Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Konstruktionsempfehlungen für den materialeffizienten Einsatz höherfester Stahlrohre und -profile in landtechnischen Bodenbearbeitungsmaschinen

Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung von Einsatzpotentialen höherfester Stahlhohlprofile in der Landmaschinentechnik. Dabei stehen Bodenbearbeitungsmaschinen wie z.B. Grubber, Eggen und Pflüge im Vordergrund, da sie ein großes Potential zum leichtbauoptimierten (materialeffizienten) Einsatz höherfester Stähle bieten. Diese Geräte sind profilintensive Konstruktionen, in denen traditionell Standardsorten wie S235 und S355 eingesetzt werden. Die konstruktive Auslegung erfolgt üblicherweise noch erfahrungsbasiert ohne Kenntnis der genauen Belastungen. Dies macht eine optimale und werkstoffgerechte Konstruktion nahezu unmöglich.

Durch beanspruchungsgerechte Konstruktionen und durch Einsatz hochfester Werkstoffe (S690) können die Gewichte dieser Maschinen signifikant gesenkt werden. Diese Gewichtsreduktion ist notwendig, um den steigenden Anforderungen des Gesetzgebers hinsichtlich bodenschonender Ackerbewirtschaftung und den Randbedingungen der StVZO weiterhin zu entsprechen.

Im Rahmen von Messfahrten werden Lastkollektive ermittelt, mit denen für ausgewählte Details die Ermüdungsfestigkeiten unter konstanter und variabler Amplitude bestimmt werden. Aufbauend auf zusätzlichen Parameterstudien mit FEM werden Konstruktions- und Bemessungsempfehlungen ausgearbeitet.

Dieses Projekt weist eine zukunftsweisende Entwicklung auf und trägt dazu bei, die Wettbewerbs- und Innovationsfähigkeit zu steigern. Die KmU-geprägte Landtechnikbranche entwickelt und produziert derzeit noch fast ausschließlich in Deutschland. Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Zahl von Wettbewerbern, welche die aktuelle Technik in Niedriglohnländern produzieren, ist eine technologische Weiterentwicklung notwendig, um am Entwicklungs- und Produktionsstandort Deutschland wettbewerbsfähig zu bleiben. Die besondere Herausforderung in diesem Vorhaben besteht darin, materialeffiziente Leichtbaukonstruktionen durch den Einsatz höherfester Stahlsorten für den landmaschinentechnischen Einsatz verfügbar zu machen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit moderner Landmaschinen und Geräte steigen stetig und der damit einhergehenden Entwicklung stehen enorme Herausforderungen gegenüber. Mit Blick auf diese Entwicklungstrends entsteht ein Zielkonflikt zwischen der geforderten Leistungsfähigkeit, den zulässigen Maschinengewichten und dem wirtschaftlich verfügbaren Kostenrahmen.

Diese Problematik wird im Projekt aufgegriffen und anhand von landwirtschaftlichen Bodenbearbeitungsmaschinen, zu denen z.B. Bodenfräsen, Grubber, Eggen und Pflüge zählen, untersucht. Diese Bodenbearbeitungsmaschinen bieten ein großes Potenzial zum leichtbauoptimierten und materialeffizienten Einsatz von höherfesten Stählen, da es sich um profilintensive Konstruktionen handelt, in denen traditionell Standardwerkstoffe (z.B. S355) eingesetzt werden. Die konstruktive Auslegung erfolgt üblicherweise noch erfahrungsbasiert ohne Kenntnis der genauen Belastungen, wodurch eine optimale und werkstoffgerechte Konstruktion erschwert wird. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein äquivalentes Prüfkollektiv für Bodenbearbeitungsgeräte erstellt. Die Grundlage dafür bilden realitätsnahe Messfahrten mit einem Bodenbearbeitungsgerät. Das Prüfkollektiv bildet die Grundlage für die Betriebsfeste Auslegung von landtechnischen Bodenbearbeitungsgeräten. Parallel zu der Ermittlung des Lastkollektivs wurden drei Konstruktionsdetails hinsichtlich der jeweiligen Ermüdungsfestigkeit geprüft. Anhand der experimentellen Ermittlungen konnte eine Kerbfallempfehlung für die jeweiligen Details erstellt werden. Diese Empfehlung dient dazu, dass die ausgewählten Konstruktionsdetails hinsichtlich ihrer Ermüdungsfestigkeit bewertet werden können. Zum Abschluss konnte ein Musterbauteil anhand der Lastkollektive sowie der Kerfallempfehlungen ausgelegt werden. Durch die experimentelle Untersuchung des Musterbauteils konnten die ermittelten Kerbfallempfehlungen untermauert werden.