((Bild 1)) Der Überlader Brettmeister K3 sorgt für eine unterbrechungsfreie und damit schnellere Kartoffelernte. Für die Fahrzeugtechnik unverzichtbar sind dabei Positionssensoren zur Weg- und Winkelmessung.

Bild 1: Der Überlader Brettmeister K3 sorgt für eine unterbrechungsfreie und damit schnellere Kartoffelernte. Für die Fahrzeugtechnik unverzichtbar sind dabei Positionssensoren zur Weg- und Winkelmessung. Josef Brettmeister

Das Familienunternehmen Josef Brettmeister Metall- und Fahrzeugbau aus dem bayrischen Kühbach ist ein Spezialhersteller von mobiler Landmaschinentechnik. Ein typisches Beispiel dafür ist der Kartoffelüberlader K3 (Bild 1). Er ermöglicht eine unterbrechungsfreie Kartoffelernte auf dem Feld, indem er die frisch geernteten Kartoffeln aus seinem Bunker mithilfe eines vierfach verstellbaren Bandauslegers schonend auf die Ladefläche des Transportfahrzeugs befördert. Dank des Auslegers müssen die Transportfahrzeuge zudem nicht mehr aufs Feld fahren, sondern können beim Beladen auf der Straße bleiben. Eine zusätzliche Reinigungseinheit (Bild 2) zwischen dem Bunker- und Überladeband entfernt zudem anhaftende Erde von den Kartoffeln. Pro Bunkerinhalt kommen so typischerweise bis zu 3 m³ Erde gleich wieder auf den Acker zurück. Die Überladeleistung erreicht – abhängig von der Verschmutzung – 80 bis 150 t/h.

Eck-Daten

  • Magnetisch messende Weg- und Winkelsensoren eignen sich zum Einsatz in rauen Umgebungen wie in mobilen, landwirtschaftlichen Maschinen.
  • Die Messwerte gehen als Analogsignal mit einer Auflösung von 12 Bit an die Hydraulik-Steuerung der Maschine.
  • Die geringe Baugröße der Sensoren von 40 x 27 x 7 mm erlaubt ihren Einsatz unter beengten Platzverhältnissen.
  • Die anwendungsbedingten Einbautoleranzen vereinfachen die Sensormontage.
  • Mithilfe einer Memoryfunktion können bestimmte Positionen der Sensoren gespeichert und bei Bedarf durch die Steuerung automatisch angefahren werden.

Sowohl am Ausleger, das heißt am Überladebandrahmen, als auch in der Reinigungseinheit müssen Positionen gemessen werden. Beim dem hydraulisch verstellbaren Bandrahmen gilt es die Stellung der vier Gelenke zu erfassen, mit der der Ausleger in die Übergabeposition zum Transportfahrzeug gebracht wird. Und bei den verstellbaren Reinigungswalzen kommt es auf dem richtigen Abstand an, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Durch die Positionserfassung ließ sich beim Überladebandrahmen zudem noch eine komfortable Memoryfunktion realisieren. „Mit der Memoryfunktion kann das Überladeband bequem mit nur einem Tastendruck in Parkstellung für die Straßenfahrt und wieder in eine beliebige gespeicherte Position zum Überladen ausgefahren werden“, erklärt Bernhard Brettmeister (Bild 3), Entwicklungsleiter bei Josef Brettmeister Metall- und Fahrzeugbau. „Der Bediener muss dann nicht jedes Mal die Gelenke einzeln positionieren“, fährt er fort.

Bild 2: Eine zusätzliche Reinigungseinheit zwischen Bunkerband und Überladeband säubert das Erntegut von anhaftender Erde. Hier kommen lineare Wegsensoren zum Einsatz.

Bild 2: Eine zusätzliche Reinigungseinheit zwischen Bunkerband und Überladeband säubert das Erntegut von anhaftender Erde. Hier kommen lineare Wegsensoren zum Einsatz. Josef Brettmeister

Für den Einsatz in dem Überlader kommt es bei den Sensoren auf eine Reihe bestimmter Eigenschaften an: „Sie müssen die Drehwinkel der Überladergelenke beziehungsweise den Abstand der Reinigungswalzen unter den rauen Betriebsbedingungen beim Ernteeinsatz zuverlässig und mit der notwendigen Genauigkeit erfassen. Sie müssen berührungslos arbeiten, um Verschleiß zu vermeiden, und sich aufgrund des geringen Platzangebotes im Gelenk gut integrieren lassen“, fasst Brettmeister die wichtigsten Punkte zusammen. „Die passende Lösung fanden wir schließlich bei dem Sensorhersteller Novotechnik.“

Die Position in den vier Überladergelenken erfassen jetzt magnetische Winkelsensoren der Baureihe RFD-4000 (Bild 4); in der Reinigungseinheit überwacht die baugleiche, linear messende Variante TFD-4000 (Bild 5) den Walzenabstand. Die Winkelsensoren liefern absolute Messwerte über 180°, die Wegmesser von 5 bis 50 mm. Die Messwerte gehen als Analogsignal mit einer Auflösung von 12 Bit an die Hydraulik-Steuerung. Die (unabhängige) Linearität liegt bei ± 0,5 %, die Wiederholgenauigkeit bei ± 0,1 %. Die rotativen Sensoren können den Messwert prinzipiell über volle 360° erfassen, was in dieser Anwendung allerdings nicht notwendig ist.

Einfache Montage, die Toleranzen zulässt

„Die Positionssensorik muss unter den rauen Betriebs- bedingungen zuverlässig und genau arbeiten.“ Bernhard Brettmeister, Entwicklungsleiter bei Josef Brettmeister Metall- und Fahrzeugbau

„Die Positionssensorik muss unter den rauen Betriebsbedingungen zuverlässig und genau arbeiten.“ Bernhard Brettmeister, Entwicklungsleiter bei Josef Brettmeister Metall- und Fahrzeugbau Josef Brettmeister

Weil das Sensorelement und der positionsgebende Magnet konstruktiv voneinander getrennt sind, vereinfacht sich die Montage, denn der Sensor kann in bis zu 4 mm Entfernung zum Positionsgeber platziert werden. Ein seitlicher Versatz von bis 3 mm wird ebenfalls toleriert. Die Konstrukteure des Überladers schätzen diese Vorteile bei der Montage hoch. Weil weder Welle noch Lagerung notwendig sind und der Messabstand variabel ist, sind anwendungsbedingte Einbautoleranzen unproblematisch. Falls Bedarf bestünde, könnte sogar durch Material hindurch gemessen werden, solange dieses nichtmagnetisch ist, was je nach Anwendung weitere Konstruktionsfreiheiten erschließen kann. „Auch anwendungsspezifische Anpassungen sind bei der Montage möglich“, ergänzt Brettmeister.

((Bild 4)) Der magnetische Winkelsensor (Drehgeber) der Baureihe RFD 4000 ist äußerst kompakt gebaut. Er konnte deshalb direkt am Gelenkbolzen des verstellbaren Auslegers angebracht werden.

Bild 4: Der magnetische Winkelsensor (Drehgeber) der Baureihe RFD 4000 ist äußerst kompakt gebaut. Er konnte deshalb direkt am Gelenkbolzen des verstellbaren Auslegers angebracht werden. Novotechnik

Dass die Sensoren sehr preisgünstig sind und sich durch ihre kompakte Bauform gut im Gelenkauge beziehungsweise am Scherwerk der Reinigungswalzen integrieren lassen, waren weitere Argumente für die Wahl. Schließlich benötigt der Sensor dank seiner miniaturisierten Bauform mit 40 mm Länge, 27 mm Breite und nur 7 mm Höhe nur wenig Bauraum. Der Positionsgeber ist am Gelenkbolzen befestigt, in der Reinigungseinheit wurde er am Tragarm des Motors montiert. „Dass sich der Positionsgeber dadurch minimal verdreht, beeinträchtigt das Messergebnis nicht“, freut sich Brettmeister.

Ausgelegt für harte Umgebungsbedingungen

((Bild 5)) Die baugleiche Sensorvariante TFD-4000 eignet sich mit dem entsprechenden Positionsgeber für lineare Wegmessungen. In dem Überlader sind die Sensoren im Scherwerk der Reinigungswalzen integriert.

Bild 5: Die baugleiche Sensorvariante TFD-4000 eignet sich mit dem entsprechenden Positionsgeber für lineare Wegmessungen. In dem Überlader sind die Sensoren im Scherwerk der Reinigungswalzen integriert. Novotechnik

Mit den harten Umgebungsbedingungen im Ernteeinsatz haben die magnetischen Sensoren keine Probleme. „Das Gehäuse besteht aus hochwertigem und temperaturbeständigem Kunststoff. Außerdem ist der Sensor vollkommen vergossen und damit nässe- und verschmutzungsunempfindlich“, ergänzt Brettmeister. Für die elektrische Verbindung sorgen Einzeladern, die ebenfalls eingegossen sind. Die Sensoren erfüllen serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP67 beziehungsweise IP69K, sie sind vibrationsunempfindlich und arbeiten bei Umgebungstemperaturen zwischen -40 °C und +125 °C, sind also auch in dieser Hinsicht für den rauen Einsatz in den Erntefahrzeugen bestens gerüstet.

Magnetische Positionssensoren: Der Hall-Effekt

Der Hall-Effekt beruht auf der Lorentz-Kraft, der Kraft, die eine Ladung in einem magnetischen oder elektrischen Feld erfährt. Der Hall-Effekt beschreibt das Auftreten einer elektrischen Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem stationären Magnetfeld befindet.

((Bild 6 - optional)) Für die kontaktlose Winkelerfassung wird an der drehenden Achse ein Positionsgeber mit integriertem Magnet angebracht. Je nach Drehposition verändert sich die Orientierung des Magnetfeldes und damit das Eingangssignal des Sensors.

Bild 6: Für die kontaktlose Winkelerfassung wird an der drehenden Achse ein Positionsgeber mit integriertem Magnet angebracht. Je nach Drehposition verändert sich die Orientierung des Magnetfeldes und damit das Eingangssignal des Sensors. Novotechnik

Wird ein Hall-Sensorelement von einem Strom durchflossen, liefert es eine Spannung quer zum Stromfluss, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu beiden einwirkt. Weil diese Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke verläuft, ist durch Anbringen eines Positionsmagneten auf einer drehbaren Welle eine berührungslose Winkelmessung möglich (Bild 6). Durch Kombination mehrerer Sensorelemente und Integration der kompletten Signalverarbeitung in wenigen Bauelementen sind komplexe Sensorsysteme auf kleinstem Bauraum möglich. Die Winkelsensoren nach dem Hall-Prinzip arbeiten weitgehend alterungsunempfindlich und unabhängig von Feldstärken-Schwankungen der Positionsgebermagnete. Hohe Auflösungen bei guter Dynamik, große mechanische Toleranzen bei der Montage sind weitere technische Vorzüge der Hall-Sensoren.