Um größere Felder effizienter bearbeiten zu können, ist die Leistungsfähigkeit landwirtschaftlicher Erntemaschinen in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Durch die höheren Leistungen der Maschinen hat allerdings auch deren Gewicht zugenommen, was die Hersteller an die Grenzen der straßenverkehrsrechtlichen Zulässigkeit bringt und für den Anwender stärkere Bodenverdichtungen und höheren Spritverbräuche bedeutet.
Diese Problematik wurde vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover zusammen mit den Projektpartnern Krone GmbH, M&D Composites Technology GmbH und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal im Forschungsprojekt AgriLight erforscht. Dazu wurde das Chassis des Krone Big X grundlegend überarbeitet und auf eine Faserverbundkonstruktion umgestellt. Dadurch konnte das Gewicht deutlich reduziert werden.
Dickwandige Faserverbundstrukturen
Besondere Herausforderungen ergaben sich dabei aus den unterschiedlichen Materialeigenschaften von Faserverbunden und metallischen Werkstoffen, der damit einhergehenden Komplexität bei der Auslegung dickwandiger Faserverbundstrukturen und der Integration des neuen, fasergerechten Designs in die vorhandene Fahrzeugstruktur.
Die neuen Gestaltungsmöglichkeiten der CFK-Monocoque-Bauweise wurden genutzt, um zusätzliche Vorteile für den Kunden zu schaffen. Darunter beispielsweise größere, integrierte Tanks und eine vereinfachte Reinigung der Maschine durch geschlossene Oberflächen. Für die Auslegung haben das IFW und das PuK gemeinsam eine Reihe verschiedener Harzsysteme untersucht, um die optimale Matrix für die Anwendung und das Herstellungsverfahren mittels Vakuuminfusion ohne Autoklaven zu finden.
Zur Durchführung der Finite-Elemente-Simulation kam Ansys Composite PrePost zum Einsatz. Es wurden sowohl Schalenmodelle der gesamten CFK-Struktur als auch detaillierte Analysen mittels Volumenmodellen erstellt. Basierend auf einem von Krone neu entwickelten Lastkollektiv wurden Konstruktionsanpassungen sowie Optimierungen im Laminataufbau vorgenommen.
Hohen Belastungen auf die CFK-Rahmenstruktur
Neben der Gestaltung und Dimensionierung der Rahmenstruktur hat das IFW auch neue Ansätze für die faserverbundgerechte Einleitung von hohen Belastungen in die Rahmenstruktur von Nutzfahrzeugen erforscht. Mithilfe des hybriden Insertkonzepts, das optimal für das angedachte Vakuuminfusionsverfahren geeignet ist, können – zusammen mit klassischen Verbindungselementen wie Schrauben und Bolzen – erheblich höhere Lasten in die Faserverbundstrukturen eingeleitet werden, ohne dass die Vorspannkräfte vom Laminat getragen werden müssen.
Das Ergebnis des Entwicklungsprozesses ist ein Carbon-Chassis, dass eine Gewichtsreduktion von 50 % im Vergleich zum Stahlrahmen aufweist und dabei eine höhere Rahmensteifigkeit bietet.
Dynamische Strukturprüfung des Carbon-Chassis
Im nächsten Schritt wird ein Prototyp des Chassis bei M&D Composites Technology hergestellt. Dafür wird zunächst der Werkzeugbau durchgeführt, gefolgt von der Produktion der einzelnen Schalenbauteile des Monocoques. Anschließend wird dieser Prototyp bei Krone einer dynamischen Strukturprüfung unterzogen, bei der auf dem X-Poster das entwickelte Lastkollektiv abgefahren wird.
Das Hauptziel dieser Untersuchung besteht darin, sicherzustellen, dass sowohl das Chassis auf Basis von Kohlenstofffasern als auch die in stark beanspruchten Bereichen eingesetzten hybriden Inserts über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs keine Schädigung aufweisen.
Zur Erfassung der Belastungen und Verformungen des Chassis setzt das IFW ein Messkonzept um, dass sowohl Rayleigh- und DMS-Sensoren als auch optische 3D-Messungen einschließt.
Föderung
Das Projekt wird im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Wir danken dem BMWK für die Förderung des Projekts. (fr)
