Stets schwebend in der Waage 1

Kabinenfederungen steigern fühlbar den Fahrkomfort von mobilen Arbeitsmaschinen. Massey Ferguson beispielsweise entwickelte aktuell ein semi-aktives Federungssystem, das dank magnetostriktiver Positionssensoren von MTS die Kabine stets in optimaler Waagerechten hält.

Zur Sachlage: Um die Gesundheit von Bedienern mobiler Arbeitsmaschinen nicht zu gefährden, gelten laut EU-Richtlinie 2002/44/EC Ganzkörper-Schwingungen ab Beschleunigungen von 0,5 m/s2 innerhalb eines Zeitraumes von acht Stunden als überwachungsbedürftig, der Grenzwert von 1,15 m/s2 darf nicht überschritten werden.

Zur Einhaltung dieser Werte und um das Arbeiten im rauhen Gelände möglichst komfortabel zu gestalten, ist eine leistungsstarke Kabinenfederung bei Traktoren von großer Bedeutung. Sie mildert Stoßbelastungen, reduziert Schwingungen und erlaubt ermüdungsarmes Arbeiten. Denn ohne Federung der Kabine würden die mechanischen Bewegungen des Traktors bei plötzlichem Abbremsen, harter Beschleunigung oder Kurvenfahrt ungemildert auf den Menschen übertragen. Zudem verlängert eine entsprechende Dämpfung die Lebensdauer der Kabinenkomponenten.

Für hohen Fahrkomfort sorgt setzt Massey Ferguson nach eigenen Angaben mit seiner hydraulischen Kabinenfederung OptiRide und der neuen, dynamischen Kabinenfederung OptiRide Plus. Beide Federungssysteme wurden für die Vier-Pfosten-Kabine der Traktorenbaureihe MF 8600 entwickelt. Die passive Kabinenfederung OptiRide als Vierpunkt-Federungssystems verfügt an der Kabinenaußenkante über vier hydraulische Dämpfermodule mit Druckspeicher, welche die Kabine in der Waage halten. Dazu erfassen zwei diagonal gegenüberliegend an den Kabinenecken plazierte Sensoren kontinuierlich die Lage der Kabine zur Berechnung deren Neigungsgrades.

Neu dabei ist die Art der Sensorinstallation, denn zum ersten Mal bei einer Kabinenfederung sind die Sensoren direkt in die Hydraulikzylinder integriert.

Die Arbeitsweise der Sensorik
Aufsetzend auf der Sensorrückmeldung gibt die zentrale Steuereinheit ein Signal an den Druckspeicher des jeweiligen Dämpfermoduls, um den Hydraulikdruck zu verstellen und den Zylinderkolben ein- oder auszufahren. An der Kabinenrückseite steuert ein Torsionsstab zwischen den beiden hinteren Aufhängungspunkten die Bewegung. Derart wird die Kabine in Kurven, bei Steigungen oder auf unebenem Untergrund stabilisiert und wieder in die Waage gebracht. Zurückfedern, Wanken und Nicken der Kabine ist ausgeschlossen. Der Fahrer kann wesentlich konzentrierter und produktiver arbeiten und sein Leistungspotenzial bestmöglich nutzen.

Maximalen Komfort erreicht der Traktorfahrer mit dem optionalen, semi-aktiven Kabinenfederungssystem OptiRide Plus, einer Weiterentwicklung der OptiRide-Federungstechnik. Die auf dem Markt neue Technik der Kabinenfederung gewann auf der SIMA 2009 in Paris die Goldmedaille für Innovation. Als dynamisch arbeitendes Kabinenfederungssystem passt sich die Federung kontinuierlich den Fahrbedingungen an. Insbesondere bei wechselnden Fahruntergründen, etwa beim Wechsel von der Straße auf Feldwege und Anbauflächen, spielt sie ihre Vorteile aus.

Der Fahrer kann den gewünschten Dämpfungsgrad von der Kabine aus individuell einstellen und bei Bedarf das System auch deaktivieren. Aufgrund der unterschiedlichen Dämpfungseinstellungen arbeitet das Federungssystem auf der Straße ebenso effektiv wie auf dem Feld.

Wie die passive Federung arbeitet das OptiRide-Plus-System mit vier hydraulischen Dämpfermodulen an jeder Ecke der Kabine. Abweichend zur passiven Technik sind jedoch alle vier Hydraulikzylinder mit Sensoren ausgestattet, welche die Neigung der Kabine korrigieren. Dazu erfasst die zentrale Steuereinheit Funktionswerte, wie beispielsweise Fahrgeschwindigkeit, Beschleunigungsdaten, Bremskräfte oder Informationen zum Fahrtrichtungswechsel. Aus den Werten berechnet die Steuerung den Lage-Istwert der Kabine und dazu die optimalen Dämpfereinstellungen.

Sobald sich nun die Kabine aus der Waagerechten heraus bewegt, gibt die Steuerung ein Lage-Sollsignal an die einzelnen Dämpfer. Überwacht von den integrierten Positionssensoren fährt sodann jeder Hydraulikzylinder die von der Steuerung vorgegebene Kolbenposition verzögerungsfrei an und gleicht den Neigungsunterschied aus.

Ergebnis: sehr ruhiges Fahrverhalten und der Komfort steigt im Vergleich zu passiven Federungssystemen um bis zu 25 Prozent. Bei den Sensoren in den Dämpfermodulen handelt es sich um lineare Positionssensoren der Marke Temposonics von MTS Sensor Technologie aus Lüdenscheid.

Die Einheiten in Stabform sind in Mechanik und Elektronik modular aufgebaut. Im Sensorkopf befindet sich die komplette Sensorelektronik zur direkten Signalauswertung. Je nach Sensortyp kommunizieren sie die Signale analog oder über CANbus (CANopen, J1939).

Ein Sensorstab schützt das Messelement, einen dünnen ferromagnetischen Draht, der das Nutzsignal liefert. Bei der Zylinderintegration tauchen Kopf und Sensorstab in die aufgebohrte Kolbenstange, sie lassen sich dank der kompakten Abmessungen auch für kleinste Zylinder verwenden.

Wie sämtliche Positionssensoren von MTS arbeiten auch die hier verwendeten  Temposonics-Einheiten nach dem magnetostriktiven Mess-prinzip, die Wegmessung erfolgt berührungslos und verschleißfrei über magneto-mechanische Effekte. Eine Wartung der Sensoren ist daher nicht notwendig. Dank dieser Messtechnik sowie geschützten Einbau in die Hydraulikzylinder arbeiten die Sensoren auch in extrem rauher Umgebung zuverlässig und genau.

Es entsteht keinerlei Beeinflussung des Mess-Signals durch Umwelteinflüsse wie Staub, Wasser, Steinschlag und wechselnde Temperaturbereiche. Mechanische Beschädigungen, wie an externen Mess-Systemen möglich, sind nahezu ausgeschlossen. Dank guter elektromagnetischer Verträglichkeit und hoher Vibrations- und Schockfestigkeit lässt sich die Kabinenfederung sicher und präzise regeln. Ein Nachkalibrieren oder Anfahren von Referenzmarken ist bei diesem absoluten Messverfahren nicht erforderlich. Selbst Veränderungen des Hydrauliköls während des Betriebes haben auf die Messung keinerlei Einfluss.

Technik im Detail
So arbeitet der Sensor
Zur Positionsbestimmung wird aus der Sensorelektronik ein Stromimpuls durch das Mess-element geschickt. Ein ring- oder u-förmiger Positionsmagnet, der auf dem Kolbenboden des Zylinders montiert ist, gleitet berührungslos über den Sensorstab. Er markiert die Position der Kolbenstange. Trifft der Stromimpuls im Bereich des Magneten ein, entsteht dort eine partielle Verdrehung des Messelements, die eine Torsionswelle auslöst. Die Welle läuft mit Schallgeschwindigkeit zu den Enden des Mess-elements und wird dort von einem speziellen Signalumformer in normierte ana-loge oder digitale Ausgangsgrößen umgewandelt. Die genaue Ortsbestimmung ergibt sich durch eine Laufzeitmessung, bei der die Magnetposition aus der Zeit zwischen dem Start des Strom-impulses und dem Eintreffen des elektrischen Antwortsignals bestimmt wird