Konstruktion und dynamische Analyse des Profilierungsmechanismus für aufgehängte Mäh- und Niederlegemaschinen in hügeligen und bergigen Gebieten

Warum das Mähen steiler Felder schwieriger ist, als es scheint

Für Landwirte, die in hügeligen Regionen Rinder und Schafe halten, ist Luzerne eine Lebensader: diese robuste Pflanze ernährt das Vieh durch lange, trockene Perioden. Dennoch ist das saubere Schneiden und Niederlegen von Luzerne auf steilem, unebenem Gelände überraschend schwierig. Konventionelle Mähmaschinen sind für flachere Flächen ausgelegt. Auf rauen Hängen können sie in den Boden einsinken, ungleichmäßige Halme in verschiedenen Höhen hinterlassen und sogar die teure Ausrüstung selbst beschädigen. Diese Studie beschreibt eine neue Mäh- und Niederlegemaschine, die automatisch den Auf- und Abwärtsbewegungen von Bergfeldern folgt, die Messer in einer konstanten Höhe hält und dabei sowohl die Pflanzen als auch den Boden schont.

Landwirtschaft an Hängen und in brüchigem Gelände

Hügelige und bergige Gebiete in China sind zentral für die Grasland- und Viehwirtschaft des Landes, aber ihre Felder gleichen selten den sauberen Rechtecken der Talbauernhöfe. Die Hänge können 20 bis 35 Grad erreichen, die Bodenoberfläche steigt und fällt über kurze Distanzen um 20 bis 30 Zentimeter, und Schlaglöcher oder kleine Erdwälle von etwa 5 Zentimetern sind häufig. Bestehende Mäh- und Niederlegemaschinen, die hauptsächlich für flache Ebenen konzipiert wurden, tun sich in dieser Umgebung schwer: sie reagieren zu steif auf Unebenheiten, drücken die Messer in den Boden oder schweben so hoch, dass hohe, ungleichmäßige Stoppeln zurückbleiben. Das verschwendet wertvolles Futter und kann das Nachwachsen der Luzerne schwächen. Landwirte benötigen daher Geräte, die kleiner, wendiger sind und das Gelände „profilieren“ können — also automatisch seiner Form folgen und gleichzeitig eine sichere, gleichmäßige Schnitthöhe halten.

Ein neues, federbasiertes Gleichgewicht

Die Forscher entwickelten eine aufgehängte Mäh- und Niederlegemaschine, deren Schneidtisch hinter einem Traktor hängt und von einem sorgfältig angeordneten System aus Federn und Gelenken gehalten wird. Zwei Hauptelemente teilen sich die Aufgabe. Eine Profilvorrichtung lässt den Schneidtisch leicht rotieren, sodass er sich mit dem Hang neigen kann, während ein Federaufhängungsmechanismus hauptsächlich vertikal arbeitet, um Stöße in der Höhe zu dämpfen. Beide verwenden starke Zugfedern, die in Größe und Position so bemessen sind, dass ein Teil des Tischgewichts von den Federn getragen wird und nur ein kontrollierter Anteil auf den Boden drückt. Anstatt auf Hydraulik zu setzen, wie frühere Entwürfe, zielt dieser rein mechanische Ansatz darauf ab, die nach unten wirkende Kraft auf den Boden — den sogenannten Bodendruck — unter etwa 2.000 Newton zu halten, während die Messer nah genug gehalten werden, um effektiv zu schneiden.

Das Design durch virtuelle Hügel und Löcher prüfen

Bevor das Gerät im Feld gebaut und getestet wurde, erstellte das Team ein detailliertes 3D-Modell und führte Simulationen mit einem Mehrkörpersimulationsprogramm namens RecurDyn durch. Sie fuhren die virtuelle Maschine über computergenerierte Teststrecken, die reales Gelände nachahmten: sinusförmige, wellenartige Flächen mit 25-Zentimeter-Sprüngen; lange 30-Grad-Hänge; und Strecken mit 5 Zentimeter tiefen Schlaglöchern und 5 Zentimeter hohen Unebenheiten. Die Simulationen verfolgten, wie weit sich der Schneidtisch in der Vertikalen bewegte, wie stark jede Feder gedehnt oder gestaucht wurde und mit welcher Kraft der Tisch an verschiedenen Punkten auf den Boden drückte. Unter diesen Bedingungen passte sich die Höhe des Schneidtischs in einem Bereich von etwa 21 bis 48 Zentimetern an, und die Kontaktkräfte an wichtigen Punkten blieben größtenteils im Bereich von 0 bis 1.500 Newton — damit deutlich innerhalb der Auslegungsgrenze. Die Profilfedern verformten sich konsequent stärker als die Stützfedern, was bestätigte, dass sie den Großteil der feinen Geländeanpassung übernahmen.

Vom Computermodell zu echten Luzernefeldern

Um zu prüfen, ob die virtuelle Leistung in der Praxis gehalten wird, testeten die Forscher einen Prototyp in einem Luzernefeld in der Provinz Gansu. Der Mäher war an einen standardmäßigen 90-PS-Traktor angehängt und über echte hügelige Parzellen gefahren. Nach chinesischen Normen für Mäh- und Niederlegemaschinen fassen zwei einfache Messgrößen die Leistung zusammen: wie hoch die verbleibenden Stoppeln stehen und welcher Anteil der geschnittenen Halme ordnungsgemäß niedergelegt wurde, um gleichmäßig zu trocknen. Nach mehreren Durchgängen und Messungen hinterließ die Maschine eine durchschnittliche Stoppelhöhe von 63,2 Millimetern — unter der Grenzmarke von 70 Millimetern — und legte etwa 95,1 Prozent der Luzerne nieder, womit die geforderten 90 Prozent übertroffen wurden. Wichtig ist, dass der Mäher ein gutes Geländefolgeverhalten beibehielt und keine Anzeichen dafür zeigte, in den Boden einzudringen oder große Flächen zu verpassen, selbst bei innen üblichen Fahrgeschwindigkeiten.

Was das für Landwirte in rauem Gelände bedeutet

Für den Laien ist die Botschaft klar: Durch den Einsatz eines intelligent abgestimmten Federsystems statt komplexer Hydraulik kann dieser neue Mäher über raues, geneigtes Gelände „schweben“ und dabei die Messer in einem sicheren, konstanten Abstand zum Boden halten. Das führt zu saubereren Schnitten, gleichmäßigerem Trocknen der Ernte und geringerem Risiko von Geräteschäden. Während die Studie darauf hinweist, dass künftige Arbeiten das Design hinsichtlich Langzeitermüdung und extremerem Gelände weiter verfeinern sollten, zeigt der Prototyp bereits, dass sorgfältige mechanische Konstruktion höhere Erträge und bessere Futterqualität für Landwirte auf steilen, unebenen Flächen ermöglichen kann, die konventionellen Maschinen oft Probleme bereiten.

Zitation: Wang, J., Geng, B., Li, P. et al. Design and dynamic analysis of the profiling mechanism for suspended mowing and flattening machines in hilly and mountainous areas. Sci Rep 16, 5663 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35468-8

Schlüsselwörter: Alfalfa-Ernte, hügeliges Ackerland, Mähmaschinen, Feder-Profilierungsmechanismus, Geländeadaptation