Traktorinrenkaiden testaus suorituskyvyn, tehokkuuden, turvallisuuden ja ajomukavuuden parantamiseksi

Maatalouskoneiden renkaiden kehittäminen on monimutkainen haaste. Tuotteen on toimittava monenlaisissa käyttöolosuhteissa ja tarjottava monipuolista suorituskykyä, kuten tehokkuutta, polttoainetaloudellisuutta, turvallisuutta ja mukavuutta, niin maantiellä kuin pellolla. Provana Groupin piti mitata renkaan vierintäkehä sekä etuakselin ja taka-akselin välinen suhteellinen luistosuhde. LEANE toimitti ratkaisun, joka perustui Dewesoftin tiedonkeruujärjestelmään.

Provana Group on johtava italialainen maatalouskoneiden renkaiden jälleenmyyjä. Yrityksellä on pitkä kokemus, suora palauteyhteys käyttäjiin ja vakiintuneet suhteet suurimpiin OEM-valmistajiin. Viime vuosina Provana on ottanut askeleen eteenpäin laadun kehittämisessä ja investoinut rengastestaukseen tarjotakseen entistä parempaa palvelua asiakkailleen ja OEM-kumppaneilleen.

Asiakkaan haaste

Markkinoiden tarve testata maatalousrenkaita on kasvanut viime vuosina. Tällä alalla hyvien ja objektiivisten testitulosten saaminen on kuitenkin vielä vaikeampaa kuin esimerkiksi henkilöautojen renkaiden kohdalla. Vain harvoilla asiantuntijoilla, lähinnä OEM-rengasteollisuudesta, on osaamista testisuunnitelman hallintaan ja sellaisten objektiivisten testimenetelmien määrittelyyn, joilla renkaan käyttäytyminen voidaan karakterisoida asianmukaisesti.

Tämä tapaus alkoi muutama vuosi sitten, kun autoimme Provana Groupin Innovation-testikeskuksen väkeä mittaamaan renkaan vierintäkehän sekä etuakselin ja taka-akselin välisen suhteellisen luistosuhteen. Nämä tiedot ovat ratkaisevan tärkeitä, kun traktoriin valitaan oikeaa rengasyhdistelmää.

Kaikille ei ole itsestään selvää, että pellolla eteenpäin ajettaessa etupyörien renkailta vaaditaan tietty luistoaste takarenkaisiin verrattuna, jotta saavutetaan optimaalinen suorituskyky. Selvempää on, että renkaiden luisto riippuu renkaiden kehien pituuksista traktorissa, jonka etu- ja takavedon mekaaninen välityssuhde on kiinteä. Tästä syntyy tarve mitata tarkasti todellisissa olosuhteissa, eli renkaat traktoriin asennettuina.

Mittausjärjestelmä

Lähtökohtanamme oli järjestelmä vierintäkehän ja etu-takavälityssuhteen mittaamiseen:

• Yksi SUCHY XPro Nano 25 -GPS-anturi/vastaanotin nopeuden ja matkan mittaamiseen

• Pari PEISELER -pyöräenkooderia pyörien nopeuden mittaamiseen

• Yksi DEWESOFT DEWE43A – monipuolinen, kämmenen kokoinen 8-kanavainen USB-tiedonkeruujärjestelmä, jonka hinta-laatusuhde on tällaiseen sovellukseen erinomainen.

Lisäämällä hieman asiantuntemusta ja laatimalla Dewesoft-asetukset, joihin sisältyi automatiikkaa, tarjosimme Provanan ystävillemme yksinkertaisen mutta erittäin tehokkaan työkalun heidän päivittäisen työnsä nopeuttamiseen.

Suurten traktoreiden tyypillisiä tehtäviä ovat

• peltotyöt, joihin yleensä liittyy työkoneen vetäminen

• maantiekuljetukset, joissa vedetään suuria ja raskaita perävaunuja yli 50 km/h nopeuksilla ja koko yhdistelmän kokonaismassa ylittää 40 tonnia

Tällaisissa tilanteissa polttoainetehokkuus ja liikenneturvallisuus ovat jokaisen asiakkaan keskeisiä vaatimuksia. Vuonna 2022 Leane tuki Provanaa kenttätyössä ja suoritti testejä yhdessä joidenkin johtavien rengas-OEM-valmistajien kanssa tai niiden puolesta. Testijaksoja tehtiin muutamia, ja niissä verrattiin:

• erilaisia perävaunun rengassarjoja – maantiekuljetuksen tehokkuuden, turvallisuuden ja ajomukavuuden osalta.

• erilaisia traktorin rengassarjoja – suorituskyvyn ja tehokkuuden osalta pellolla.

Jotta saataisiin kokonaiskuva vetosuorituskyvystä, polttoaineenkulutuksesta ja ajodynamiikasta, laajennettuun mittausjärjestelmään kuului:

• AIC-virtausmittari polttoaineenkulutuksen mittaamiseen

• voima-anturi vetovoiman mittaamiseen

• pari PEISELER-enkooderia pyörien nopeuden mittaamiseen

• termopari (DSI-TH-adapterin kautta) vaihteistoöljyn lämpötilan valvontaan

• Suchy Data System GPS+IMU (CAN-väylän kautta) traktorin nopeuden ja liikesuureiden mittaamiseen

Lisäksi perävaunun ajodynamiikan objektiivista analysointia varten:

• kiihtyvyysanturit (z-akseli) perävaunun akselilla

• Yksi Genesys GNSS IMU -anturi, ADMA Speed (Ethernetin kautta) perävaunun liikesuureiden ja sivuluistokulman mittaamiseen

DEWE-43 osoittautui hyväksi valinnaksi. Se mahtuu helposti traktorin ohjaamoon, ja sen kattava valikoima analogia- ja laskurikanavia sekä kaksi CAN-porttia sopii tähän sovellukseen täydellisesti.

Mittaukset

Näin suurissa koneissa anturien ja DAQ-järjestelmän asennus sekä mittausasetusten valmistelu on jo sinänsä haaste:

• Anturien asennus on usein hankalaa kaikissa ajoneuvotyypeissä, mutta traktoreiden ja niiden työkoneiden koko ja massa tuovat mukanaan lisäongelmia.

• (Pitkien) kaapelien turvallinen reititys perävaunun ja työkoneen antureilta DAQ-järjestelmään.

• Traktorin ohjaamossa on vähän tilaa mittauslaitteille.

• Laitteiden on toimittava vaativassa ympäristössä.

Jotta sivuttaisvoimat eivät vaikuttaisi vetovoima-anturiin, käytimme erityisesti suunniteltua kehtoa, johon voima-anturi ja vetotappi sijoitettiin. Pelkästään tämä varuste painaa kymmeniä kiloja, ja kahden henkilön on käsiteltävä sitä varoen asennuksen aikana.

Lisäksi perävaunun tai traktorin renkaiden vaihtaminen ei ole muutaman minuutin homma. Myöskään rengaspaineen tasaantuminen ja hienosäätö eivät ole yhtä nopeita ja helppoja kuin henkilöautoissa.

Valitsimme pienen lentokentän traktori-perävaunuyhdistelmän ajodynamiikan, mukavuuden ja polttoaineenkulutuksen testauspaikaksi. Määritimme Dewesoftin virtuaalisen Polygon-lisäosan avulla joitakin referenssipisteitä. Niistä muodostuu virtuaalisia aloitus- ja lopetusportteja, jotka rajaavat mittausalueet rullauskokeita, kulutus-, mukavuus- ja ajettavuustestejä varten.

Näiden porttien ansiosta sama testi tehtiin aina samalla radan osalla. Tämä parantaa toistettavuutta, mikä on olennaista, kun tutkitaan pieniä eroja eri renkaiden tai ajoneuvokokoonpanojen välillä. Kokonaispolttoaineenkulutukseen vaikuttavat monet ulkoiset tekijät, jotka tekevät renkaan vaikutuksen objektiivisesta arvioinnista äärimmäisen vaikeaa. Kehitimme testiprotokollamme näiden tekijöiden huomioimiseksi ja kiinnitimme huomiota seuraaviin asioihin:

• ajoneuvon lämmittely: moottori ja voimansiirto, renkaat

• renkaiden lämpötilan tarkistus ja rengaspaineen hienosäätö

• ympäristöolosuhteiden valvonta (ilman lämpötila, tienpinnan lämpötila jne.)

• testien toistaminen erilaisissa ympäristöolosuhteissa

Seuraavat anonymisoidut esimerkkitulokset osoittavat rengassarjan selvän vaikutuksen vetovoiman arvoihin. Esimerkiksi perävaunun kokonaisvastusvoima mitattiin eri nopeuksilla, ja nopeuden muutoksen vaikutus oli vähäinen.

Koko yhdistelmän kokonaispolttoaineenkulutusta tarkasteltaessa havaitsimme, että renkaan vaikutus (vierintävastus) on suhteellisen pieni verrattuna nopeuden muutoksen vaikutukseen. Jo muutaman prosentin ero polttoaineenkulutuksessa voi kuitenkin olla merkittävä koneiden käyttökustannusten kannalta.

Ajodynamiikan osalta pystyimme suorittamaan sekä subjektiivisia että objektiivisia testejä 30 metriä leveällä suoralla. Tämä antoi johdonmukaisuutta eri rengasvaihtoehtojen arviointiin sekä tavallisissa että korkean dynamiikan / hätätilanteen ajo-olosuhteissa.

Testaus- ja arviointiprosessimme oli vasta alkuvaiheessa. Löysimme kuitenkin joitakin korrelaatioita subjektiivisen arviointimme ja sivuluistokulmaan liittyvien olennaisten objektiivisten mittareiden välillä. Niiden avulla saimme testatuista rengasvaihtoehdoista mielekkään paremmuusjärjestyksen myös ajodynamiikan näkökulmasta.

Kun testaus siirtyy maantieltä pellolle, painopiste on ehdottomasti traktorin renkaassa. Anturiasetukset eivät juurikaan muutu edelliseen sovellukseen verrattuna, paitsi että perävaunun antureilta – kiihtyvyysantureilta ja ADMA:lta – ei ole kanavia. Vetovoiman mittaamiseen käytimme toista voima-anturia, joka oli asennettu tarkoitusta varten rakennettuun vetotankoon. Tässäkin tapauksessa kiinnitin on suunniteltu erityisesti kohdistamaan voima-anturiin puhdas aksiaalinen voima.

Testattavilla renkailla varustettu traktori vetää toista traktoria, joka toimii vastuskuormana. Molempien traktorien nopeutta säädetään niin, että vedettävän traktorin jarrutusvaikutus kasvaa vähitellen, jolloin testattavien renkaiden luistosuhde kasvaa. Lopputuloksena on tyypillinen käyrä, joka kuvaa vetovoimaa renkaan luiston funktiona.

Periaatteessa helppo sanoa, mutta käytännössä ei niin helppo toteuttaa. Kuten aina, paholainen piilee yksityiskohdissa – hyvien tulosten saamiseksi on kiinnitettävä huomiota moniin asioihin.

Luistosuhteen tarkka laskeminen edellyttää pyörän nopeuden alustavaa kalibrointia ilman vetokuormaa ennen jokaisen rengassarjan testaamista. Tämä kalibrointi on helppo tehdä Dewesoft-ohjelmistolla käyttämällä matemaattisia kanavia ja perustilastoja, joilla pyöräenkooderien ja GPS:n tiedot keskiarvoistetaan ennalta määritetyltä matkalta.

Kalibrointikerroin lasketaan reaaliaikaisesti keskiarvoistusikkunan lopussa, ja sen arvo asetetaan käyttäjän syötekanavaan. Menettely tarjoaa yksinkertaisen tavan säätää enkooderien antamaa pyörän nopeutta poistumatta mittaustilasta – mittaustilan ja asetustilan välillä ei tarvitse vaihdella edestakaisin.

Kalibroinnin jälkeen traktori siirtyy etukäteen valmistellulle pellolle. Muokkaamalla maan pintakerrosta muutaman senttimetrin syvyydeltä saatiin melko pehmeä ja mahdollisimman tasainen testipinta. Lisäksi on mitattava joitakin maaperän ominaisparametreja: maaperän koostumuksen ja rakenteen lisäksi kosteustaso on ratkaiseva parametri vertailukelpoisten tulosten saamiseksi.

Testin aikana mittaamme ja keskiarvoistamme nopeudet, voiman, luistosuhteen ja polttoaineenkulutuksen ennalta määritetyltä matkalta, jotta peltotyölle tyypilliset vaihtelut ”suodattuvat” pois. Jokaisen jakson jälkeen kasvatamme vetovoimaa hidastamalla vedettävää traktoria yhä enemmän.

Näin ajamalla katetaan haluttu vetovoiman ja luistosuhteen alue, joka luonnollisesti riippuu traktorin kuormasta ja maaperän ominaisuuksista. Kaikki ei ole mahdollista. OEM-testiasiantuntijan kokemus osoittautui välttämättömäksi, kun etsittiin yhdistelmän parametreja, joilla saadaan katettua olennaiset käyttöolosuhteet: painojakauma, työnopeus, välityssuhde jne.

Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä: pelto ei ole loputon. Meidän piti kääntyä takaisin ja silti ajaa aina ”puhtaalla” maalla välttäen renkaiden kulkemista kahdesti samaa uraa pitkin.

Testimenettelymme oli helppo määrittää Dewesoft-ohjelmistossa käyttämällä matemaattisia kanavia ja perustilastoja, jotka liipaistiin paikallisten koordinaattien perusteella tai manuaalisella kytkimellä ja kuljetun matkan mukaan. Liukupalkki näyttää sijainnin suhteessa tavoiteltuun keskiarvoistusmatkaan. X-Y-kuvaaja mahdollistaa käynnissä olevan testin vetokäyrän reaaliaikaisen visuaalisen tarkistuksen ja seurannan.

Täydensimme Dewesoftin mittaus- ja analyysiominaisuuksia kehittämällä Garage Lab -ympäristössämme erityisiä Python-skriptejä data-analyysin hallintaan, polynomisovitusten kokeiluun, objektiivisten mittareiden laskemiseen ja datan valmisteluun koostettua analyysia varten.

Garage Lab -ympäristön voi käynnistää manuaalisesti tai Dewesoft Sequencerista data-analyysitehtävän automatisoimiseksi, esimerkiksi viimeisimmän testitiedoston tai testitiedostojen erän käsittelemiseksi. Tämä tarjoaa yksinkertaisen ratkaisun testien automatisointiin ja analysointiin.

Yhteenveto

Päivän päätteeksi Provanan tiimi oli varsin tyytyväinen tuloksiinsa ja hieman ylpeä tehdystä työstä. Myös me Leanella olimme iloisia – ylpeitä siitä, että saimme olla mukana heidän menestyksessään.

Kuten aina, tekemällä oppi paljon:

• miten logistiikka hoidetaan,

• miten testit suoritetaan,

• millaiset anturiasetukset sopivat,

• miten anturit asennetaan,

• miten tiedonkeruu hoidetaan traktorin kuljettajalle mahdollisimman helpolla tavalla,

• miten testidata käsitellään jne.

Selvitettyämme nämä haasteet tiedämme, missä voimme vielä parantaa. Opittavaa on yhä paljon, mutta tiedämme, että meillä on vankka pohja tuleville testikampanjoille, ja luottamuksemme laitteisiimme ja menetelmiimme on kasvanut.