Getriebe für Tiefenlockerer: Antriebstechnik für Unterflurlockerer und Aufreißer

Motorbetriebene Tiefenbearbeitung: Wo das Zapfwellengetriebe entscheidend ist

Konventionelle Tiefenlockerer und Grubber sind passive Anbaugeräte – starre Zinken, die von der Zugstange des Traktors durch den Boden gezogen werden und weder Zapfwellenantrieb noch Getriebe benötigen. Diese Geräte eignen sich gut für trockene, lockere Böden, da der statische Zinken die verdichtete Schicht durch reine mechanische Kraft aufbrechen kann. In lehmreichen, plastischen oder stark verdichteten Böden, wo die statische Aufbruchkraft die Zugkraft des Traktors übersteigt, ist passives Tiefenlockern jedoch unpraktisch – die Traktorräder verlieren die Traktion, bevor der Zinken die harte Bodenschicht aufbrechen kann, und die Verdichtung bleibt unberührt. Hier kommen motorbetriebene Tiefenlockerer zum Einsatz.

Ein motorbetriebener Tiefenlockerer nutzt einen zapfwellengetriebenen oszillierenden, rotierenden oder vibrierenden Mechanismus, um die verdichtete Bodenschicht dynamisch statt statisch aufzubrechen. Der dynamische Belastungsmechanismus – sei es eine rotierende Zinkenanordnung, ein vibrierender Schaft oder ein tiefsitzender Rotor – übt zyklische Kräfte mit Frequenzen von 5 bis 20 Hz auf den Boden aus und reduziert so die durchschnittlich benötigte Zugkraft im Vergleich zur passiven Tiefenlockerung um 40 bis 70 Prozent. Zapfwellengetriebe Der Antrieb dieses Mechanismus muss die hohe Zapfwellenleistung (540 oder 1000 U/min) in die niedrige Drehzahl und das hohe Drehmoment umwandeln, die der Bodenaufbruchmechanismus benötigt – typischerweise eine Drehzahlreduzierung von 1:3 bis 1:8, abhängig von der Bauart des Kultivators.

Die gängigsten motorbetriebenen Tiefenlockerer sind Tiefenfräsen (ähnlich einer Standard-Fräse, jedoch mit längeren Zinken für eine Arbeitstiefe von 250 bis 400 mm), oszillierende Tiefenlockerer (bei denen sich der Zinken unter Zapfwellenantrieb mit niedriger Frequenz vor- und zurückbewegt) und kombinierte Tief-/Flachfräsen, die einen passiven Tiefenlockerer-Zinken mit einem dahinter montierten motorbetriebenen Rotationsplanierer kombinieren. Jede Bauart erzeugt ein spezifisches Belastungsprofil des Getriebes, aber alle erfüllen die grundlegende Anforderung eines hohen, anhaltenden Drehmoments in Verbindung mit der Fähigkeit, starke Stöße durch Steine ​​und Wurzelmassen in der Arbeitstiefe abzufangen.

Konstruktionsprinzipien für Getriebe mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment

A Tiefgrubbergetriebe Dieses Getriebe repräsentiert den Extrembereich hoher Drehmomente im Spektrum landwirtschaftlicher Getriebe. Während ein Getriebe für Sämaschinen ein moderates Drehmoment bei sehr hoher Drehzahl überträgt, überträgt ein Getriebe für Tiefengrubber ein sehr hohes Drehmoment bei moderater Drehzahl – und die technischen Anforderungen sind grundlegend verschieden. Das Ausgangsdrehmoment bei 100 U/min und einer Leistung von 60 PS ist mehr als 4,5-mal höher als das Eingangsdrehmoment bei 540 U/min und gleicher Leistung (das Ausgangsdrehmoment verhält sich umgekehrt proportional zum Untersetzungsverhältnis). Diese Drehmomentverstärkung erfordert Zahnräder mit hoher Grundfestigkeit, größere Modulgrößen und Wellendurchmesser, die auf Dauerfestigkeit und nicht nur auf Steifigkeit ausgelegt sind.

Der Modul (die Zahngröße, die sowohl die Belastbarkeit als auch die Drehzahl bei einer gegebenen Umfangsgeschwindigkeit bestimmt) eines typischen Abtriebszahnrads einer Tiefenlockerungsmaschine beträgt 5 bis 8 mm – deutlich größer als der Modul von 3 bis 4 mm, der in einem Getriebe eines Rotationsmähers vergleichbarer Leistung mit höherer Abtriebsdrehzahl verwendet wird. Größere Modulwerte führen zu größeren Zahnflanken mit tieferen Zahnfüßen, wodurch die Schnittkraft auf mehr Material verteilt wird und die erforderliche Biegefestigkeit zur Verhinderung von Zahnfußrissen bei dauerhaft hohem Drehmoment gewährleistet ist. Der Durchmesser der Abtriebswelle an den Lagerstellen beträgt typischerweise 60 bis 100 mm – ebenfalls deutlich größer als die bei schnelllaufenden Landwirtschaftsgetrieben üblichen 35 bis 50 mm – und bietet die erforderliche Querschnittsfläche, um die hohe Torsionsspannung aufzunehmen, ohne die Dauerfestigkeit des Wellenmaterials zu überschreiten.

Für die Lagerwahl an der Abtriebsposition mit hohem Drehmoment sind Kegelrollenlager anstelle der für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bevorzugten Rillenkugellager erforderlich. Kegelrollenlager nehmen die kombinierten Radial- und Axialkräfte auf, die durch den Eingriff von Schräg- oder Spiralverzahnungen bei hohem Drehmoment entstehen. Ihre deutlich höhere Tragfähigkeit pro Baugröße macht sie zur einzig praktikablen Wahl für die Lagerpositionen neben dem Abtriebszahnrad mit hohem Drehmoment. Hersteller wie Ever-Power Zapfwellengetriebe Für die Abtriebspositionen des Tiefgrubbergetriebes werden aufeinander abgestimmte Kegelrollenlagersätze mit kontrollierter Vorspannung spezifiziert – die Vorspannungseinstellung (typischerweise 0,05 bis 0,15 mm axiale Kompression) gewährleistet eine gleichmäßige Lastverteilung über die Lagerrollen unter der hohen zyklischen Belastung, die für im Boden arbeitende Geräte charakteristisch ist.

Tiefenfräsen und motorbetriebene Tiefenlockerer: Antriebsarchitektur

Eine Tiefenfräse erweitert die Arbeitstiefe einer Standardfräse von den üblichen 150 bis 200 mm bei konventioneller Bodenbearbeitung auf 250 bis 400 mm bei der Unterbodenrehabilitation. Die Fräsmesser sind mit längeren Messern auf einer stärkeren Rotorwelle ausgestattet, und das Getriebe, das den Rotor antreibt, muss 30 bis 50 Prozent mehr Leistung übertragen als bei einer Flachfräse. Landwirtschaftliches Getriebe Bei gleicher Arbeitsbreite benötigt das Gerät aufgrund des tieferen Zinkeneingriffs proportional mehr Energie pro Vorwärtsbewegungseinheit. Ausgehend von einer Zapfwellendrehzahl von 540 U/min reduziert das Getriebe die Drehzahl an der Rotorwelle auf 200 bis 280 U/min – ein Untersetzungsverhältnis von 1:1,9 bis 1:2,7. Dadurch wird die für eine effektive Bodenzerkleinerung und seitliche Fragmentierung in der größeren Arbeitstiefe erforderliche Rotorzinkenspitzengeschwindigkeit (5 bis 7 m/s) erreicht. Dort sind Bodendichte und Kohäsion deutlich höher als in der Oberflächenbearbeitungsschicht. Einen Vergleich mit Geräten für flachere Bodenbearbeitung mit ähnlicher Antriebsarchitektur, aber niedrigeren Drehmomenten finden Sie in unserem technischen Leitfaden. Getriebe für Kraftegge Design und Anwendung.

Motorbetriebene Tiefenlockerer nutzen einen anderen Mechanismus: Anstelle einer rotierenden Zinkenanordnung verwenden sie vertikale Zinken (typischerweise 4 bis 8 Zinken bei einer Arbeitsbreite von 3 bis 5 Metern), deren Zinken durch eine Zapfwelle (PTO) oszillierend bewegt werden. Dabei vibriert jeder Zinken mit einer Frequenz von 5 bis 15 Hz und einem Hub von 30 bis 80 mm vor und zurück. Der Oszillationsmechanismus nutzt eine Exzenterkurbel, die vom Zapfwellengetriebe angetrieben wird. Diese wandelt die Drehbewegung über ein Kurbel- und Pleuelgestänge in eine Hin- und Herbewegung um, ähnlich dem Mechanismus von Messermähern, jedoch mit deutlich höherem Drehmoment. Die Kurbelwelle muss sich mit der gewünschten Schwingungsfrequenz drehen – 300 bis 900 U/min, wenn die Schwingung 5 bis 15 Hz beträgt (da ein Schwingungszyklus = eine Kurbelwellenumdrehung) – was je nach Zielfrequenz ein Übersetzungsverhältnis von 1:1,8 bis 1:0,6 bei einer Zapfwelle von 540 U/min erfordert.

Schutz vor Felsaufprall: Überleben in der Untergrundumgebung

Bei einer Arbeitstiefe von 300 bis 600 mm stoßen Tiefengrubber auf geologische Gegebenheiten, die Oberflächenbearbeitungsgeräte nie erreichen: große Feldsteine ​​(über 200 mm große Felsbrocken, die sich unter der Bearbeitungsschicht abgesetzt haben), Felsaufschlüsse, vergrabene Wurzeln und Baumstümpfe von früheren Rodungen sowie Metallgegenstände (abgebrochene Pflugspitzen, Fragmente von Bewässerungsrohren, Zaunpfähle), die durch jahrzehntelange konventionelle Bodenbearbeitung untergepflügt wurden. Jedes dieser Hindernisse erzeugt Stoßbelastungen an den Zinken oder dem Schaft, die innerhalb von Millisekunden das 5- bis 15-Fache der normalen Laufkraft überschreiten können.

Der Überlastschutz von Tiefengrubbern basiert auf einem mehrstufigen System. Die primäre Schutzvorrichtung ist eine Rutschkupplung oder ein Scherbolzen im Zapfwellenantrieb, der so kalibriert ist, dass er beim 1,5- bis 2-Fachen des Nenndrehmoments auslöst – und so die Maschine schützt. Zapfwellengetriebe Um Drehmomentspitzen zu vermeiden, die andernfalls Zahnräder beschädigen oder Wellen brechen würden, bietet der individuelle Schaftschutz zusätzlichen Schutz: Jeder Zinken oder Schaft ist an einer hydraulischen oder federbelasteten Auslösevorrichtung montiert. Diese ermöglicht es dem Schaft, sich bei einem unbeweglichen Hindernis nach hinten auszulenken und nach Überwindung des Hindernisses in seine Arbeitsposition zurückzukehren. Hydraulische Auslösesysteme (die einen Hydraulikspeicher zur Bereitstellung der Auslösekraft nutzen) bieten die höchste Auslösegenauigkeit und die größte Widerstandsfähigkeit gegen Fehlauslösungen bei kleinen Hindernissen. Federbelastete Systeme sind mechanisch einfacher und kostengünstiger, erfordern jedoch eine regelmäßige Nachjustierung der Federspannung, um eine gleichbleibende Auslösekraft zu gewährleisten.

Die Materialspezifikation für das Getriebegehäuse ist bei Tiefengrubbern aufgrund der hohen Stoßbelastung wichtiger als bei den meisten anderen landwirtschaftlichen Geräten. Sphäroguss (SG-Guss, EN-GJS-400-15 oder höher) ist das Mindestmaterial für das Gehäuse. Standard-Grauguss bricht unter den für Gesteinsaufprall typischen Stoßbelastungen im Untergrund, während sich Sphäroguss lokal verformt, ohne dass es zu durchgehenden Rissen oder einem katastrophalen Gehäusebruch kommt. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen (vulkanische Böden mit hohem Gesteinsanteil, rekultivierte Flächen mit Bauschutt) bieten geschweißte Stahlgehäuse eine 3- bis 5-mal höhere Schlagzähigkeit als Sphäroguss, allerdings auf Kosten einer etwas geringeren Wärmeleitfähigkeit – ein lohnender Kompromiss, um das Getriebe vor katastrophalen Stoßschäden zu schützen.

Leistungsdichte-pro-Meter-Dimensionierung: Abstimmung von Traktor und Getriebe auf die Arbeitsbreite

Die Tiefenbearbeitung ist die zapfwellenintensivste Arbeitsmethode in der konventionellen Landwirtschaft und verbraucht je nach Bodenart, Arbeitstiefe und Fahrgeschwindigkeit 30 bis 60 PS pro Meter Arbeitsbreite. Zum Vergleich: Eine Flachfräse benötigt 15 bis 30 PS pro Meter, eine Kreiselegge 12 bis 25 PS pro Meter und ein Saatbettgrubber 8 bis 15 PS pro Meter. Der deutlich höhere Leistungsbedarf der Tiefenbearbeitung erklärt sich dadurch, dass sich die bearbeitete Bodenmasse bei Verdopplung der Arbeitstiefe mehr als verdoppelt (da der Zinken über seine gesamte Länge im Boden arbeitet) und der tiefer liegende Boden in der Regel dichter und kohäsiver ist als die darüber liegende Oberflächenschicht.

Eine 3 Meter breite motorbetriebene Tiefenfräse benötigt daher 90 bis 180 PS an der Zapfwelle – ein Leistungsbereich, der den Einsatz dieser Geräte auf mittelgroße bis große landwirtschaftliche Traktoren beschränkt (130 bis 250 PS Motorleistung, wobei nach den Antriebsverlusten mindestens 100 PS an der Zapfwelle zur Verfügung stehen müssen). Landwirtschaftliches Getriebe Das Getriebe muss für die volle Dauerleistungsaufnahme plus eine Reserve von 30 bis 40 Prozent für die Drehmomentspitzen ausgelegt sein, die durch Stein- und Wurzelaufprall entstehen und im normalen Betrieb mehrmals pro Stunde auftreten. Eine Unterdimensionierung des Getriebes, bei der diese Reserve ignoriert wird, hat vorhersehbare Folgen: Zahnfußrisse innerhalb von ein bis zwei Saisons, Verschleiß des Abtriebslagers, der zu Gehäuseschäden führt, und schließlich ein kompletter Getriebeaustausch, der das Drei- bis Fünffache der Preisdifferenz zwischen dem korrekt dimensionierten und dem unterdimensionierten Getriebe beim ursprünglichen Kauf kostet.

Wartung von Getrieben mit hohem Drehmoment und Bodenkontakt

Die Getriebe von Tiefengrubbern arbeiten saisonal – typischerweise 50 bis 150 Stunden pro Jahr intensiv, vor der Aussaat oder nach der Ernte zur Bodenbearbeitung. Die geringe jährliche Betriebsdauer könnte längere Ölwechselintervalle nahelegen, doch die anspruchsvollen Betriebsbedingungen sprechen für das Gegenteil. Ein Ölwechsel am Ende jeder Arbeitssaison (unabhängig von den Betriebsstunden) wird empfohlen. Der hohe Drehmomenteinsatz der Zahnräder führt zu thermischer Zersetzung, die sich während der langen Lagerung nicht vollständig abbaut. Zudem kondensiert während der Lagerung Wasser im Öl, das die Zahnräder und Lagerflächen verunreinigt, wenn es nicht vor Beginn der nächsten Saison entfernt wird.

Prüfen Sie das Zahnflankenspiel bei jedem saisonalen Ölwechsel. Drehen Sie die Eingangswelle bei blockierter Ausgangswelle und prüfen Sie den Freilaufbereich, bevor das Ausgangszahnrad eingreift. Das typische Zahnflankenspiel eines neuen Getriebes beträgt 0,10 bis 0,25 mm am Teilkreisradius (gemessen an der Zahnflanke der Ausgangswelle). Ein Zahnflankenspiel von 0,50 mm oder mehr deutet auf erheblichen Zahnradverschleiß hin, der eine Lagerprüfung und gegebenenfalls einen Zahnradwechsel vor der nächsten Betriebssaison erforderlich macht. Verwenden Sie ein synthetisches EP-Getriebeöl auf PAO-Basis nach ISO VG 320 (eine Viskositätsklasse höher als das in mittelbelasteten Landwirtschaftsgetrieben verwendete VG 220). Die höhere Viskosität gewährleistet eine ausreichende Ölfilmdicke bei der hohen Zahnkontaktspannung, die für den Betrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment charakteristisch ist.

Zapfwelle Die Auswahl der Antriebswellen für Tiefengrubber muss dem hohen Drehmomentbedarf entsprechen. Unterdimensionierte Antriebswellen, die bei Flachbodenbearbeitungsgeräten ausreichend funktionieren, können bei der Verwendung in einem Tiefengrubber katastrophal versagen. Stellen Sie sicher, dass die Nennleistung der Zapfwelle (Serie 6 für höhere Drehmomente, Serie 8 für Anwendungen mit höchsten Drehmomenten) für die Leistungsaufnahme des Tiefengrubbers geeignet ist. Für Tiefengrubber, die in einem Winkel von mehr als 25 Grad zum Traktor betrieben werden – was häufig beim Bearbeiten von Feldrändern oder auf unebenem Gelände vorkommt –, wird eine Konstantdrehzahl-Zapfwelle (CV) empfohlen. Die CV-Zapfwelle eliminiert die zyklischen Drehmomentpulsationen, die herkömmliche Antriebswellen mit Hooke-Gelenk bei großen Betriebswinkeln erzeugen, und schützt so die Getriebeeingangslager vor der dadurch verursachten beschleunigten Materialermüdung.

Häufig gestellte Fragen

Herausgeber: Cxm