Beitrag in Jahrbuch 2023

Traktoren Reifen / Reifen-Boden-Interaktion

Kurzfassung:

Das Angebot an Reifen mit VF- und IF-Technologie sowie mit speziellem Profil für die Straßenfahrt wird größer. Die Vorhersage des Traktionsverhaltens wird an vielen Stellen mit unterschiedlichen Methoden untersucht. Eine Anpassung der seit vielen Jahren verwendeten Modelle an die aktuelle Reifentechnologien ist notwendig

Volltext

Markt

Die Übernahme von Telleborg Wheel Systems TWS durch die Yokohama Rubber Company wurde genehmigt. Damit gehören nun u.a. die Marken Alliance, Trelleborg und Mitas zu Yokohama [1].

In einem Rückblick auf die Sima 2022 wird betont, dass einige große Reifenhersteller nicht auf der Messe vertreten waren. Von Trelleborg wurde das ATMS (Adaptive Tire Management System) vorgestellt und mit einer Bronzemedaille prämiert. Durch Sensoren unter der Lauffläche werden die Reifenparameter Last, Fülldruck und Temperatur dynamisch erfasst. Der Fahrer des Traktors kann kontinuierlich über den optimalen Reifenfülldruck und eine angepasste Ballastierung informiert werden. Mit einer Reifendruckregelanlage können die Luftdrücke der Reifen im Einsatz entsprechende angepasst werden. Nur wenige der ausgestellten Maschinen waren mit Reifendruckregelanlagen ausgestattet. Die Themen Bodendruck und Kraftstoffverbrauch waren im Wesentlichen durch IF- und VF-Reifen abgedeckt [2],

Auf der Agritechnica 2023 stellte New Holland für ihre T7-Traktorenbaureihe ein vergleichbares System vor. Das Intelligent Central Tire Inflation System CTIS erfasst die Einfederung der Hinterräder über spezielle, in der Felge verbaute Sensoren und schließt mit Hilfe des Reifenluftdrucks auf die Last. Die Berechnung der Last auf den Vorderrädern erfolgt aus vorhandenen Daten u.a. der Vorderachsfederung, des Antriebsmomentes und der Fahrgeschwindigkeit. Mit der Reifendruckregelanlage wird der Fülldruck angepasst. Für die Ballastierung werden Empfehlungen gegeben [3].

Alliance stellte auf der Agritechnica den Reifen 373 VibroFarm vor. Neben der VF-Technologie besitzt der Reifen die sogenannte Stratified Layer Technology SLT. Unterschiedlich geformte Profilstollenschichten sollen auch bei größerer Abnutzung eine gute Traktion auf dem Feld gewährleisten. Durch eine zentrale, breite Mittelrippe des Profils soll der Reifen auch gute Straßeneigenschaften aufweisen, Bild 1.

Mit dem TM1 Eco Power stellte Trelleborg einen Traktorreifen speziell für die Straße und für harte Oberflächen vor. Durch das spezielle Profil soll sich gegenüber einem Standardreifen ein um bis zu 47 % geringerer Rollwiderstand und eine sanftere Fahrt ergeben. Die Gestaltung der Stollen sollen auch eine gute Traktion auf festem landwirtschaftlichem Untergrund sicherstellen, Bild 1.

Michelin ergänzte seine CrossGrip-Reihe um die Größe 480/80 R34. Mit der M&S-Kennzeichnung ist der witterungsunabhängige Einsatz dieses speziell für Straße, Gras und Schnee gedachten Reifens möglich, Bild 1.

Experimentelle Untersuchungen

In einem umfassenden Artikel werden die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Last, Reifenfülldruck, Aufstandsfläche, Kontaktflächendruck und Druckzwiebeln vermittelt. Die Vorteile von Reifendruckverstellanlagen werden hervorgehoben. Am Beispiel von Bodendruckmessungen mit Bolling-Sonden in 20, 40 und 60 cm Tiefe werden die Auswirkungen dargestellt [4].

 

Bild 1: Neu vorgestellte Reifen: Alliance 373 VibroFarm, Trelleborg TM1 Eco Power, Michelin CrossGrip (von links nach rechts); [Quellen: Hersteller]

Figure 1: New presented tyres: Alliance 373 VibroFarm, Trelleborg TM1 Eco Power, Michelin CrossGrip (left to right); [Sources: manufacturer]

Reifenuntersuchung

Verschiedene Testeinrichtungen sowie experimentelle Untersuchungen zum Zugkraft-Schlupf-Verhalten von Reifen wurden 2023 vorgestellt. Ein statisches und ein dynamisches Testverfahren für das Zugkraftverhaltens eines Traktors mit stufenlosem Getriebe wurden miteinander verglichen. Die Zugmaschine war mit vier Radkraftaufnehmern ausgestattet und wurde über einen weiteren Traktor abgebremst. Beim dynamischen Verfahren wurde das Bremsfahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit betrieben und das Zugfahrzeug erhöhte kontinuierlich seine Geschwindigkeit bis zu 50 % Schlupf und reduzierte sie dann bis auf 0 % Schlupf. Beim statischen Verfahren wurde beim Zugfahrzeug die Motornenndrehzahl eingestellt und eine konstante Fahrgeschwindigkeit von 3 bzw. 5 km/h gewählt. Das Bremsfahrzeug reduzierte schrittweise diese Geschwindigkeit bis maximal 50 % Schlupf am Zugfahrzeug auftrat. Diese Studie zeigt, wie sich die Testverfahren auf das Fahrzeugverhalten und die gesammelten Daten auswirken. Das stationäre Verfahren ermöglichte eine bessere Genauigkeit der Ergebnisse und eine einfachere Möglichkeit, verschiedene Testparameter festzulegen und zu kontrollieren [5].

Bei der Agrarsystemtechnik der Technischen Universität Dresden wurde ein neuer Reifenprüfstand aufgebaut, mit dem die Effizienz und die Bodenwirkung von Rädern und Raupen ermittelt werden können. Neben dem Zugkraft-Schlupf-Verhalten und dem statischen Rollwiderstand wird die Reifeneinfederung und die Seitenwandausformung sowie die Druckverteilung unter den Stollen des Fahrwerks auf festem Untergrund ermittelt. Mit einem ebenfalls an der TU Dresden entwickelten Simulationsmodell lässt sich daraus die Druckverteilung im Boden berechnen [6; 7].

Die Einfederung eines Reifens lässt sich mittels kostengünstiger Time-of-Flight-Sensoren ermitteln. Daraus kann die Länge der Kontaktfläche zwischen Reifen und Boden abgeleitet werden. Die dazu geplante Versuchseinrichtung wurde vorgestellt [8].

Der Nokian Soil King VF hat dank längerer Stollenspitzen ein speziell für die Straßenfahrt geeignetes  Mittelprofil. An der Reifenschulter sind die Stollen wie bei AS-Reifen ausgebildet. Im Vergleich mit VF- und IF-Reifen anderer Hersteller konnte die DLG eine bessere, nicht näher angegebene Zugleistung ermitteln. Im Feld trat ein geringerer Kraftstoffverbrauch von 6,7 % und auf der Straße von 2,6 - 4,9 % bei geringerem Schlupf auf [9].

Bodencharakterisierung zur Traktionsvorhersage

Die in den 1970er und 1980er Jahren erstellten Brixius-Gleichungen werden zur Vorhersage der Traktion von Reifen eingesetzt. Es scheint, dass mit ihnen die heutigen Reifentechnologien, Reifengrößen und Luftdrücken nicht exakt abgebildet werden. Deshalb wurden Untersuchungen zur Fähigkeit der Brixius-Gleichungen zur Vorhersage der Triebkraft bei Änderung des Luftdrucks, der Ballastierung und des Bodenzustands durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Gleichungen diese Änderungen nicht vollständig berücksichtigen [10].

Das Bekker-Wong-Modell der Reifen-Boden-Interaktion ist im Bereich der Bodenmechanik stark verbreitet. Für dieses Modell wird der Boden mit einem Bevameter charakterisiert. Dazu werden vor Ort nicht standardisierte Plattensenkungs- und Scherspannungstests durchgeführt. Untersuchungen zum Zugkraft-Schlupf-Verhalten auf Basis von Bevameter-Tests zeigen, dass auch mit diesen Modellen das Verhalten nicht ausreichend genau vorhergesagt wird [11]. Die systematische Untersuchung der Versuchsvorbereitungen, des Schermechanismus, der Scherkontaktfläche und der Einfluss der Schergeschwindigkeit zeigten sehr große Einflüsse auf die Ergebnisse zum Teil einer größeren Größenordnung auf. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse erhebliche Auswirkungen auf die Vorhersage der Zugkraft von Fahrzeugen unter Verwendung des Bekker-Wong-Modells haben werden [12]. Der Einfluss unterschiedlich großer und geformter Platten für den Druck-Einsinkversuch wurde anhand zweier unterschiedlicher künstlicher Böden untersucht. Daraus konnte ein Skalierungsgesetz zur Anwendung bei der Simulation von Reifen-Boden-Interaktion auf weichen und dichten Böden abgeleitet werden [13].

Für die Beschreibung der Tragfähigkeit von Böden aus dem Druck-Einsinkversuch wurden die seit längerem bestehenden Gleichungen nur mit begrenztem Erfolg verbessert. Es wird über die theoretische und praktische Entwicklung einer neuen dimensionslosen Tragfähigkeitszahl auf Basis des Druck-Einsinkbeziehung berichtet, die die Bodenverformung in einer allgemeinen Form beschreibt [14]. Die Hintergründe zur Scherfestigkeit von Böden und zu ihrer Messmethoden werden in einem weiteren Beitrag berichtet. Im Gegensatz zu Methoden aus dem Bauingenieurwesen wurden für die Terramechanik ein direkter Schertest entwickelt. Ergebnisse dieser Messmethode zur Scherfestigkeit von Lehmsandböden werden vorgestellt [15].

Wenn aus Laborversuchen das Druck-Einsink-Verhalten eines Bodens in Abhängigkeit der Bodenfeuchte bekannt ist, dann muss auf dem Feld nur die Bodenfeuchte bestimmt werden. Hierzu wurde ein Spektrometer verwendet, da die Farbe des Bodens in Abhängigkeit der Feuchte sich verändert. Damit kann bei bekannter Belastung durch ein Fahrzeug dessen Einsinkverhalten vorhergesagt werden [16]. Ähnlich kann bei der Bestimmung der Scherfestigkeit in Abhängigkeit der Bodenfeuchte vorgegangen werden. Allerdings liegt zur Ermittlung der Bodenfeuchte aus der Bodenfarbe kein homogener Boden vor Ort vor. Dieser ist mit vielen Fremdkörpern wie Steine und Pflanzenreste bedeckt [17]. Böden können auch mit Hilfe von Penetrometern und mit Boden-Leitfähigkeitsmessungen charakterisiert werden. In einem Reviewbeitrag werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Messverfahren aufgezeigt [18].

Die Reifenaufstandsfläche kann dreidimensional mit photogrammetrischen Verfahren bestimmt werden. In dem Bekker-Modell können diese für die Bestimmung der Triebkräfte mitverwendet werden. Durch die Belastung des Bodens können über das Messverfahren auch Risse und horizontale Deformationen erkannt werden. Diese korrelieren bei dem verwendeten Boden mit gemessenen und den berechneten Triebkräften [19]. Über zwei Stereokameras vor und hinter einem angetriebenen Reifen auf weichem Boden kann die Spurtiefe sowie Bug- und Heckwinkel der Aufstandsfläche berechnet werden. Es wurde nachgewiesen, dass diese Messungen und Berechnungen exakt und wiederholbar sind [20].

Simulation der Reifen-Boden-Interaktion

Die Diskrete-Element-Methode DEM wird vermehrt für die Simulation der Reifen-Boden-Interaktion verwendet. In den Programmpaketen sind auch Material-Datenbanken hinterlegt. Mit dem am besten geeigneten Material für die Modellierung von trockenem Sand werden immer noch größere Abweichungen ermittelt [21], weshalb Arbeiten zur Erweiterung dieser Datenbanken nötig sind.

DEM wurde zur Erstellung eines Boden-Reifen-Interaktionsmodells genutzt. Mit ihm kann der maximale Bodendruck simuliert und die Spannungsverteilung in der Bodenoberschicht berechnet und visualisiert werden. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Daten aus einem Feldversuch, bei dem der Bodendruck in 0,1 m Tiefe in sandigem Lehmboden gemessen wurde, validiert. Nur für mehrmalige Überfahrten ist das Modell nicht ausreichend genau [22].

Der Schlupf bei der Reifen-Boden Interaktion beeinflusst die Belastung des Fahrantriebs. Es wurde der Antriebsstrang eines Traktors modelliert, der dessen Einsatz beim Pflügen simuliert und mit Praxismessungen überprüft. Es ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung der simulierten und gemessenen Lastkollektive. Das Modell ist somit geeignet zur Unterstützung der Auslegung der Komponenten des Fahrantriebs [23].

Die Modellierung und Leistungsvorhersage von Reifen auf nassen, plastischen, kohäsiven Böden ist eine Herausforderung. Im Gegensatz zu trockenen Böden ist die Scherfestigkeit in nassen Böden geringer, insbesondere, wenn der Boden vollständig gesättigt ist. Verschiedene Modellierungen für stark verformbaren gesättigten Ton und von Reifen wurden untersucht und verglichen, um mit ihnen die Zugleistung vorherzusagen [24].

Zusammenfassung

Das Angebot an Reifen mit VF- und IF-Technologie sowie mit speziellem Straßenprofil nimmt zu. Zur Erfassung der Reifeneigenschaften wurde an der TU Dresden ein neuer Prüfstand vorgestellt. Die Vorhersage des Zugkraft-Schlupf-Verhaltens wird an einigen Forschungseinrichtungen untersucht. Es zeigt sich, dass mit den Brixius-Gleichungen und dem Bekker-Wong-Modell die Reifen-Boden-Interaktion mit den aktuellen Reifentechnologien nicht exakt bestimmt werden können.

Literatur

[1]     N.N.: Wettbewerbshüter erteilen Freigabe zur Trelleborg-Wheel Systems-Übernahme. eilbote 71 (2023) H. 13, S. 20.

[2]     Flebbe, W.: Wichtige Player fehlten auf der Messe in Paris. eilbote 71 (2023) H. 14, S. 8-11.

[3]     N.N.: Intelligent CTIS for New Holland T7 Tractor – Agritechnica Neuheit (2023).

[4]     Stirnimann, R.: Ursachen und Wirkung erkennen – Reifen- und Raupentechnik. Lohnunternehmen 76 (2023) H. 8, S. 40-47.

[5]     Angelucci, L.; Mattetti, M.; Pinet, F.; Vertua, A.: Traction test methods to assess the energy efficiency of agricultural tractors and tires. In: LAND.TECHNIK AgEng 2023 – The Forum for Agricultural Engineering Innovations: November 10th - 11th 2023, Hannover, VDI-Berichte, Bd. 2427, Düsseldorf: VDI Verlag 2023, DOI: 10.51202/9783181024270, S. 263-268.

[6]     Rudolph, W.: Messungen für die Fahrwerke der Zukunft. eilbote 71 (2023) H. 25, S. 8-11.

[7]     Herlitzius, T.; Döll, H.; Lindner, M.; Stirnimann, R.; Gfeller, S.: Tyre testing methodology to evaluate contact pressure distribution and simulation of the resulting soil compaction risk. In: LAND.TECHNIK AgEng 2023 – The Forum for Agricultural Engineering Innovations: November 10th - 11th 2023, Hannover, VDI-Berichte, Bd. 2427, Düsseldorf: VDI Verlag 2023, DOI: 10.51202/9783181024270, S. 247-254.

[8]     Mauldin, C. M.; Crane, C. D.; Schueller, J. K.: General Model for Tire Deflection. ASABE Paper 2301224, 2023, URL: https://​doi.org​/​10.13031/​aim.202301245.

[9]     Tauber, H.-J.; Peters, D.: Landwirtschaftsreifen für Traktoren – Effizienzbetrachtung im Premiumsegment. DLG-Prüfbericht 7271. URL: https://​pruefberichte.dlg.org​/​filestorage/​7271.pdf, Zugriff am: 26.02.2024.

[10]   Hamm, A. R.; Kordestani, A.; Steward, B. L.; Birrell, S. J.: Modelling Tire Tractive Performance at Lower Inflation Pressures. ASABE Paper 2300141, 2023.

[11]   Arévalo-Montaña, C. A.; Böttinger, S.: Tractive effort prediction based on dynamic soil parameters. In: LAND.TECHNIK AgEng 2023 – The Forum for Agricultural Engineering Innovations: November 10th - 11th 2023, Hannover, VDI-Berichte, Bd. 2427, Düsseldorf: VDI Verlag 2023, DOI: 10.51202/9783181024270, S. 234-244.

[12]   Kruger, R.; Els, P. S.; Hamersma, H. A.: Experimental investigation of factors affecting the characterisation of soil strength properties using a Bevameter in-situ plate sinkage and shear test apparatus. Journal of Terramechanics 109 (2023), S. 45-62.

[13]   Jjagwe, P.; Tekeste, M. Z.; Alkhalifa, N.; Way, T. R.: Modeling tire-soil compression resistance on artificial soil using the scaling law of pressure-soil sinkage relationship. Journal of Terramechanics 108 (2023), S. 7-19.

[14]   Salman, N. D.; Pillinger, G.; Sitkei, G.; Kiss, P.: Load bearing capacity of finite half space agricultural homogeneous soil. Journal of Terramechanics 107 (2023), S. 35-46.

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[16]   Ahmed, A. E. E.; Pillinger, G.; Kiss, P.: Moisture content impacts on soil load-bearing capacity and its spectral behaviour. 16th European-African Regional Conference of the ISTVS (2023), 11.-13.10.2023, Lublin, Polen. In: Pytka, J.; Tomilo, P.; Martelli, M. (Hrsg.): Proceedings of the 16th European-African Regional Conference of the ISTVS, Lublin 2023, S. 94-99.

[17]   Hariri, A. E.; Kiss, P.: Soil shear strength values obtained from its color. 16th European-African Regional Conference of the ISTVS (2023), 11.-13.10.2023, Lublin, Polen. In: Pytka, J.; Tomilo, P.; Martelli, M. (Hrsg.): Proceedings of the 16th European-African Regional Conference of the ISTVS, Lublin 2023, S. 249-256.

[18]   Kumar, V.; Bector; Vishal: Recent Trends in Measurement of Soil Penetration Resistance and Electrical Conductivity of Agricultural Soil and Its Management under Presicions Agriculture. Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America 53 (2023) H. 2, S. 12-20.

[19]   Śliczniak, T.; Pytka, J.; Gardyński, Leszek Czajka, Aleksander; Tarkowski, S.: Determination of the tractive forces of a tractor based on the reconstruction of tire-soil contact surface obtained by means of photogrammetry. 16th European-African Regional Conference of the ISTVS (2023), 11.-13.10.2023, Lublin, Polen. In: Pytka, J.; Tomilo, P.; Martelli, M. (Hrsg.): Proceedings of the 16th European-African Regional Conference of the ISTVS, Lublin 2023, S. 114-120.

[20]   White, H.; Sandu, C.; Mukherjee, J.; L’Afflitto, A.; Gorsich, D.; Cole; Michael: Real-time measurement of tire sinkage using stereo cameras. 16th European-African Regional Conference of the ISTVS (2023), 11.-13.10.2023, Lublin, Polen. In: Pytka, J.; Tomilo, P.; Martelli, M. (Hrsg.): Proceedings of the 16th European-African Regional Conference of the ISTVS, Lublin 2023, S. 181-185.

[21]   Jelinek, B.; Card, A.; Mason, G. L.; James, T.; Grebner, K.; Skorupa, T.; Priddy, J. D.: Tractive performance of rigid wheel in granular media using coarse-scale DEM models. 16th European-African Regional Conference of the ISTVS (2023), 11.-13.10.2023, Lublin, Polen. In: Pytka, J.; Tomilo, P.; Martelli, M. (Hrsg.): Proceedings of the 16th European-African Regional Conference of the ISTVS, Lublin 2023, S. 39-43.

[22]   Acquah, K.; Chen, Y.: Discrete element modelling of soil pressure under varyingnumber of tire passes. Journal of Terramechanics 107 (2023), S. 23-33.

[23]   Shao, X.; Yang, Z.; Mowafy, S.; Zheng, B.; Song, Z.; Luo, Z.; Guo, W.: Load characteristics analysis of tractor drivetrain under field plowing operation considering tire-soil interaction. Soil and Tillage Research 227 (2023), Aufsatz 105620.

[24]   Varsha S. Swamy, Rashna Pandit, Alba Yerro, Corina Sandu, Denise M. Rizzo, Katherine Sebeck, David Gorsich: Numerical modeling of a tire on undrained saturated clay using FEM, ALE, and SPH. 16th European-African Regional Conference of the ISTVS (2023), 11.-13.10.2023, Lublin, Polen. In: Pytka, J.; Tomilo, P.; Martelli, M. (Hrsg.): Proceedings of the 16th European-African Regional Conference of the ISTVS, Lublin 2023, S. 115–113.

 

Autorendaten

Prof. Dr.-Ing. Stefan Böttinger ist Leiter des Fachgebiets Grundlagen der Agrartechnik am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim in Stuttgart.

Schlagworte:
Bodenverdichtung, Traktion, Traktorreifen, Reifendruckregelanlagen
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Empfohlene Zitierweise:
Böttinger, Stefan: Reifen / Reifen-Boden-Interaktion. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2023. Braunschweig: TU Braunschweig / Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2024. – S. 1-8

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