Festlegung von Konstruktionsanforderungen und charakteristische Analyse von Antriebsstrangkonfigurationen für elektrische Traktoren auf Basis realer landwirtschaftlicher Arbeitslasten

Warum sauberere Landmaschinen wichtig sind

Moderne Betriebe sind für nahezu jede Aufgabe auf Traktoren angewiesen, vom Pflügen des Bodens über das Transportieren von Lasten bis hin zum Antrieb von Fräsen. Die meisten dieser Arbeitstiere verbrennen noch Diesel, was Energie verschwendet und Abgase verursacht. Da Klimavorgaben strenger werden und Kraftstoffpreise schwanken, wächst der Druck, Diesel durch sauberere elektrische Antriebe zu ersetzen. Diese Studie stellt eine auf den ersten Blick einfache Frage: Wenn wir einen elektrischen Traktor bauen, der reale Feldarbeit leisten soll, was genau muss er können und wie ist es am klügsten, Motoren und Getriebe anzuordnen?

Messung dessen, was Traktoren tatsächlich im Feld tun

Statt sich auf Katalogwerte zu verlassen, brachten die Forschenden einen konventionellen mittelgroßen Dieseltraktor aufs Feld und maßen, wie stark er wirklich arbeiten musste. Sie rüsteten alle vier Räder und die hintere Zapfwelle mit Drehmoment- und Drehzahlsensoren aus und verwandelten den Traktor so in einen rollenden Prüfstand. Dann führten sie typische Arbeitsgänge durch: einen Pflug durch den Boden ziehen, eine Fräse betreiben und auf der Straße mit hoher Geschwindigkeit fahren. Durch die Kombination der an den Rädern wirkenden Kräfte und der Drehbelastung an der Zapfwelle mit der Fahrgeschwindigkeit konnten sie berechnen, wie viel nutzbare Leistung jede Aufgabe über die Zeit tatsächlich erforderte.

Zugkraft von Drehleistung trennen

Traktoren verrichten zwei hauptsächliche Arbeitsarten. Die eine besteht darin, schwere Werkzeuge durch den Boden zu ziehen, was bei geringen Geschwindigkeiten starke Zugkräfte erfordert. Die andere besteht darin, Werkzeuge wie Fräsen über die Zapfwelle anzutreiben, wofür gleichmäßige Drehzahl und Drehmoment nötig sind. Aus den Felddaten erstellte das Team „Leistungsumschläge“ — Kurven, die die Kombinationen aus Geschwindigkeit und Kraft beziehungsweise Geschwindigkeit und Drehmoment abbilden und alle beobachteten Arbeitslasten mit Sicherheitsmarge abdecken. Bei Zugaufgaben stellten sie fest, dass der Traktor bis zu etwa 32 Kilonewton Zugkraft an der Anhängevorrichtung bei wenigen Kilometern pro Stunde liefern musste und Straßenhöchstgeschwindigkeiten von rund 33 km/h erreichen musste, was etwa 40 Kilowatt Zugleistung entspricht. Für Drehleistungen benötigte die Zapfwelle fast 40 Kilowatt bei typischen Drehzahlen; ein großer Teil der gesamten Nachfrage während der Fräsarbeiten kam folglich von der rotierenden Maschine und weniger vom Ziehen.

Übersetzung der Arbeitslasten in elektrische Konstruktionsziele

Mit diesen Umschlägen konnten die Autorinnen und Autoren genau festlegen, was ein elektrischer Traktor derselben Klasse liefern muss, ohne blind die Nennleistung des Dieselmotors zu übernehmen. Sie argumentierten, dass bestehende Traktoren oft überdimensioniert seien, weil deren Motoren zusätzlich laufend Hydrauliksysteme betreiben und Leistung durch mehrstufige Getriebe schieben müssen, die Energie verschwenden. Durch die Auslegung anhand gemessener Arbeitslasten kann ein elektrischer Traktor die realen Anforderungen erfüllen, ohne übergroße Motoren und unnötig komplexe Antriebe. Die Studie legte daher separate Anforderungen für Traktion und Zapfwelle fest, jeweils mit eigenen Maximalwerten für Kraft, Geschwindigkeit und Leistung, und betrachtete hydraulische Funktionen als Aufgabe eines kleinen, dafür vorgesehenen Elektromotors.

Drei Möglichkeiten, die Antriebsleistung eines elektrischen Traktors anzuordnen

Anhand dieser Anforderungen verglich das Team drei unterschiedliche Antriebsstrangkonzepte. Beim Einmotoren-Design versorgt ein großer Motor sowohl Zug- als auch Drehleistung über ein Getriebe, ähnlich wie heute ein Diesel. Das hält die Steuerung einfach, verlangt aber ein kompliziertes Getriebe und führt zu höheren mechanischen Verlusten. Beim dualen, „leistungsgetrennten“ Konzept treibt ein Motor die Räder und ein zweiter die Zapfwelle an, jeweils über einfachere Übersetzungen. Das verbessert die Effizienz und erlaubt eine unabhängige Anpassung von Fahr- und Werkzeuggestschwindigkeit, erhöht aber die kombinierte Motorleistung. Eine dritte Option, das duale „Leistungsunterstützungs“-Konzept, verwendet einen Hauptmotor plus einen kleineren Hilfsmotor. Je nach Aufgabe können sie gemeinsam für Traktion sorgen, oder der Hauptmotor fokussiert die Zapfwelle, während der Helfer das Ziehen übernimmt. Das kann sehr gut den gemessenen Leistungsbedarf abdecken, erfordert aber aufwändigere Kupplungen und eine komplexere Regelung.

Was das für künftige Landmaschinen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die zentrale Botschaft: Erfolgreiche elektrische Traktoren lassen sich nicht einfach durch das Ersetzen eines Dieselmotors durch Batterie und Elektromotor mit derselben angegebenen Leistung realisieren. Sie müssen von Grund auf um das herum gestaltet werden, was tatsächlich auf den Feldern passiert: wie stark die Räder ziehen, wie schnell die Werkzeuge drehen und wie lange jede Aufgabe dauert. Indem detaillierte Arbeitslastmessungen in klare Leistungsumschläge übersetzt und verschiedene Motorlayouts daran gemessen werden, liefert diese Studie einen Entwurfspfad für elektrische Traktoren, die ausreichend leistungsfähig, effizient und nicht überdimensioniert sind. Dieselbe Methodik kann die Batteriebemessung, Kühlkonzepte und Regelstrategien leiten und Landwirtinnen und Landwirten helfen, sauberere Maschinen einzuführen, ohne auf Leistung verzichten zu müssen.

Zitation: Ahn, DV., Kim, JT., Kim, K. et al. Determination of design requirements and characteristic analysis of powertrain configurations for electric tractors based on actual agricultural workload. Sci Rep 16, 14381 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44453-0

Schlüsselwörter: elektrische Traktoren, Landmaschinen, Antriebsstrang-Design, Elektrifizierung der Landwirtschaft, Traktorarbeitslast