Beitrag in Jahrbuch 2014

Traktoren Reifen - Reifen/Boden-Verhalten

Kurzfassung:

Durch größere Reifen bis IF 900/65 R 46 und flexiblere Flanken (Ultraflex Technologie) fol-gen die Reifenhersteller den Anforderungen moderner Großtraktoren. Die mit IF bzw. VF gekennzeichneten Reifen lassen sehr geringe Reifeninnendrücke zu und haben durch die starke Verformung große Aufstandsflächen mit Vorteilen für Kraftübertragung und Boden-schonung. Hohe verfügbare Rechenleistungen ermöglichen umfangreiche Modellierung des Reifens auch auf nachgiebigen Böden mit Berechnung des Zugkraftverhaltens und der Bo-denbeanspruchung.

Volltext

Neue Reifenentwicklungen

Steigende Motorleistungen und anwachsende Traktorgewichte erfordern entsprechende Entwicklungen bei den Reifen. Diese Entwicklungen sind gekennzeichnet durch größere Rei-fendurchmesser, größere Reifenbreiten und Änderungen in den Reifenflanken. Sie haben das Ziel, die höheren Zugkräfte auf den Boden zu übertragen und, durch größere Aufstands-flächen, Spurtiefen und Bodenbeanspruchung in Grenzen zu halten. Mit einem Außen-durchmesser von 2,32 m ist der auf der Agritechnica 2013 vorgestellte Michelin AxioBib IF 900/65 R 46 wohl der zur Zeit größte Ackerschlepperreifen, gefolgt von dem TM 1000 High Power von Trelleborg mit 2,30 m. Vorgesehen sind diese Reifen für Traktoren ab 250 kW. Der Michelin-Reifen kann mit einem minimalen Reifeninnendruck von nur 0,8 bar gefahren werden [1].

Geringe Reifeninnendrücke bis herab auf nur 0,4 bar und damit gute Bodenschonung werden durch neue Konstruktionen der Reifenflanken möglich (Ultraflex-Technologie). Gekennzeich-net sind diese Reifen durch die Buchstaben IF für Increased Flexion und VF für Very High Flexion. Bei einem Reifenvergleich von vier Michelin Reifen mit Außendurchmessern von 1,96 m bis 2,16 m, die beiden größeren als IF Reifen, entwickelten die IF Reifen höhere Zugkräfte, hatten eine größere Aufstandsfläche und eine kleinere Spurtiefe [2].

Reifen für Erntemaschinen sind im Außendurchmesser oft begrenzt, sodass die Reifen brei-ter werden. Auf der Sima 2011 zeigt BKS den Radialreifen AgriMax Teris in der Größe 1050/50 R 32 [3]. Auch Erntemaschinen werden mit Ultraflex-Technologie angeboten und zeigen dann die oben angegebenen Vorteile [4]. Die Kennzeichnung CHO (Cyclic Harvest Operation) bzw. CFO (Cyclic Field Operation) berücksichtigt bei den Tragfähigkeitsangaben, dass die Bunker der Erntemaschinen zyklisch gefüllt und wieder entleert werden und so die volle Last die Reifen nicht dauernd beansprucht.

Bild 1: Ein neues Reifenkonzept, Pneu Trac von Mitas [5] (Bild: Mitas, 2014)

Figure 1: Pneu Trac, a new tyre design by Mitas [5] (Image: Mitas, 2014)

Mitas erhielt auf der EIMA 2014 in Bologna einen Innovationspreis für ein völlig neues Rei-fenkonzept, den PneuTrac (Bild 1) [5]. Er soll die Vorteile des pneumatischen Reifens mit denen des Gummibandlaufwerks verbinden und wurde bisher in der Größe 280/70 R 18 ge-testet. Untersuchungen an Reifen der Größe 600/65 R 38 wurden begonnen. Durch die Ver-legung der Reifenflanken in das Reifeninnere wird eine wesentlich größere Aufstandsfläche mit entsprechender Bodenschonung und Zugkraftverbesserung erreicht. Die Seitenstabilität soll dabei erheblich besser sein als die eines Standardreifens. Die Verkaufsfreigabe hängt allerdings von der weiteren Entwicklung des Konzeptes ab.

Die Verwendung von Industriereifen an Ackerschleppern mit hohem Anteil von Straßenfahr-ten unter Inkaufnahme der schlechten Zugkraftentwicklung und Bodenschonung auf dem Feld könnte zu Kraftstoffeinsparung von etwa 10 – 20 % führen [6].

Reifenkennlinien

Die Reifeneigenschaften sind durch verschiedene Kennlinien beschrieben, die zunächst ex-perimentell bestimmt, dann aber durch mathematische Funktionen oder komplexe Reifen-modelle nachgebildet werden. Die häufig verwendeten Kennlinien sind: Zugkraft/Schlupf, Umfangskraft/Schlupf, Laufwerkwirkungsgrad/Schlupf und Seiten-kraft/Schräglauf. Dabei ergeben sich Schlupf bzw. Schräglauf aus den jeweils wirkenden Längs- bzw. Seitenkräften. Weiterhin spielen Aufstandsfläche/ Einfederung/ Radlast sowie Federungs-/ Dämpfungsei-genschaften/ Geschwindigkeit eine Rolle.

Über neue Zugkraftmessungen wird in [7 bis 8] unter den besonderen Bedingungen Indiens und Thailands berichtet. Da in den schlammigen Böden wegen des hohen Rollwiderstandes die Zugkraftentwicklung erst bei höheren Schlupfwerten erfolgt, lassen sich Zugkraft-kennlinien gut durch ein Produkt zweier e-Funktionen entsprechend den Vorschlägen von Brixius, allerdings mit veränderten Koeffizienten beschreiben, Tabelle 1 in [7].

Die Kennzeichnung der für die Zugkraftentwicklung wichtigen Bodeneigenschaften kann durch eine dimensionslose Kennzahl, die Mobility Nummer , erfolgen. Diese erfasst die Bodenbedingungen durch den Cone Index CI (Penetrometer-Eindringwiderstand), den Reifen durch b sowie d und die Radlast W. Sie wird entsprechend den Versuchsergebnissen häufig durch einen Faktor k erweitert. [9] enthält eine umfassende Zusammenstellung der Mobility Nummern und schlägt für einen kleinen Reifen den im Grun-de einfachen Faktor vor.

Oft lassen sich die Zugkraft/Schlupf-Kennlinien durch eine einfache e-Funktion der Art beschreiben, die allerdings den häufigen Abfall der Zugkraftbeiwerte bei hö-heren Schlupfwerten nicht widerspiegelt. Dieser Abfall (s. Bild 3) kann durch die Ergänzung obiger Gleichung durch den Summanden erfasst werden [10]. Die für Pkw-/Lkw-Reifen bei Straßenfahrt weit verbreitete Magic Formula von Pacejka kann nach [11] auch für Reifen auf kohäsivem Boden zur Darstellung der Zugkraftkennlinie angewendet werden. Am Beispiel von sechs Michelin XL Reifen mit Blockprofil werden die Koeffizienten der Magic Formula in Abhängigkeit von einer geänderten Mobility Nummer ermittelt. Neuere Messeinrichtungen zur Messung der Zugkraft/Schlupf-Kennlinien sind in [7; 12 bis 15] beschrieben, wobei die in [15] verwendete Führung der Einzelradmesseinrich-tung durch den Ausleger eines Baggers eine sehr originelle Idee ist.

Die in [16] erläuterte Arbeit hat das Ziel, Seitenkraft/Schräglaufwinkel-Kennlinien für große Reifen aus Fahrversuchen ohne den Einsatz von aufwändigen Einzelradmesseinrichtungen zu bestimmen. Die Seitenkräfte werden mit modularen Messfelgen gemessen, die momen-tanen Schräglaufwinkel aus Radstellung und Fahrkurs ermittelt. Bei Fahrgeschwindigkeiten um 50 km/h und geringen Änderungsgeschwindigkeiten der Schräglaufwinkel von 1 °/s konn-te die Kennlinie für Schräglaufwinkel von -8° bis 4° erstellt werden. Der schon früher von Heine, Barrelmeyer und Schlotter experimentell gezeigte starke Einfluss von Schlupf/ Schräglauf-Änderungsgeschwindigkeit auf die jeweiligen Kennlinien wird in [17] anhand einer Modellrechnung deutlich unterstrichen. Der Einfluss von Radlast und Reifeninnendruck auf Zugleistung und Kraftstoffverbrauch wird in [18] mit einem semi-empirischen Schlepper/ Rei-fen/ Boden-Modell und mit Zugversuchen eines Schleppers mit 65 kW ermittelt. Dabei erweist sich geringer Reifeninnendruck positiv für bessere Triebkraftbeiwerte; höhere Radlasten er-zeugten zwar höhere Gesamtzugkraft und geringeren Kraftstoffverbrauch, aber der Triebkraftbeiwert wurde geringer. Die Einfederung großer Ackerschlepperreifen wird außer von der Radlast, vom Reifeninnendruck, der Bodenfestigkeit und vom Reifenaufbau beein-flusst. Durch gleichzeitige Messung von Einfederung und Reifeninnendruck [19] können im Zusammenwirken mit einer Reifendruckregelanlage unzulässige Reifenverformungen ver-mieden und der Reifen besser ausgelastet werden. Darüber hinaus wäre bei Erntemaschinen eine kontinuierliche Erfassung der Radlast und damit des Bunkerinhalts möglich. Die Be-stimmung von Latschgröße und Einfederung kann auch über die fotografische Erfassung der Reifeninnenkontur mit Stereokameras im Reifen erfolgen [20]. Am Beispiel eines kleinen 10“ Reifens berichtet [21] über Versuche, mit einer kostengünstigen Piezofolie zwischen Schlauch und Mantel Spannungen und Verformungen zu ermitteln.

Reifenmodelle

Reifenmodelle sind zur vorausschauenden fahrdynamischen Untersuchung von Fahrzeugen mit Mehrkörpersimulationen notwendig. Die Reifenmodelle sollen das Reifenverhalten – Kennlinien, Federungs- und Dämpfungsverhalten – so genau wie möglich nachbilden, ohne dass die Zeit für die Fahrzeugsimulation untragbar lang wird. Finite-Elemente-Modelle der Reifen scheiden deswegen zurzeit noch aus, obwohl steigende Rechenleistungen umfang-reichere Reifenmodelle ermöglichen. Eingesetzt werden deswegen semiempirische Reifen-modelle, wie beispielsweise F-Tire oder CD-Tire für Pkw- und Lkw- Reifen, deren viele Pa-rameter oft mit erheblichem Aufwand bestimmt werden müssen.

Für großvolumige Ackerschlepperreifen wurde das nichtlineare Hohenheimer Reifenmodell von einem dreidimensionalen Einpunktkontakt-Modell zu einem dreidimensionalen Spei-chenmodell weiterentwickelt [22 bis 24]. Mit diesem Speichenmodell kann nun die Hindernis-überfahrt besser nachgebildet und in weiteren Schritten die Fahrt auf nachgiebigem Boden simuliert werden. Auch zu Komfort-Analysen kann dieses Reifenmodell eingesetzt werden. Das Modell besteht aus einer Vielzahl von nichtlinearen Voigt-Kelvin-Elementen, den Spei-chen, die sich in der Aufstandsfläche alle 2° wiederholen und einen Stick-Slip-Effekt beinhal-ten (Bild 2). Die Reifenunrundheit wird durch die Speichenlänge berücksichtigt. Die Speichen sind untereinander zur Darstellung der Längssteifigkeit mit Federelementen vernetzt und insgesamt mit einem Voigt-Kelvin-Element an die Nabe gekoppelt. Die Speichen enthalten auch für die Abstützung der Seitenkräfte Voigt-Kelvin-Elemente und nicht wie frühere Reifenmodelle Maxwell-Elemente. Die stetige seitliche Bewegung des Rades unter Seiten-kräften wird durch das Modell selbst erzeugt. Die Parametrisierung kann auf den Hohenhei-mer Prüfständen (Flachbandprüfstand, Einzelradmesseinrichtung) erfolgen.

Bild 2: Modellstruktur des Hohenheimer Speichenmodells für Reifen [22]

Figure 2: Model structure of the Hohenheim brush type Tyre Model [22]

Laborprüfstände zur Parametrisierung eines SUV-Reifens der Größe 235/85 R 16 LTX für ein F-Tire-Modell sind in [25] beschrieben: hydraulischer Belastungsprüfstand des ruhenden Reifens für Federkennlinie, Aufstandsfläche und Reibung. Das Modellverhalten kann mit einer gezogenen Einzelradmesseinrichtung überprüft werden. Am Beispiel eines Michelin-Reifens 16.00 R 20 XZL wurden diese Prüfstände ebenfalls zur Parametrisierung herange-zogen [26] und das Verhalten verschiedener Modelle auf verschiedenen festen Böden und Hindernissen untersucht. F-Tire beschrieb dabei das tatsächliche Reifenverhalten am besten [27]. Erneute Hinweise zur Bedeutung der kinetischen und kinematischen Rollradien in der Modellentwicklung, vor allem bei unebenen Fahrbahnen werden in [28] gegeben. Die Ge-schwindigkeit der Latschfläche wird über Kameras mit Bildauswertung bestimmt; sie ent-spricht weitgehend der über GPS ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit.

Die Modellierung des Reifens im Gelände erfordert zusätzlich die Modellierung des Bodens und der gegenseitigen Beeinflussung von Reifen und Boden. Die theoretischen Grundlagen zur Bodenmodellierung sind in [29] sehr gut zusammengefasst und die Reifenkennlinien für starre und flexible Räder am Beispiel eines SUV Reifens 265/70 R 17 entwickelt. Für die Reifenverformung im Latsch wird nicht auf ein größeres starres Ersatzrad oder einen para-belförmigen Verlauf zurückgegriffen, sondern eine neue dreiteilige Gleichung vorgeschlagen. Für die Daten eines größeren SUV wird mit diesem Modell der beste Gesamtwirkungsgrad des Laufwerks und die geringste Schlupfdifferenz an den Achsen für 55 bis 65 % des Ge-samtmoments an der Hinterachse ermittelt [30].

Das Hybrid Soft Soil Tire Model (HSSTM) der Virginia Tech, Blacksburg, [31] ist das zurzeit wohl am weitesten entwickelte und validierte Reifenmodell für nachgiebigen Boden. [31] ent-hält 16 weitere Literaturstellen der Virginia Tech aus den Jahren 2008 bis 2014 zur Entwick-lung von Reifenmodellen für den Offroad Einsatz. Das HSSTM ist als Speichenmodell aus Voigt-Kelvin-Elementen aufgebaut und ausführlich mathematisch formuliert. Die Rechenzeit kann durch optimierte Rechenroutinen kurz genug für Mehrkörper-Fahrzeug-Simulationen gehalten werden. Die Parameterbestimmung für einen 225/60 R 16 97S Michelin Reifen er-folgt in mehreren Schritten durch Standard-Messverfahren, Modalanalyse und FEM Modellie-rung sowie Überprüfung in einer Bodenrinne. Die Modellergebnisse zur Spurtiefe, Längskraft, Seitenkraft und Lenkmoment stimmen bei geringen systematischen Abweichungen gut mit den Versuchsergebnissen überein. Der Multipasseffekt ist berücksichtigt und in [31] visu-alisiert. Die mit dem Modell errechneten Zugkraftbeiwerte für drei Böden sind in Bild 3 bei vier Schlupfwerten angetragen. Sehr deutlich wird der unterschiedliche Verlauf der Zugkraft-beiwerte mit teils ausgeprägten Maxima.

Bild 3: Berechnete Zugkraftkoeffizienten eines profillosen Reifens 225/60 R 16, geändert nach [31]

Figure 3: Simulated drawbar pull coefficients of a buffed tire 225/60 R 16, modified after [31]

Bodenverdichtungen

Durch das Befahren landwirtschaftlicher Nutzflächen bilden sich Spuren, die unter ungünsti-gen Last- und Bodenverhältnissen zu Schadverdichtungen führen können. Diese führen zu vermindertem Pflanzenwachstum, Staunässe und Erosion, sind also durch angepasste Rad-lasten, Bereifungen, niedrige Reifeninnendrücke und das Befahren tragfähiger Böden zu vermeiden. [32] zeigt beispielsweise die Wheel Load Carrying Capacity im Jahresverlauf, wobei im gezeigten Beispiel von April bis Oktober gute Tragfähigkeit vorlag. Mit dem Re-chenverfahren TASC (Tyres/Tracks And Soil Compaction) soll dem Landwirt die Entschei-dung der Befahrbarkeit erleichtert werden. In [33] werden die verschiedenen Module von TASC vorgestellt.

Zum Vergleich verschiedener Laufwerke werden häufig die Spannungen im Boden (Druck-zwiebeln) oder auch die Druckverteilung im Latsch herangezogen [15; 34 bis 38]. Diese mit verschiedenen Fahrzeugen auf verschiedenen Böden durchgeführten Untersuchungen zeig-ten folgende Ergebnisse: Im Vergleich mit Einfachbereifung zeigte das Challenger Bandlauf-werk den geringsten Druck von 0,27 bar in einer Tiefe von 30 cm; es folgten AxioBib IF 650/85 R 38 ( = 0,7 bar) an zweiter Stelle mit einem Bodendruck von 0,36 bar [34]. Zwil-lingsbereifung verursachte nach Messungen von [35] geringere Bodenspannungen als das Quadtrac-Laufwerk, wobei besonders unter den Tragrollen Spitzen auftraten. Dies wurde bestätigt bei einem Vergleich eines Case IH Steiger 500 mit 710/70 R 42 Zwillingsbereifung (Standard und IF) mit einem Case IH Quadtrac-Laufwerk [36] und an einem einfach bereiften Mähdrescher CR9070 [37]. In [38] wurden vier Anhänger-Reifen für die Zuckerrohrernte hin-sichtlich Aufstandsfläche und Druckverteilung in 10 bis 70 cm Tiefe untersucht. Die Reifen mit Blockstollen und mit Längsrillen waren bodenschonender.

Die experimentellen Untersuchungen [33 bis 38] haben auch die positive Wirkung eines ge-ringen Reifeninnendrucks gezeigt. Die Absenkung des Reifeninnendrucks entsprechend der tatsächlichen Radlast ist bedeutend, sodass bei Hang- bzw. Pflugarbeiten eine Einzelrad-Reifendruckregelanlage von Vorteil wäre [39]. Überraschend hat beim Pflügen das Landrad aufgrund der vom Pflug übertragenen Kräfte höhere Radlasten [40].

Da das Pflanzenwachstum durch die Bodendichte – nicht durch die Bodenspannung – beein-flusst wird und der Zusammenhang zwischen beiden Größen nicht eindeutig ist, berechnet [41] mit FEM direkt die Dichteverteilung unter dem Rad und den Einfluss von beispielsweise Reifeninnendruck und Fahrgeschwindigkeit auf die Dichte. Einen sehr überlegenswerten Weg zur Auswahl bodenschonender Reifen beschreibt nach intensiven Forschungsarbeiten der abschließende Beitrag [42]. Die Autoren schlagen vor, die Reifen in Reifentabellen zusätzlich mit einer Kennzahl, dem CC- bzw. LCC-Index zu kennzeichnen (Low Compaction Capacity). Diese Kennzahl beschreibt die Verdichtungswirkung der Reifen. Die Berechnung des CC-Index beruht auf gemessenen Zusammenhängen zwischen Druckbelastung des Bodens und der dadurch verursachten Bodendichte. Als Bezugsgröße für eine optimale Bodendichte eines Lehmbodens wurden Werte von 1420 kg/m³ (CC) bzw. 1290 kg/m³ (LCC) gewählt.

Komfort

Bei den ungefederten landwirtschaftlichen Fahrzeugen übernehmen die Reifen auch Federungs- und Dämpfungsaufgaben. [43] zeigt den erheblichen Einfluss der Reifenunrund-heit auf den Comfort Index, der bei einer Fahrgeschwindigkeit von 40 km/h bereits unkomfortable Werte von 1,47 m/s² annimmt, insbesondere wegen einer Resonanz der Vorderräder. Mit einem einfachen Mehrkörpermodell untersucht [44] den Einfluss der Feder-Dämpfungskennwerte von zwei Reifen bei Fahrt auf zwei nachgiebigen Böden auf die Sitzbeschleunigung. Der Boden wird durch eine kontinuierliche Schicht von Federn modelliert, in Längsrichtung wird die Schubspannnung auf einen maximalen Wert begrenzt. Validiert wird das Modell auf einem 4-Stempel-Prüfstand. Die Fahrt auf nachgiebigem Boden verringert die Sitzbeschleunigung um 15 - 20 %. Zwei interessante Beiträge [45; 46] be¬schreiben Sicherheitsmaßnahmen an gefederten Fahrzeugen am Beispiel eines Landrovers durch einen aktiven Stabilisator zur Verbesserung des Fahrzeugrollverhaltens und die auto¬matische Verringerung der Fahrgeschwindigkeit vor engen Kurven entsprechend der über GPS bekannten Route zur Vermeidung von kritischen Fahrsituationen.

Fachtagungen

Die Gründung der ISTVS (International Society for Terrain Vehicle Systems) wurde an¬lässlich einer ersten internationalen Tagung 1961 in Turin beschlossen. Anlässlich der 17. Internationalen ISTVS Konferenz 2011 in Blacksburg an der Virginia Tech wurde das 50-jährige Bestehen der ISTVS gefeiert. Dr. Sally Shoop, 1. Vizepräsidentin, und Dr. Peter Kiss, 2. Vizepräsident, haben zu diesem Anlass ein sehr gelungenes Büchlein herausgegeben [47]. Es enthält u.a. die Liste der ISTVS Konferenzen, Ehrungen, persönliche Beiträge einzelner Mitglieder, viele Fotos und eine Beschreibung amerikanischer Forschungs¬einrichtungen mit ISTVS Bezug. Die Tagung wurde unter dem Vorsitz von Professorin Corina Sandu organisiert. Es folgten die nationalen Tagungen 2012 in Pretoria unter Vorsitz von Professor Schalk Els, 2013 in Tampa und 2014 die 18. Internationale Konferenz in Seoul. Die Tagungsbände [48 bis 50] sind über die ISTVS zu beziehen.

Literatur

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Schlagworte:
Ackerschlepperreifen, Reifenkennlinien, Reifenmodelle, Bodenverdichtung, Fahrkomfort
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Empfohlene Zitierweise:
Kutzbach, Heinz Dieter; Böttinger, Stefan: Reifen - Reifen/Boden-Verhalten. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2014. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2015. – S. 1-12

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