Piezoelektrische Anregung hochfrequenter Schwingungen zur Reibungsreduktion bei der Bodenbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Wallaschek
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 83596730

Die Bodenbearbeitung stellt eine der wichtigsten Arbeitsschritte in der Landtechnik dar. Ziel der Bodenbearbeitung ist es, den Kulturpflanzen optimale Wachstumsbedingungen zu schaffen und die Widerstandskraft des Bodens gegenüber Schadbelastungen zu erhöhen. Allen Verfahren ist gemeinsam, dass der Boden mit einem mechanischen Werkzeug bearbeitet wird. Besonders bei der konventionellen Bodenbearbeitung findet eine mehrmalige sehr intensive Bearbeitung des Bodens mit verschiedenen Maschinen statt. Diese Bearbeitung ist gekennzeichnet durch sehr hohe Kräfte und einen sehr hohen Verschleiß im Bereich der Arbeitswerkzeuge der verwendeten Maschinen. Ein limitierender Faktor der Bodenbearbeitung ist die benötigte Zugkraft des Pfluges, weil ein Traktor nur eine begrenzte Vortriebskraft erzeugen kann. Um die Vortriebskraft zu erhöhen, werden Traktoren daher oftmals mit Zusatzgewichten beladen, mit dem alleinigen Ziel, hierdurch die Aufstandskraft zu erhöhen.Eine Möglichkeit, die Reibkräfte zu reduzieren, besteht in der Einkopplung zusätzlicher Schwingungen in die Struktur. Es ist bekannt, dass es gelingt durch Überlagerung von Ultraschallschwingungen, den effektiven Reibwert zu senken. Diese Technik wird derzeit bei der industriellen Bearbeitung von Glas, Papier, Pappe und anderen Werkstoffen bereits eingesetzt. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Zerspanbarkeit durch Ultraschallschwingungen verbessert wird, und die Bearbeitungskräfte sowie die thermischen Belastungen reduziert werden. Auf dem Gebiet der Bodenbearbeitung wurde der Einsatz von Ultraschall jedoch noch nicht untersucht. In dem beantragten Vorhaben soll die Ultraschalltechnik erstmals in der Bodenbearbeitung angewendet werden. Das Ziel besteht darin, die Reibkräfte und –leistungen des Bodenbearbeitungsgerätes (Schar, Zinke, etc) durch die eingekoppelte Ultraschallschwingung zu reduzieren. Dies kann in der Folge zu einer deutlich verbesserten Produktivität führen.Im Rahmen des beantragten Vorhabens ist geplant, mathematisch-mechanische Modelle des flächigen Reibkontaktes zwischen Boden und Bearbeitungsgerät unter Einwirkung von Ultraschall zu entwerfen. Insbesondere soll hierdurch der effektive, aus der Ultraschallanregung resultierende, Reibwert ermittelt werden. Anhand dieser Ergebnisse sollen geeignete Prozessparameter identifiziert werden. Begleitend dazu soll am Institut für Landmaschinen und Fluidtechnik (ILF) der TU Braunschweig ein Versuchsstand errichtet werden, um die Modelle und die damit erzielten theoretischen Ergebnisse zu validieren und die praktische Umsetzung vorzubereiten. Die Versuche sollen unter Variation von verschiedenen Parametern durchgeführt werden, die die Bodenarten und –zustände, die Werkzeugeigenschaften sowie die Vortriebsgeschwindigkeit betreffen. Zudem sollen unterschiedliche Anregungsarten, Krafteinkopplungspunkte und Werkzeuggeometrien getestet werden. Zur Verifikation der Ergebnisse des stationären Versuchsstands sind zusätzlich Versuche im Feldeinsatz geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen