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Die Erfindung betrifft ein Verteilergestänge für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug gemäß Anspruch 17, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Verteilergestänges gemäß Anspruch 18.
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Derartige Verteilergestänge werden zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut verwendet. Um das Material großflächig und effizient auf dem zu bearbeitenden Feldboden auszubringen, weisen Verteilergestänge eine Arbeitsbreite von bis zu 40 m und mehrere Sprühdüsen auf, welche das Material auf den zu bearbeitenden Boden sprühen. Für eine effiziente Ausbringung des Materials soll der Abstand zwischen dem Verteilergestänge und dem Boden über die gesamte Arbeitsbreite möglichst konstant bleiben. Das bedeutet, dass das Verteilergestänge möglichst parallel zum zu bearbeitenden Boden gehalten wird.
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Eine derartige Arbeitsbreite macht jedoch das Verteilergestänge schwingungsanfällig. Es können sowohl Schwingungen in horizontaler, als auch in vertikaler Richtung auftreten. Schwingungen werden typischerweise durch Beschleunigungen des Verteilergestänges ausgelöst, welche beispielhaft durch das Anfahren oder Abbremsen des Nutzfahrzeuges, das Überfahren von Unebenheiten der zu bearbeitenden Bodenstruktur, wie Spurrillen oder Furchen, oder Kurvenfahrten entstehen. Derartige Schwingungen versursachen eine unerwünschte, ungleichmäßige Verteilung des auszubringenden Materials, sowie hohe auftretende Kräfte am Verteilergestänge. Im schlimmsten Fall kann das Verteilergestänge durch starke Schwingungen in Bodenkontakt kommen und beschädigt werden.
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Um unerwünschten Schwingungen des Verteilergestänges vorzubeugen, sind Vorrichtungen bekannt, welche die Bewegungen über Sensoren messen und mittels einer Regeleinheit und gekoppeltem Stellantrieb auszugleichen versuchen. Es wird beispielhaft auf die
DE 10 2013 214 469 A1 verwiesen. Dort ist ein Verteilergestänge für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug offenbart, wobei die Bewegungsart des Verteilergestänges über Sensoren ermittelt, und zur Reduzierung der Bewegungen mittels der Regeleinheit der Stellantriebe angesteuert wird. Die Sensoren können zur Geschwindigkeits- und zur Positionsüberwachung ausgebildet sein. Die Messsignale werden an die Regeleinheit übermittelt und ausgewertet. Der an die Regeleinheit gekoppelte Stellantrieb ist beispielhaft als hydraulischer oder pneumatischer Zylinder ausgebildet. Mittels des Stellantriebs wird die Bewegung des Verteilergestänges beeinflusst und es kann somit in seine Ruhelage zurückgeführt werden.
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Wenn die Sensoren allerdings willkürlich am Verteilergestänge positioniert sind, kann es vorkommen, dass bestimmte Eigenschwingungen des Gestänges nicht gemessen und dadurch auch nicht getilgt werden können. Da die Eigenschwingungen zu einer Resonanz führen, kann es zu unerwünschten Beschädigungen am Verteilergestänge kommen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verteilergestänge für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug anzugeben, wobei eine verbesserte Dämpfung und/oder Tilgung von Schwingungen ermöglicht wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Verteilergestänges anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verteilergestänge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Im Hinblick auf das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 17 gelöst. Ferner wird die Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 18 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Verteilergestänge für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut, mit wenigstens einem Sensor anzugeben, wobei das Verteilergestänge zu Schwingungen mit wenigstens einer Eigenform, umfassend wenigstens einen Schwingungsknoten, anregbar ist. Der wenigstens eine Sensor ist unter Berücksichtigung zumindest eines erwarteten Schwingungsknotens der Eigenform am Verteilergestänge positioniert.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die kontrollierte Positionierung des Sensors unter Berücksichtigung zumindest eines erwarteten Schwingungsknotens der Eigenform des Verteilergestänges gewährleistet ist, dass beispielhaft über die Messung der Auslenkung des Verteilergestänges eine auftretende Eigenschwingung zu jeder Zeit sowohl erfasst, als auch folgend getilgt werden kann. Die Eigenform beschreibt hierbei jene geometrische Form, mit der das Verteilergestänge nach erfolgter Anregung während einer Eigenschwingung schwingt und die es bei der größten Auslenkung annimmt. Die Schwingung pendelt dabei zwischen zwei gegensätzlichen Auslenkungszuständen. Die Eigenform repräsentiert demnach, wo sich die Schwingung maximal, also in den Schwingungsbäuchen, oder minimal, also in den Schwingungsknoten, auswirkt. Die Eigenform erhält ihre Struktur und Form abhängig vom schwingungsfähigen System und wird auch als Schwingungsmode mit zugehöriger Eigenfrequenz bezeichnet. Das Verteilergestänge besitzt als schwingfähiges System generell mehrere Eigenformen, welche sich auch überlagern können. Die Tilgung und/oder Dämpfung von Eigenformen ist besonders relevant, da sie zu Resonanzen führen. Die Resonanz beschreibt jenen Fall, in dem das Verteilergestänge beispielsweise durch eine auftretende Beschleunigung mit einer Frequenz angeregt wird, welche mit einer Eigenfrequenz übereinstimmt. Das Verteilergestänge reagiert darauf mit besonders großen Schwingungsamplituden. Im Resonanzfall kann das Verteilergestänge um ein Vielfaches stärker schwingen als es aufgrund der erfolgten Anregung zu erwarten war.
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Somit lassen sich mit der Positionierung des Sensors unter Berücksichtigung der Eigenform effektiv schädliche Resonanzen am Verteilergestänge vorbeugen. Da die Eigenformen des Verteilergestänges generell bekannt oder bestimmbar sind, kann der Sensor gezielt je nach Lage des Schwingungsknotens der Eigenschwingung positioniert sein. Beispielhaft kann der Sensor auch in einem Schwingungsbauch einer Eigenschwingung positioniert sein. Wenn am Verteilergestänge die erwartete Auslenkung der Schwingungsamplitude des Schwingungsbauches auftritt und vom Sensor gemessen wird, kann somit das Auftreten der Eigenform am Verteilergestänge bestätigt werden und dementsprechend eine Dämpfung und/oder Tilgung eingeleitet werden. Zusätzlich hat die gezielte Positionierung des Sensors unter Berücksichtigung wenigstens eines Schwingungsknotens der Eigenformen den Vorteil, dass die Auslenkungen des Sensors kontrolliert werden können. So ist es hierzu zweckmäßig, den Sensor in der Nähe eines Schwingungsknotens mit minimaler Auslenkung zu positionieren, damit der Sensor selbst nicht durch die Schwingungsbewegungen in seiner Funktionsweise beschädigt wird und daher vor zu starken Auslenkungen geschützt ist.
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Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass durch eine geschickte und sorgfältige Sensorpositionierung unter Berücksichtigung der Eigenform des Verteilergestänges auf eine Filterung zur spezifischen Erfassung von Eigenformen verzichtet werden kann. Dies bietet wiederum den Vorteil, dass das Stellsignal einer Regeleinheit zur Tilgung und/oder Dämpfung von Schwingungen des Verteilergestänges basierend auf dem Messsignal des Sensors nicht zeitlich verzögert an den Stellantrieb übermittelt werden muss. Dadurch kann die Qualität einer Regelung des Verteilergestänges deutlich verbessert und beschleunigt werden. Zusätzlich kann effizient vermieden werden, dass es aufgrund einer Phasenverschiebung zu einer verlangsamten oder zeitverzögerten, und daher nicht optimalen Regelung des Verteilergestänges kommt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verteilergestänge mit einem Stellorgan gekoppelt, welches abhängig von den Messsignalen des wenigstens einen Sensors zur Tilgung und/oder Dämpfung von Schwingungen des Verteilergestänges mittels einer Regeleinheit ansteuerbar ist. Idealerweise bilden der Sensor, die Regeleinheit und das Stellorgan eine Einheit. Das bedeutet, dass eine direkte Verbindung zwischen dem Sensor, der Regeleinheit und dem Stellorgan besteht. Daher kann das von dem Sensor ermittelte Messsignal effizient an die Regeleinheit übermittelt werden. Basierend auf dem Messsignal kann die Regeleinheit ein elektronisches Stellsignal generieren, welches zur Ausgleichung der Bewegung des Verteilergestänges an das Stellorgan übermittelt wird. Das Stellorgan ist hierbei vorzugsweise an einem Rahmen angebracht, an welchem das Verteilergestänge befestigt ist und gehalten wird. Das Stellorgan kann auch direkt mit dem Verteilergestänge selbst verbunden sein. Vorteilhafterweise übt damit das Stellorgan basierend auf dem Stellsignal eine mechanische Kraftauswirkung auf das Verteilergestänge aus, wodurch eine sichere und präzise Verstellung des Verteilergestänges gewährleistet werden kann.
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Vorzugsweise ist das Stellorgan durch einen hydraulisch oder pneumatisch arbeitenden Zylinder, insbesondere Hydraulikzylinder, gebildet. Derartige Zylinder bilden kostengünstige und einfache Mittel zur Rückführung des Verteilergestänges in seine horizontale Ausgangslage und damit eine Beeinflussung seiner Bewegung in entgegengesetzter Richtung einer auftretenden Schwingung. Es sind generell verschiedene Arten von Stellorganen denkbar, wie beispielsweise elektrische, pneumatische, hydraulische oder kombinierte Stellmotoren, insbesondere Pneumatikzylinder oder Elektromotoren. Das Stellorgan ist hierbei vorteilhafterweise als Aktor ausgebildet, um die elektrischen Stellsignale der Regeleinheit in eine mechanische Bewegung umzuwandeln, welche die Lage des Verteilergestänges derart verändert, dass dieses möglichst in einer Ruhelage bleibt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Regelung des Stellorgans an einen Sollwert, insbesondere der Amplitude, welche der wenigstens einen Eigenform zuordenbar ist, anpassbar. Die Amplitude beschreibt allgemein die Auslenkung der Schwingung über den Ort des Verteilergestänges, im Vergleich zu seiner Ruhelage. Da das Verteilergestänge typischerweise eine konstante Ausbringrate des Saatguts, Düngemittels oder Pflanzenschutzmittels aufweist, ist die Veränderung der Auslenkung des Verteilergestänges maßgebend für eine inhomogene Verteilung des Materials. Es ist daher besonders vorteilhaft, der Auslenkung des Verteilergestänges entgegenzuwirken und, anders gesagt, die Schwingung in Abhängigkeit von der maximalen Amplitude zu regeln. Durch die Regelung kann fortwährend die über den Sensor gemessene Schwingungsbewegung des Verteilergestänges über den Unterschied, beziehungsweise die Regeldifferenz, zum gewünschten Sollwert angeglichen werden. Die Regeldifferenz wird dadurch, auch bei vorhandenen Störeinflüssen, wie beispielsweise das Überfahren von Bodenunebenheiten oder Kurvenfahrten, idealerweise auf ein Minimum reduziert.
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Dadurch kann gezielt gegen ein schädliches Aufschwingen, beziehungsweise eine Resonanz des Verteilergestänges entgegengewirkt werden.
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Weiter vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor durch einen Beschleunigungssensor zur Ermittlung der Beschleunigung und/oder Verzögerung und/oder konstanten Geschwindigkeit des Verteilergestänges gebildet. Der Beschleunigungssensor ermittelt idealerweise kurzfristige dynamische Einflüsse und Kräfte auf das Verteilergestänge. Beispielhaft kann der Beschleunigungssensor derart ausgebildet sein, dass translatorische Beschleunigungen und/oder rotatorische Beschleunigungen ermittelt werden. Somit können auftretende Geschwindigkeitsänderungen am Verteilergestänge, welche durch das Anfahren oder Abbremsen des landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges, Kurvenfahrten, oder Überfahrten von Unebenheiten in der Bodenstruktur auftreten, erfasst werden.
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Die Ausbildung des Sensors als Beschleunigungssensor hat den Vorteil, dass die gemessene Beschleunigung im einfachsten Fall in Relation zu der angeregten Frequenz und Schwingungsamplitude des Verteilergestänges gebracht werden kann, da die Beschleunigung die zweimalige zeitliche Ableitung der Auslenkung des Verteilergestänges darstellt. Der Beschleunigungssensor gewährleistet demnach eine große Regelgüte und somit eine verbesserte und effizientere Führung des Verteilergestänges.
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Generell ist auch der Einsatz und/oder die Kombination mit anderen Sensoren, wie Neigungssensoren zur Messung von vertikalen Schwingungen, Winkelsensoren, Drehratensensoren oder allgemein weiteren möglichen Sensoren zur Erfassung von Schwingungen des Verteilergestänges denkbar. Zweckmäßigerweise werden hierzu mehrere Sensoren unterschiedlich am Verteilergestänge positioniert. Grundsätzliche Gesichtspunkte für die Sensorauswahl betreffen hierbei die dynamische Messgenauigkeit, eine geringe Trägheit des Sensors innerhalb des Regelkreises, und vorzugsweise Messstabilität hinsichtlich Umweltbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Vibration des Verteilergestänges und Feuchtigkeit.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine Eigenform des Verteilergestänges auf der Basis einer experimentellen Bestimmung, insbesondere mittels eines Frequenzsweep, und/oder einer theoretischen Prognose, insbesondere durch eine Finite-Element Methode erfasst. Die möglich auftretenden Eigenformen des Verteilergestänges können daher präzise ermittelt werden.
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Im Falle einer theoretischen Ermittlung der Eigenformen erfolgt deren Berechnung analytisch. Im Speziellen wird das Verteilergestänge als kontinuierlicher Schwinger dargestellt, dessen Eigenschaften durch das gekoppelte Differentialgleichungssystem Mẍ + Dẋ + Kx = F beschrieben werden können. Die Massenmatrix M und die Steifigkeitsmatrix K bilden dabei die mechanischen Eigenschaften ab, die Dämpfungsmatrix D berücksichtigt die Dämpfung innerhalb der Struktur. In der Praxis ist eine exakte Lösung des Differentialgleichungssystems oft nicht mehr möglich. Deshalb werden typischerweise numerische Lösungsverfahren eingesetzt. Diese können computergestützt mittels einer Finite-Element Methode (FEM) durchgeführt werden. Zur Aufstellung der Matrizen muss das Verteilergestänge diskretisiert werden, also in eine ausreichend große Anzahl von Elementen unterteilt werden. Diese Elemente sind endlich klein, also finit. Die verschiedenen Größen zur Beschreibung der Matrizen sind einerseits materialabhängig oder können über ein virtuelles Modell, ein sogenanntes computer-aided design (CAD) Modell, bestimmt werden.
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Für die Massenmatrix müssen für jeden diskreten Abschnitt, oder anders gesagt für jedes Element, die Masse, die Länge und die Massenträgheit bekannt sein. Die Masse leitet sich aus dem Volumen und der Dichte des Materials ab. Hier können auch die Massen von Anbauteilen, wie beispielsweise die Beleuchtung des Verteilergestänges, berücksichtigt werden. Für jeden Abschnitt kann eine eigene Massenmatrix aufgestellt werden. Die einzelnen Abschnitte bilden zusammen die Gesamtmassenmatrix des Gestänges.
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Der gleiche Ansatz wird auch bei der Erstellung der Steifigkeitsmatrix angewendet. Bekannte Größen bilden hierbei die Querschnittsfläche, die Flächenträgheitsmomente, der Elastizitätsmodul (E-Modul), der Schubmodul (G-Modul) und die Länge des Abschnitts, beziehungsweise Elements. Auch hier werden für jeden Abschnitt einzelne Matrizen aufgestellt, die zu der Gesamtsteifigkeitsmatrix des Gestänges zusammengesetzt werden.
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Wenn die Steifigkeits- und Massenmatrix aufgestellt sind, kann das allgemeine Eigenwertproblem [K – ωi 2M]ui = 0 i = 1...n gelöst werden. Daraus lässt sich die Modalmatrix U aufstellen, die aus den Eigenvektoren ui als Spalten der Matrix gebildet wird, sowie die Eigenwertmatrix ω mit den Eigenwerten ωi auf der Hauptdiagonalen. Die Eigenvektoren stellen die Eigenform des Gestänges zu der jeweiligen i-ten Eigenfrequenz dar.
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Wenn die Eigenformen und damit auch die Schwingungsknoten und -bäuche bekannt sind, kann in Abhängigkeit davon die Sensorposition festgelegt werden.
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Der Vorteil der FEM liegt darin, dass die Eigenformen des Verteilergestänges aus virtuellen Modellen bestimmbar sind.
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Im Falle einer experimentellen Ermittlung der Eigenformen des Verteilergestänges kann dessen Anregung mittels eines Frequenzsweep erfolgen. Bei einem Frequenzsweep wird die Frequenz kontinuierlich von einer Start- bis zu einer Endfrequenz verändert. Die Anregungsamplitude kann dabei konstant oder variabel sein. Wenn sie variabel ist, wird der Ansatz der konstanten Energieeinleitung gewählt. Das bedeutet, dass bei zunehmender Frequenz die Amplitude reduziert wird. Bei einem Frequenzsweep ist vorteilhafterweise zu gewährleisten, dass die Frequenz mit einer derartigen Geschwindigkeit verändert wird, bei der das zu untersuchende System sich in seinen Eigenfrequenzen einschwingen kann. Es wird sowohl die Anregung, als auch die Schwingungsamplitude in Form von auftretenden Verschiebungen am Verteilergestänge gemessen. Die Messung der Verschiebungen kann hierbei berührungslos mit Hilfen von Lasersensoren oder über die feste Verbindung von Seilzugsensoren erfolgen. Aus dem Anregungssignal und den Verschiebungen lässt sich die Übertragungsfunktion bilden, die als Ergebnis die Eigenfrequenzen des Gestänges liefert. Mit einer Vielzahl von Sensoren, die gleichmäßig am gesamten Gestänge verteilt sind, lässt sich dann zusätzlich sehr genau die Schwingungsform, beziehungsweise die Eigenform des Verteilergestänges bestimmen. Durch eine experimentelle Bestimmung und/oder mittels einer theoretischen Prognose können auftretende Eigenformen, und damit Schwingungen des Verteilergestänges somit effizient erfasst und somit gedämpft und/oder getilgt werden.
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Vorzugsweise ist die Eigenform durch die Eigenform erster Ordnung gebildet. Die Eigenform erster Ordnung, oder anders gesagt die Schwingungsmode niedrigster Ordnung, weist im Vergleich zu den Eigenformen höherer Ordnung eine geringere Anzahl an Schwingungsknoten und -bäuchen auf. Die Positionierung des Sensors kann daher unter Berücksichtigung eines Schwingungsknotens der Eigenform erster Ordnung innerhalb eines Toleranzbereiches sehr genau erfolgen, da nicht wie bei Eigenformen höhere Ordnung weitere, benachbarte Schwingungsknoten berücksichtigt werden müssen. Die zugehörige Eigenfrequenz der Eigenform erster Ordnung liegt im Vergleich zu den Eigenfrequenzen höherer Ordnung in einem niedrigeren Frequenzbereich. Bei der Bearbeitung einer Bodenstruktur überwiegen erfahrungsgemäß niederfrequente Anregungen des Verteilergestänges. Aus diesem Grund wird in der Regel die niedrigste Eigenfrequenz, und damit die Eigenform niedriger Ordnung bevorzugt angeregt. Es ist daher von Vorteil den Sensor unter Berücksichtigung wenigstens eines Schwingungsknotens dieser Eigenform am Verteilergestänge zu positionieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der wenigstens eine Sensor in einem Schwingungsknoten einer Eigenform des Verteilergestänges positioniert. Befindet sich ein Sensor in einem Schwingungsknoten einer Eigenform, bewegt er sich nicht, und ein Signal einer auftretenden Schwingung des Verteilergestänges ist nicht messbar. Es kann daher von Vorteil sein, den Sensor in einem Schwingungsknoten zu positionieren, um eine spezifische Eigenschwingung nicht zu erfassen, oder anders gesagt, deren Signal aus der Messung zu eliminieren. Des Weiteren gewährleistet die Positionierung des Sensors in einem Schwingungsknoten den Schutz vor einer Beschädigung durch zu starke Bewegungen, beziehungsweise Erschütterungen des Sensors aufgrund der Schwingungsbewegungen des Verteilergestänges. Optional kann der Sensor hierzu auch in unmittelbarer Nähe des Schwingungsknotens positioniert sein. Des Weiteren können Störungen durch überlagerte Schwingungen beispielsweise in einer anderen Bewegungsrichtung, wie in Hochrichtung, Einfluss auf die Qualität der Schwingungstilgung und/oder Dämpfung haben. Hier könnte die Positionierung des Sensors im Schwingungsknoten dieser Schwingung von Vorteil sein, um die Störungen erst gar nicht zu erfassen.
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Vorteilhafterweise ist der Sensor beabstandet von einem Schwingungsknoten positioniert, wobei der Abstand einen Wert von mehr als 0% bis zu 75% der Strecke zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten, ausgehend von jenem Schwingungsknoten, welcher dem freien Ende des Verteilergestänges zugewandt ist, aufweist. Der Abstand des Sensors zu einem spezifischen Schwingungsknoten ist demnach so zu wählen, dass der Sensor nicht in einem nächstgelegenen benachbarten Schwingungsknoten positioniert ist, also der Abstand zum spezifischen Knoten mehr als 0% der Strecke, aber maximal 75% der Strecke zum nächstgelegenen Knoten aufweist. Mit anderen Worten ist der Sensor generell beabstandet zwischen zwei möglich auftretenden Schwingungsknoten am Verteilergestänge positioniert. Die beabstandete Positionierung hat den Vorteil, dass auftretende Schwingungen, welche zu Resonanzen führen, zu jeder Zeit gemessen werden können, beziehungsweise Eigenformen, welche gemessen werden sollen, auch generell erfasst werden können.
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Weiter vorzugsweise weist das Verteilergestänge mehrere Sensoren, insbesondere entlang beider Gestängeseiten jeweils zwei Sensoren, auf. Die Sensoren können entweder alle gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise können die Sensoren alle als Beschleunigungssensoren ausgebildet sein. Es ist ebenso denkbar, dass verschieden Arten von Sensoren miteinander kombiniert werden und am Verteilergestänge positioniert sind. Beispielsweise können zwei Beschleunigungssensoren mit zwei Drehratensensoren kombiniert werden. Die Wahl der Sensoren richtet sich hierbei nach der optimalen Erfassung der Schwingung des Verteilergestänges, bezogen auf horizontale und/oder vertikale Schwingungen. Die Sensoren sind idealerweise möglichst symmetrisch und unter Berücksichtigung wenigstens eines erwarteten Schwingungsknotens entlang des Verteilergestänges positioniert. Beispielhaft kann das Verteilergestänge auf beiden Gestängeseiten bezogen auf einen mittig gelegenen Rahmen, an dem das Verteilergestänge aufgehängt und befestigt ist, jeweils zwei Sensoren aufweisen. Die möglichst symmetrische Verteilung der Sensoren am Verteilergestänge gewährleistet eine effiziente Messung von auftretenden Schwingungen. Durch die Positionierung von mehreren Sensoren kann auch der Ausfall oder die Fehlmessung eines einzelnen Sensors kompensiert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die mehreren Sensoren unter Berücksichtigung von mehreren erwarteten Schwingungsknoten am Verteilergestänge positioniert. Dabei können die Sensoren in Abhängigkeit von einer einzigen Eigenform oder in Abhängigkeit von mehreren Eigenformen positioniert sein. Beispielsweise kann ein Sensor in einem erwarteten Knoten einer Eigenform niedriger Ordnung und die weiteren Sensoren beabstandet von dem Knoten positioniert sein. Weiterhin können die Sensoren in den erwarteten Knoten von einer Eigenform niedriger Ordnung und weiteren Knoten von Eigenformen höherer Ordnung positioniert sein. Generell ist es hierzu vorteilhaft, dass nicht alle Sensoren in den erwarteten Schwingungsknoten einer Eigenform positioniert sind, denn sonst kann fälschlicherweise keine Bewegung des Verteilergestänges gemessen werden, obwohl die Eigenschwingung tatsächlich am Verteilergestänge auftritt. Vorteilhafterweise richtet sich die geschickte und kontrollierte Positionierung der Sensoren in oder beabstandet von den erwarteten Schwingungsknoten optimal nach dem Auftreten der Eigenformen unterschiedlicher Ordnung.
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Vorzugsweise ist bei der Erfassung der Eigenformen des Verteilergestänges ein bestimmtes Amplitudenverhältnis eingestellt. Dies kann über eine geschickte Positionierung der Sensoren am Verteilergestänge realisiert werden. Beispielhaft kann ein Sensor, welcher am Verteilergestänge positioniert ist, bei einer Schwingung mit einer ersten Eigenform eine kleinere Auslenkung, und damit Amplitude, erfahren, als bei einer Schwingung einer zweiten Eigenform. Das Amplitudenverhältnis der beiden Eigenformen kann hierbei durch die Position des Sensors auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, ein kleines Amplitudenverhältnis einzustellen, damit der Sensor derart am Verteilergestänge positioniert ist, dass die Auslenkung in beiden Eigenformen minimal ist. Dadurch erfährt der Sensor generell eine kleine Auslenkung und kann daher vor Erschütterungen durch zu starke Schwingungen geschützt sein.
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Weiter vorzugsweise sind mehrere Eigenformen unabhängig voneinander analysierbar, wobei die einzelnen Amplituden der Eigenformen nach ihrer Ordnung gewichtet sind. Die Gewichtung nach der Ordnung der Eigenformen richtet sich zweckmäßigerweise nach den spezifischen Eigenschaften des Verteilergestänges oder der Art der Anregung einer Schwingung. Im Speziellen richtet sich die Gewichtung nach der auftretenden Schwingungsamplitude am Verteilergestänge, und damit nach der notwendigen Kraft, um das Verteilergestänge durch eine Schwingungstilgung zurück in die Ausgangslage oder Ruhelage zu versetzen. Die Gewichtung kann auch ein negatives Vorzeichen aufweisen. Die Gewichtung wird daher idealerweise so gewählt, dass die jeweilige Schwingung effizient getilgt und/oder gedämpft werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform liegt das Verhältnis von einem jeweiligen Gewichtungsfaktor des Absolutbetrages des Verhältnisses zweier Eigenformen zugehörigen Amplituden unterschiedlicher Ordnung im Bereich von 0.05 bis 20. Mittels der Gewichtung kann auch eine Überlagerung von verschiedenen Eigenformen am Verteilergestänge erfasst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Signale der Sensoren zur Eliminierung einer Schwingung miteinander verrechnet. Beispielsweise kann hierdurch eine spezifische Eigenschwingung durch die Positionierung von mehreren Sensoren in Abhängigkeit der Eigenschwingung aus dem Signal eliminiert werden. Veranschaulicht können zwei Sensoren derart am Verteilergestänge positioniert sein, dass ihre Auslenkungen, beziehungsweise Amplituden, innerhalb einer Eigenform die gleiche Größe, aber genau die entgegengesetzte Richtung aufweisen. Wenn dann die beiden Auslenkungen der Sensoren miteinander verrechnet, insbesondere addiert werden, kann hierdurch die Amplitude der Eigenschwingung komplett aus dem Signal herausgerechnet werden. Durch das Verrechnen und somit das Eliminieren einer Schwingung aus einem Signal kann man auf Filter zur spezifischen Erfassung von Eigenformen verzichten. Dies bietet den Vorteil, dass das Signal nicht zeitlich verzögert wird, was die Qualität der Regelung des Verteilergestänges erheblich verbessert. Andernfalls kann es durch eine Phasenverschiebung passieren, dass die Regelung zu spät oder zu langsam erfolgt und daher nicht optimal funktioniert.
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Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin ein Verteilergestänge für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut, mit wenigstens einem Sensor offenbart, wobei das Verteilergestänge zu Schwingungen mit wenigstens einer Eigenform, umfassend wenigstens einen Schwingungsknoten, anregbar ist und wobei bei der Erfassung der Eigenformen des Verteilergestänges ein bestimmtes Amplitudenverhältnis eingestellt ist. Der Sensor ist hierbei derart kontrolliert am Verteilergestänge positioniert, dass der Sensor beim Auftreten von zwei unterschiedlichen Eigenformen jeweils eine minimale Auslenkung erfährt. Das Verhältnis der Auslenkungen, oder Amplituden, kann hierbei auf einen bestimmten Wert eingestellt sein.
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Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut, mit einem Verteilergestänge nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen beansprucht. Vorteilhafterweise können am Verteilergestänge auftretende Schwingungen aufgrund von Kurvenfahrten oder dem Anfahren oder Abbremsen des landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges, mittels einer geschickten Positionierung von Sensoren effizient erfasst und daher auch optimal getilgt und/oder gedämpft werden.
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Weiterhin wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verteilergestänges offenbart. Mittels einer theoretischen Prognose, insbesondere einer Finite-Element Methode, und/oder einer experimentellen Bestimmung, insbesondere eines Frequenzsweep, wird wenigstens eine Eigenform, umfassend wenigstens einen Schwingungsknoten, des Verteilergestänges bestimmt. Daraufhin wird wenigstens ein Sensor unter Berücksichtigung zumindest eines erwarteten Schwingungsknotens der Eigenform am Verteilergestänge positioniert. Die theoretische, beziehungsweise experimentelle Bestimmung der Eigenformen des Verteilergestänges kann wie oben beschrieben erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass die Eigenformen des Verteilergestänges, und damit die erwarteten Schwingungsknoten bekannt sind. Daher lässt sich der eine oder die mehreren Sensoren kontrolliert und optimal am Verteilergestänge positionieren, sodass auftretende Eigenschwingungen, welche zu einer schädlichen Resonanz des Verteilergestänges führen, effizient erfasst und damit auch getilgt und/oder gedämpft werden können. Die Erfassung derartiger Schwingungen kann durch Berücksichtigung der Eigenformen zu jeder Zeit gewährleistet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Sensor in einem Schwingungsknoten einer Eigenform des Verteilergestänges positioniert.
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Hierdurch kann gewährleistet werden, eine bestimmte Schwingung des Verteilergestänges nicht zu messen. Des Weiteren gewährleistet die Positionierung des Sensors in einem Schwingungsknoten den Schutz vor äußeren Erschütterungen durch zu starke Schwingungsbewegungen des Verteilergestänges. Die Positionierung des Sensors im Schwingungsknoten einer bestimmten Eigenform kann insofern von Vorteil sein, um auftretende Störungen, wie beispielsweise zusätzliche Schwingungen einer anderen Bewegungsrichtung nicht zu erfassen.
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Weiter vorzugsweise wird der Sensor beabstandet von einem Schwingungsknoten positioniert, wobei der Abstand einen Wert von mehr als 0% bis zu 75% der Strecke zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten, ausgehend von jenem Schwingungsknoten, welcher dem freien Ende des Verteilergestänges zugewandt ist, aufweist. Der Abstand des Sensors zu einem spezifischen Schwingungsknoten ist daher so gewählt, dass der Sensor nicht in einem nächstgelegenen benachbarten Schwingungsknoten positioniert wird und generell beabstandet zwischen zwei möglich auftretenden Schwingungsknoten am Verteilergestänge angebracht wird. Die beabstandete Positionierung hat den Vorteil, dass auftretende Schwingungen, welche zu Resonanzen führen, zu jeder Zeit gemessen werden können, beziehungsweise Eigenformen, welche gemessen werden sollen, auch generell erfasst werden können.
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Vorteilhafterweise werden mehrere Sensoren unter Berücksichtigung von mehreren erwarteten Schwingungsknoten am Verteilergestänge positioniert. Dabei können die Sensoren in Abhängigkeit von einer einzigen Eigenform oder in Abhängigkeit von mehreren Eigenformen positioniert werden. Vorteilhafterweise richtet sich die geschickte und kontrollierte Positionierung der Sensoren in oder beabstandet von den erwarteten Schwingungsknoten nach dem Auftreten der Eigenformen unterschiedlicher Ordnung oder einer spezifischen Eliminierung einer bestimmten Schwingungsform.
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In einer weiteren Ausführungsform wird bei der Erfassung der Eigenformen des Verteilergestänges ein bestimmtes Amplitudenverhältnis eingestellt. Dies kann über eine sorgfältige Positionierung der Sensoren am Verteilergestänge realisiert werden. Beispielhaft wird ein Sensor derart am Verteilergestänge positioniert, dass der Sensor bei einer Schwingung mit einer ersten Eigenform eine kleinere Auslenkung erfährt, als bei einer Schwingung einer zweiten Eigenform. Das Amplitudenverhältnis der beiden Eigenformen kann hierbei minimal eingestellt werden, wodurch die Auslenkung in beiden Eigenformen einen kleinen Betrag aufweist. Dadurch erfährt der Sensor generell eine kleine Auslenkung und kann daher vor Erschütterungen durch zu starke Schwingungen geschützt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen
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1 ein halbseitig schematisch dargestelltes Verteilergestänge nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wobei zwei Sensoren unter Berücksichtigung von zwei unterschiedlichen Eigenformen positioniert sind;
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2 eine weitere halbseitige schematische Darstellung eines Verteilergestänges nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 1, wobei zwei Sensoren unter Berücksichtigung von einer Eigenform positioniert sind;
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3 einen zeitlichen Verlauf einer simulierten und gemessenen Auslenkung an einer Messstelle eines Verteilergestänges nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische Darstellung zweier unterschiedlicher Eigenformen eines Verteilergestänges nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ein halbseitig schematisch dargestelltes Verteilergestänge 10 nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel für ein halbseitig dargestelltes landwirtschaftliches Nutzfahrzeug 16 zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut. Das Verteilergestänge 10 ist an einer zentralen Aufhängung 12 befestigt. Die Position des unverformten Verteilergestänges G zeigt die Ausgangslage oder Ruhelage des Verteilergestänges 10. In der Figur ist nur die linke Gestängeseite des Verteilergestänges 10 dargestellt.
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Das Verteilergestänge 10 kann generell als schwingfähiges System betrachtet werden, welches zu Schwingungen mit zwei unterschiedlichen Eigenformen 15a, 15b, welche wenigstens einen Schwingungsknoten 13 umfassen, anregbar ist.
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Die beiden dargestellten Eigenformen 15a, 15b sind äquivalent zu den Schwingungsmoden eines einseitig eingespannten schwingfähigen Balkens. Die Eigenformen 15a und 15b stellen die Schwingungsmoden erster und zweiter Ordnung dar. Die Eigenformen 15a, 15b weisen jeweils einen Schwingungsknoten 13 auf. Im Schwingungsknoten 13 ist die Auslenkung des Verteilergestänges 10 gleich Null. Der Schwingungsknoten 13 befindet sich in der ersten Eigenform 15a zentral an der Aufhängung 12. Da die erste Eigenform 15a eine größere Wellenlänge als die zweite Eigenform 15b aufweist, sind innerhalb der Gestängebreite keine weiteren Schwingungsknoten 13 oder Schwingungsbäuche 14 vorhanden. Die Eigenform 15b weist zusätzlich einen Schwingungsbauch 14 auf, wo die Auslenkung maximal ist. Je höher die Ordnung der Eigenform umso mehr Schwingungsknoten 13 und Schwingungsbäuche 14 treten entlang der Gestängeseite des Verteilergestänges 10 auf.
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Das Verteilergestänge 10 weist zwei Sensoren 11 auf, welche unter Berücksichtigung von den erwarteten Schwingungsknoten 13 der Eigenformen 15a, 15b am Verteilergestänge 10 positioniert sind. Der erste Sensor befindet sich ungefähr im ersten Drittel der Länge des Verteilergestänges 10 ausgehend von der zentralen Aufhängung 12. Der zweite Sensor befindet sich beabstandet vom ersten Sensor im letzten Drittel des Verteilergestänges 10. Die Positionen 11a, 11b zeigen schematisch die Auslenkung des ersten Sensors, wenn das Verteilergestänge 10 in der ersten, beziehungsweise zweiten Eigenform 15a, 15b schwingt. Zur Veranschaulichung der Auslenkung wurde für die Amplitude der ersten Eigenform 15a für den ersten Sensor ein Wert von A1.1 = 1, und für die Amplitude der zweiten Eigenform 15b ein Wert von A1.2 = 5 gewählt. Diese Werte sind willkürlich gewählt und dienen der illustrativen Darstellung der unterschiedlich starken Auslenkung des ersten Sensors in zwei unterschiedlichen Eigenformen. Der zweite Sensor erfährt innerhalb der ersten Eigenform eine stärkere Auslenkung im Vergleich zum ersten Sensor. Die Auslenkung des zweiten Sensors, welcher sich in der ersten Eigenform 15a in der Position 11c befindet ist beispielhaft durch den Wert A2.1 = 4 beschrieben. In der zweiten Eigenform 15b befindet sich der zweite Sensor in der Position 11d. Seine Auslenkung ist hierbei A2.2 = –1, da er durch die Schwingung des Verteilergestänges 10 in der zweiten Eigenform 15b in die entgegengesetzte Richtung zum ersten Sensor ausgelenkt wird.
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Es ergibt sich demnach beispielhaft für den ersten Sensor ein Amplitudenverhältnis von A1.1/A1.2 = 0,2 und für den zweiten Sensor A2.1/A2.2 = –4. Das Amplitudenverhältnis ist demnach abhängig von der Wahl der Sensorposition, sowie den Eigenformen des Verteilergestänges 10. Durch eine geschickte Platzierung der beiden Sensoren 11 unter Berücksichtigung der Eigenformen des Verteilergestänges 10 kann demnach ein bestimmtes Amplitudenverhältnis eingestellt werden. Idealerweise können die Sensoren 11 in der Nähe der erwarteten Schwingungsknoten 13 positioniert sein, damit sie eine minimale Auslenkung bei einer auftretenden Schwingung des Verteilergestänges 10 erfahren, und vor zu starken Erschütterungen geschützt sind.
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Die Positionierung der Sensoren 11 unter der Berücksichtigung der Eigenformen 15a, 15b setzt hierbei voraus, dass die Eigenformen 15a, 15b bekannt sind. Die Eigenformen 15a, 15b lassen sich beispielsweise theoretisch, insbesondere mittels FEM, oder experimentell, insbesondere mittels eines Frequenzsweep, ermitteln.
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2 zeigt eine weitere halbseitige schematische Darstellung eines Verteilergestänges 10 nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 1, wobei zwei Sensoren 11 unter Berücksichtigung von einer Eigenform positioniert sind. Im Unterschied zu 1 ist an der Gestängeseite des Verteilergestänges 10 nur die zweite Eigenform 15b dargestellt. Wenn das Verteilergestänge 10 aus seiner unverformten Position G, beziehungsweise aus seiner Ruhelage zu einer Schwingung der zweiten Eigenform 15b angeregt wird, befinden sich der erste Sensor in der Position 11b und der zweite Sensor in der Position 11d. Hierbei sind die beiden Sensoren 11 unter Berücksichtigung der zweiten Eigenform 15b derart am Verteilergestänge 10 positioniert, dass ihre beispielhaften Auslenkungen A1.2 = 5 und A2.2 = –5 vom Betrag her gleich sind, aber in genau gegengesetzte Richtung verlaufen. Beispielhaft kann hier durch die kontrollierte Positionierung der beiden Sensoren 11 in Abhängigkeit von der zweiten Eigenform 15b die zweite Eigenschwingung des Verteilergestänges 10 durch eine Addition der beiden Sensorsignale herausgerechnet werden.
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Durch das Verrechnen und somit das Eliminieren einer bestimmten Eigenschwingung aus dem gemessenen Signal der beiden Sensoren 11 kann auf zusätzliche Filter innerhalb einer Regelung verzichtet werden. Dies bietet den Vorteil, dass das Stellsignal eines gekoppelten Stellorgans nicht zeitlich verzögert wird, was die Qualität der Regelung des Verteilergestänges 10 erheblich verbessert.
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3 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer simulierten und gemessenen Auslenkung an einer Messstelle eines Verteilergestänges 10 nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Die möglich auftretenden Schwingungsformen sind daher theoretisch mittels der Simulation als auch experimentell mittels der Messung bestimmt. Dabei zeigt die vertikale Achse die normierte Verschiebung, beziehungsweise die Auslenkung, an einer spezifischen Messstelle des Verteilergestänges 10. Der simulierte zeitliche Verlauf ist beispielhaft mittels einer FEM bestimmt. Dabei wird das oben beschriebene Differentialgleichungssystem durch ein numerisches Lösungsverfahren berechnet. Hierzu muss das Verteilergestänge diskretisiert werden, also in eine ausreichend große Anzahl von endlich kleinen Elementen unterteilt werden. Die verschiedenen Größen zur Beschreibung des Differentialgleichungssystems sind einerseits materialabhängig und/oder formabhängig und können über ein virtuelles CAD-Modell bestimmt werden.
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Es ergeben sich laut simuliertem Verlauf deutlich zwei Eigenformen, welche nahezu dieselbe Amplitude aufweisen. Der gemessene Verlauf wird beispielhaft durch einen Frequenzsweep mit konstanter Anregungsamplitude bestimmt. Hierbei wird die Frequenz kontinuierlich von einer Start- bis zu einer Endfrequenz verändert, wodurch sich das zu untersuchende System in seine Eigenfrequenzen einschwingen kann. Es wird sowohl die Anregung, als auch die Schwingungsamplitude in Form von auftretenden Verschiebungen am Verteilergestänge gemessen. Die Messung der Verschiebungen kann hierbei berührungslos mit Hilfen von Lasersensoren oder über die feste Verbindung von Seilzugsensoren erfolgen. Aus dem Anregungssignal und den Verschiebungen lässt sich die Übertragungsfunktion bilden, die als Ergebnis die Eigenfrequenzen und damit die Eigenformen des Gestänges liefert.
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Es ist deutlich zu erkennen, dass die Simulation mit der Messung gut übereinstimmt. Daher können am Verteilergestänge sowohl über die experimentelle als auch die theoretische Bestimmung zwei Eigenformen ermittelt werden. Unter Berücksichtigung dieser Eigenformen können dann die Sensoren 11 am Verteilergestänge 10 positioniert sein, wodurch einem schädlichen Aufschwingen des Verteilergestänges 10 effizient vorgebeugt werden kann.
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4 zeigt eine schematische Darstellung zweier unterschiedlicher Eigenformen eines Verteilergestänges 10 nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Auf der vertikalen Achse ist die Verschiebung, oder anders gesagt die maximale Auslenkung des Verteilergestänges 10 gegenüber der Länge der Gestängeseite abgetragen. Wenn die Verschiebung gleich Null ist, befindet sich das Verteilergestänge 10 in einer unverformten Position G, beziehungsweise in seiner Ruhelage. Beispielhaft sind die Eigenform erster Ordnung 15a und die Eigenform zweiter Ordnung 15b schematisch dargestellt. Die Eigenformen sind jeweils in ihren entgegengesetzten Maximalzuständen gezeigt. Die beiden dargestellten Eigenformen 15a, 15b sind äquivalent zu den Schwingungsmoden eines einseitig eingespannten schwingfähigen Balkens. Das Verteilergestänge 10 kann hierbei an einer zentralen Aufhängung 12 befestigt sein. Daher liegt der Schwingungsknoten 13 der ersten Eigenform 15a innerhalb der zentralen Aufhängung 12. Entlang der gesamten Länge der Gestängeseite weist die erste Eigenform 15a keinen weiteren Schwingungsknoten 13 oder Schwingungsbauch 14 auf. Die zweite Eigenform 15b hingegen weist sowohl einen Schwingungsknoten 13 als auch einen Schwingungsbauch 14 auf. Unter Berücksichtigung der Schwingungsknoten 13 der beiden Eigenformen kann wenigstens ein Sensor 11 derart geschickt am Verteilergestänge positioniert sein, dass beispielsweise ein bestimmtes Amplitudenverhältnis zwischen den beiden Eigenformen 15a, 15b eingestellt ist, oder die Auslenkung des Sensors 11 minimal ist.
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Generell ist die Positionierung eines oder mehrerer Sensoren unter Berücksichtigung wenigstens einer Eigenform zur Erfassung von schädlichen Schwingungen, welche zu einer Resonanz führen können, für Verteilergestänge und Feldspritzen jeglicher Art von Vorteil. Dies ist besonders vorteilhaft für die aktive Schwingungstilgung und/oder Dämpfung. Die Eigenformen des Verteilergestänges können generell theoretisch oder experimentell bestimmt werden und sind daher bekannt. Die Eigenformen lassen sich hierbei für jegliche Gestängebreite, oder zusätzlich angebrachtes Feldspritzenmaterial, wie beispielsweise die Beleuchtung des Gestänges, die Spritzmittelflüssigkeit oder auszubringendes Material bestimmen. Daher kann durch eine kontrollierte und gewählte Positionierung der Sensoren einer Beschädigung des Verteilergestänges effektiv vorgebeugt werden und eine homogene Materialausbringung gewährleistet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verteilergestänge
- 11
- Sensor
- 11a
- Sensorposition des ersten Sensor in erster Eigenform
- 11b
- Sensorposition des ersten Sensor in zweiter Eigenform
- 11c
- Sensorposition des zweiten Sensor erster Eigenform
- 11d
- Sensorposition des zweiten Sensor zweiter Eigenform
- 12
- Aufhängung
- 13
- Schwingungsknoten
- 14
- Schwingungsbauch
- 15a
- erste Eigenform
- 15b
- zweite Eigenform
- 16
- Nutzfahrzeug
- G
- unverformte Position des Verteilergestänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013214469 A1 [0004]