetauglichen Fahrzeugen erweitert, die kritische Funktionen in einer Vielzahl von Branchen erfüllen. Ob sie für den Einsatz in der Landwirtschaft oder für Erdbewegungen, in kommerziellen oder militärischen Anwendungen bestimmt sind, sie müssen auf unterschiedlichstem anspruchsvollem Terrain effizient arbeiten.

Damit diese Fahrzeuge ihre volle Leistung erbringen können, müssen ihre Räder in ständigem, gleichmäßigen Bodenkontakt bleiben. Dies erfordert die Übertragung der Leistung vom Motor entlang des Antriebsstrangs, über das Getriebe und zu den Rädern. Um ein schweres Fahrzeug durch schwieriges Gelände zu bewegen, muss ein bekanntes Drehmoment gleichmäßig auf alle seine Räder aufgebracht werden.

 

Seit der Entwicklung der ersten von Dampfmaschinen angetriebenen Traktoren im 19. Jahrhundert, ist ihre Aufgabe bis heute unverändert geblieben, nämlich: Leistung, hohe Traktion und Drehmoment zu liefern und dabei das Drehmoment zuverlässig bei regelbarer Drehzahl zur Verfügung zu stellen. Im Laufe der Zeit hat sich die Gestaltung dieses ersten Traktors weiterentwickelt und zu einer breiten Palette von geländetauglichen Fahrzeugen erweitert, die kritische Funktionen in einer Vielzahl von Branchen erfüllen. Ob sie für den Einsatz in der Landwirtschaft oder für Erdbewegungen, in kommerziellen oder militärischen Anwendungen bestimmt sind, sie müssen auf unterschiedlichstem anspruchsvollem Terrain effizient arbeiten.

Damit diese Fahrzeuge ihre volle Leistung erbringen können, müssen ihre Räder in ständigem, gleichmäßigen Bodenkontakt bleiben. Dies erfordert die Übertragung der Leistung vom Motor entlang des Antriebsstrangs, über das Getriebe und zu den Rädern. Um ein schweres Fahrzeug durch schwieriges Gelände zu bewegen, muss ein bekanntes Drehmoment gleichmäßig auf alle seine Räder aufgebracht werden. 

Steigende Kraftstoffpreise und der Wunsch nach Fahrzeugen, die weniger Kraftstoff verbrauchen, haben dazu geführt, dass mehr Wert auf wirtschaftlichere Fahrzeuge mit höherem Wirkungsgrad gelegt wird.  Zur Senkung der Emissionen von Fahrzeugen drängen Regierungen weltweit zugleich auf Vorgaben für eine höhere Kraftstoffeffizienz sowohl für Straßenfahrzeuge als auch für Geländefahrzeuge. Diese Zielvorgaben zu erfüllen, wäre sowohl für die Umwelt als auch für die Fahrzeugbetreiber von Vorteil.

Ein Landwirt könnte beispielsweise einen Traktor mit sehr geringem Radschlupf kaufen, der ein Motor- und Antriebssystem mit hohem Wirkungsgrad nutzt, das nur sehr geringe Leistungsverluste an den Rädern, der Zapfwelle (PTO) und dem Anbaugerät aufweist. Dieser Grad von Arbeitseffizienz würde ein optimales Arbeitstempo bei erhöhtem Gewinn erlauben.

In einem anderen Szenario haben sich die Hersteller von Motoren, Getrieben, Schaltungen und Achsen auf die Entwicklung neuer Produkte konzentriert, die die heutige Abgasnorm der Stufe 4 (Tier 4) erfüllen. Dabei arbeiten sie mit den Herstellern von landwirtschaftlichen Traktoren und anderen Fahrzeugen mit Dieselantrieb wie Radladern zusammen, um zu gewährleisten, dass das Endprodukt sowohl den Anforderungen der Kunden als auch der Behörden entspricht.

Im Laufe der Zeit haben Ingenieure verschiedene Testmethoden in der Produktentwicklung eingesetzt, um sicherzustellen, dass ihre Produkte die gewünschten Leistungsstandards erfüllen. Zu diesen Methoden gehört die Verwendung von Messgeräten mit auf Dehnungsmessstreifen basierenden Aufnehmern zur Messung des Drehmoments an den kritischen Punkten innerhalb des Systems. Messungen können an mehreren Punkten vorgenommen werden, einschließlich Motorwelle, Flexplatte, Getriebewelle, Schaltung, Achsen, Radnaben und PTOs.

Prüfingenieure und Aufnehmerbauer haben bereits viele verschiedene Methoden der Drehmomentmessung zur genauen Datenerfassung eingesetzt, wie zum Beispiel das Aufbringen von Foliendehnungsmessstreifen direkt auf eine Antriebswelle, um deren Auslenkung oder Dehnung im Betrieb zu messen. Bei dieser Methode wird ein elektrisches Signal von einer Batterie durch einen Dehnungsmessstreifen geleitet, der, basierend auf einer Änderung des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens, die der eingeleiteten Kraft entspricht, die Dehnung oder Kraft in einer bestimmten Richtung misst; dabei wird das Modell der Wheatstoneschen Brückenschaltung angewendet.

Drehmomentaufnehmer bieten einen weiteren Ansatz zur Drehmomentmessung, für den die gleichen Prinzipien wie bei Messungen mit Dehnungsmessstreifen gelten. Ein Drehmomentaufnehmer ist jedoch ein hochpräzises, maschinell bearbeitetes Element, das zwischen zwei 

Komponenten des Systems an der Stelle installiert wird, an der das Drehmoment gemessen werden soll. Dieser Aufnehmer ist speziell entwickelt, um die aufgebrachte Drehkraft und das Drehmoment direkt an den Bereichen zu bündeln, an denen sich die Dehnungsmessstreifen befinden.

Bis vor kurzem wurde die Drehmomentmessung nur zu Prüfzwecken eingesetzt. Die Hersteller von Fahrzeug-, Motor- und Antriebskomponenten wollten jedoch schon lange dazu in der Lage sein, werksseitig installierte Drehmomentmessungen auf Produktionsebene in ihre Produkte zu integrieren. Durch die Kombination von Live-Drehmomentmessungen mit einem On-Board-Computersystem ist es möglich, Leistungsverluste in verschiedenen Stadien des Antriebsstrangs, der Räder und der Anbaugeräte zu erkennen und dabei Anpassungen im laufenden Betrieb vorzunehmen. Derzeit müssen Anpassungen anhand von Berechnungen vorgenommen werden, bei denen theoretische, im Labor getestete Werte der Bauteile verwendet werden, die bekanntermaßen eine große Bandbreite von Fehlerquoten aufweisen.

Durch bedeutende Fortschritte in der Telematik-Branche und bei Induktionsringen wurden in einigen Bereichen die Grenzen der Machbarkeit ausgereizt und die Umsetzung der werksseitig installierten Drehmomentmessung auf Produktionsebene ist etwas näher gerückt. Die größten Hürden hinsichtlich des Platzbedarfs, technischer und Kostenbeschränkungen sind nun überwunden.

HBM arbeitet daran, diese Fortschritte zu nutzen. Durch den Einsatz hochentwickelter, kundenspezifischer Konstruktionen können unsere Ingenieure einzelne Bauteile wie Flexplatten, Antriebsstränge, Zahnräder, Achsen usw. in funktionale Sensoren für die Drehmomentmessung umwandeln. Möglich wird dies durch die Einbettung der Telemetrieplatine oder des Induktionsrings in einen Hohlraum innerhalb der Bauteile selbst und die drahtlose Übertragung der Drehmomentdaten der DMS an einen Empfänger.

Diese Lösung bietet eine Vielzahl von Vorteilen:

  • Installation eines zusätzlichen Aufnehmers ist nicht erforderlich
  • Linearität und Umkehrspanne von weniger als 0,1 %
  • Keine Änderung des mechanischen Verhaltens des Antriebsstrangs
  • Kontinuierliche Langzeitmessungen
  • Größerer Gebrauchstemperaturbereich
  • Robuster Aufnehmer für Dauerbetrieb
  • Störfest und unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern (EMV)

Wenn autonome Fahrzeuge sich in der Breite etablieren, werden Ingenieure, die sich mit geländegängigen Fahrzeugen beschäftigen, erneut den Blick darauf richten, eine Drehmomentmessung auf Produktionsebene zu implementieren. Ohne einen Fahrer am Steuer, der während der Fahrt Anpassungen vornehmen kann, wird das Bordcomputersystem des autonomen Fahrzeugs durch strategische Übertragung der Leistung auf die verschiedenen Bauteile in der Lage sein, den Radschlupf zu minimieren und die Kraftstoffeffizienz zu maximieren.

Da die Nachfrage nach geländegängigen Fahrzeugen mit höherer Leistung wächst, wird die Branche Durchbrüche bei der Weiterentwicklung der Telemetrietechnologie erleben. Durch die wirtschaftliche Übertragung von hochgenauen und zuverlässigen Daten zur Messung des Drehmoments ermöglichen diese Fortschritte, sich über die kontrollierten Umgebungen des Labors oder der Feldtests hinaus in Fahrzeuge auf Produktionsebene zu bewegen. Das erlaubt der Branche, auf dem Weg zu weniger Emissionen, Kraftstoffeinsparungen und Kontrolle der Fahrzeugstabilität einen großen Schritt nach vorn zu tun.