"Geisi" – ein neues Konzept zur Steillagenmechanisierung

 

Der in Deutschland landschaftsprägende Steillagenweinbau ist stark rückläufig. Die Bewirtschaftung ist gefährlich und körperlich anstrengend, die etablierten Seilzugmechanisierungssysteme sind teuer und für kleinere Betriebe nicht zu finanzieren. Durch ein innovatives Mechanisierungskonzept soll eine signifikante Reduzierung der Arbeitszeit bei erhöhter Arbeitssicherheit erreicht werden. Zu diesem Zweck wird im Fachgebiet Technik der Forschungsanstalt Geisenheim ein multifunktionales Transport- und Antriebsgerät zur Unterstützung in Steillagen tätiger Personen entwickelt. Das neuartige Fahrzeug ermöglicht durch den in die Stachelwalzen integrierten Antriebsstrang und den daraus resultierenden extrem tiefen Schwerpunkt auch bei größeren Steigungen einen seillosen Betrieb, wodurch die doppelte Befahrung der Zeile entfällt. Durch die GPS-gestützte, quasi-autonome Bearbeitung mit überlagerter Funkfernsteuerung wird ein Fahrer überflüssig. Einerseits sind so Abstürze mit Fahrer ausgeschlossen, andererseits ist für den Anwender die Kontaminationsgefahr bei der Durchführung von Pflanzenschutzmaßnahmen im Steilhang deutlich geringer. Darüber hinaus soll das System zu deutlich geringeren Kosten verfügbar sein.

Projektstruktur
Das Forschungsprojekt lässt sich in drei Teilbereiche untergliedern, die teilweise parallel bearbeitet werden. Der erste Teil umfasst die Modellierung und Konstruktion der Prototypen. Der zweite Projektteil beinhaltet die Ausrüstung derselben mit Messtechnik zur Erfassung der auftretenden Belastungen, der gefahrenen Steigungen und des vorhandenen Schlupfes während der Probefahrten. Der dritte Teil schließlich befasst sich mit der GPS- und der Funkfernsteuerung, den Sicherheitsaspekten sowie der automatischen Auftragsbearbeitung.


Modellierung und Konstruktion
Auf Basis der von der Firma Brielmaier Motormäher entwickelten Antriebswalzen, die im Steilhang-Motormäher Q1 des Herstellers verwendet werden, wurde für die beiden geplanten Konzepte des Steillagenfahrzeugs jeweils ein 3D-Modell erstellt. Unter Berücksichtigung der geplanten Einsatzbedingungen erfolgten anschließend die Festigkeitsanalyse und die Berechnung der erforderlichen Materialien sowie deren Dimensionierung. Auf der Basis der Konstruktionszeichnungen wurden danach ein zweiachsiger Prototyp mit Skid-Lenkung (Lenkung durch unterschiedliche Drehzahl der Walzen links und rechts) und ein knickgelenkter Prototyp mit drei Achsen gebaut. Die zugekauften Antriebswalzen wurden in der Werkstatt in Geisenheim zerlegt, modifiziert und nach Durchführung der erforderlichen Änderungen wieder zusammengebaut. Insbesondere musste die Bordhydraulik für den Allradantrieb umgebaut und mit Mengenteilern für die nun vier bzw. sechs Radmotoren ausgestattet werden. Dies war zur Sicherstellung des Gleichlaufs der vorderen und hinteren Walzen erforderlich. Des Weiteren wurde der 11-kW-Antriebsmotor beim Dreiachser durch einen 21-kW-Motor ersetzt, um größere Zuladungen realisieren zu können. Die Fertigung der Fahrgestelle erfolgte in der Werkstatt des Fachgebietes Technik der Forschungsanstalt Geisenheim.

Messtechnische Ausrüstung

Zur Dokumentation und Analyse aller auftretenden Betriebszustände und Materialbelastungen während der Versuchsfahrten wurden die Prototypen mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. So wurden die Achsen, die als Aufhängung der Antriebswalzen am Chassis dienen, mit Dehnungsmessstreifen beklebt. Hierdurch können die auftretenden Kräfte und Momente in drei Dimensionen erfasst werden. Zusätzlich zu diesen Daten erfolgte eine Aufzeichnung der Geokoordinaten über GPS sowie der CAN-Bus-Kommunikation und des Neigungswinkels. Aus diesen Informationen lassen sich sowohl die Fahrgeschwindigkeit als auch der Schlupf berechnen. Die Messtechnik in Kürze:
Mobiles Messverstärker-System SOMAT eDAQ.
•    Spannungsanalyse an zwei Achsen (12DMS)
•    Bestimmung der Masse (4DMS)
•    Bestimmung der Zugkraft (4DMS)
•    Neigungswinkel in zwei Achsen (Spannung)
•    Trommel-Drehzahl (Zähler)
•    Weg und Geschwindigkeit mit Radarsensor (Zähler)
•    GPS Koordinaten (Fahrspuren, Geschwindigkeit)
•    Kenndaten Antriebsstrang (CAN-BUS)

Steuerung der Fahrzeuge
Die Steuerung des Fahr- und Arbeitsantriebs für den zugrundeliegenden Motormäher ist seitens des Herstellers über ein CAN-Bus-System realisiert. Dieses sogenannte drive-by-wire System funktioniert ohne mechanische oder hydraulische Verbindung der Bedienelemente mit der Aktorik. Dies ermöglicht über eine Funkfernsteuerung oder ein GPS-System einen softwareseitigen Eingriff zur übergeordneten Steuerung. Zu diesem Zweck wurde das vorhandene System um einen Compact-CAN-Controller erweitert. Dieser wird zur Umsetzung der Lenkbefehle im autonomen Fahrbetrieb mittels GPS-Navigation auf vorab geplanten Pfaden und zur Einbindung der Funkfernsteuerung benötigt. Der Controller ersetzt das vom Hersteller in die Mäher eingebaute Bedienteil und übernimmt dessen Funktionen. Darüber hinaus stellt er eine Schnittstelle für Steuerungssignale des GPS-Systems zur Verfügung.


Ergebnisse
Bei ersten Versuchsfahrten mit dem zweiachsigen Prototyp im Steilhang wurden erwartungsgemäß Steigungen von 65 % – auch mit 200 kg Zuladung – bewältigt. Fahrzeug und Funkfernsteuerung funktionierten einwandfrei. Aufgrund der intensiven Verzahnung der Stachelwalzen mit dem Untergrund erwies sich die Skid-Lenkung des zweiachsigen Fahrzeugs bei kleinen Kurvenradien allerdings als problematisch. Die Auswertung der DMS-Daten ergab hierbei eine sehr hohe Materialbeanspruchung. Deshalb erscheint eine Umrüstung dieses Prototyps auf die Knicklenkung des dreiachsigen Fahrzeugs notwendig. Insgesamt verläuft das Projekt äußerst vielversprechend und das Echo in den einschlägigen Medien war bisher durchweg positiv.

Aussicht
Mit dem Aufbau des GPS-Systems zur Navigation und Dokumentation wird das Projekt fortgeführt. Untersuchungen zur Steigfähigkeit auf verschiedenen Untergründen und mit variierender Nutzlast werden im Sommer folgen. Parallel hierzu ist ein Gerät zur Applikation von Pflanzenschutzmitteln für die Prototypen in Arbeit, welches momentan auf Luftleistung und Vertikalverteilung getestet wird. Zum Abschluss des Projektes soll ein autonomes Arbeitsgerät für Steillagen bereit stehen, welches weder Fahrer noch Seilzug benötigt. Durch den Wegfall eines aufsitzenden Fahrers wird mit diesem Projekt ein großer Beitrag zur Arbeitssicherheit bei der Steillagenbewirtschaftung geleistet. Außerdem kann aufgrund des seilzuglosen Fahrzeugs die zur Bewirtschaftung erforderliche Arbeitszeit deutlich verringert werden. Mit Hilfe dieses und anderer Projekte soll der Steillagenweinbau in Falllinie, wie er für einige der deutschen Weinbaugebiete (Mosel, Mittelrhein) und auch für unsere Region typisch ist, gefördert und erhalten werden.


Die Finanzierung des Vorhabens erfolgt im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE; Projektträger). Unterstützt wurde das Projekt von den Firmen Brielmaier Motormäher, Inovel, HBC radiomatic, Geo-Konzept, LOG Hydraulik, Agco und HBM.

Kontakt

Vizepräsident/-in Forschung N.N.
Prof. Dr. Manfred Großmann

Hochschule Geisenheim University
von-Lade-Straße 1
65366 Geisenheim

Tel. +49 6722 502 0
Fax +49 6722 502 212


Projektleiter:

Prof. Dr.
Hans-Peter Schwarz
E-Mail Hans-Peter.Schwarzhs-gmde