Grundlagen der automatischen Reifenluftdruckverstellung bei
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Grundlagen der automatischen Reifenluftdruckverstellung bei
46 M. Rempfer Grundlagen der automatischen Reifenluftdruckverstellung bei landwirtschaftlichen Fahrzeugen Fundamentals of Tire Inflation Pressure Control Systems for Agricultural Vehicles Martin Rempfer Lehrstuhl ftir Landmaschinen, Technische Universität München Kurzfassung: Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit dem Einfluß des Reifenluftdrucks auf das Betriebsverhalten von Luftreifen auf festem und nachgiebigem Untergrund. Anhand von zwei Beispielen kann gezeigt werden, daß ein stets an die Fahrumstände angepaßter Luftdruck im Vergleich zum Einsatz mit einer Allzweckeinstellung zu erheblichen Verbesserungen führt. Um dies jedoch erreichen zu können, empfiehlt sich die Installation einer zentralen Reifenluftdruckverstellanlage RDV A ftir Traktor und Anhänger. Anforderungen an solche Anlagen und Grundlagen zu deren Konzeption werden aufgezeigt. Deskriptoren: Traktor, Reifenluftdruck, Luftdruckverstellanlage, Anhänger Abstract: The paper presented deals with the injluence of the tire injlation pressure on the performance of pneumatic tires on hard and soft ground. Using two examples, it can be shown that a permanently weil adapted injlation pressure allows considerable improvements by comparison with an all purpose value. To reach this goal, the installation of a central tire injlation system CTIS for the tractor and the trailer is recommended. The demands on such systems and the fundamentals for a concept are described. Keywords: Tractor, Tire Inflation Pressure, Central Tire Inflation System, Trailer 1 Einführung 2 Terramechanische Zusammenhänge Der Reifenluftdruck ist bekanntermaßen der wichtigste Parameter bei der Kraftübertragung zwischen Fahrzeug Zur Beschreibung der terramechanischen Grundlagen und Boden, insbesondere beim Einsatz im Feld. Durch den werden. Für die Fahrt abseits der Straße sind im steigende Radlasten einerseits (bei Rübenvollerntem wesentlichen drei Kriterien von Bedeutung: muß zwischen Straßenfahrt und Feldeinsatz unterschie- bereits bis zu 10 t) sowie steigende Fahrgeschwindiglaufen die Erfordernisse für sichere Straßenfahrt sowie • Zugkraft Die Modeliierung der Zugkraft eines Luftreifens auf effiziente und bodenschonende Feldarbeit immer weiter auseinander. nachgiebiger Fahrbahn wurde bereits mit vielen Modellen versucht [8, 9, 10]. Bei dem bekannten Ansatz von Hilfe zur Lösung dieses Zielkonfilktes kann die Installa- Wismer und Luth [II] gehen z.B. die Radlast, die Bo- tion zentraler Reifenluftdruckverstellanlagen RDV A an denparameter und die Reifendaten ein. Bezüglich des landwirtschaftlichen Fahrzeugen sein, wie sie schon seit keiten andererseits (z.B. JCB Fastrac mit 80 km/h [1]) geraumer Zeit insbesondere von Wissenschaftlern emp- Einflusses des Luftdruckes kann die folgende einfache Abschätzung herangezogen werden, um die grundlegen- fohlen wird [2 bis 7]. Der vorliegende Beitrag skizziert den Zusammenhänge zu veranschaulichen. die Zusammenhänge von Reifenluftdruck, Reifenbetriebsverhalten und Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus Legt man der maximal möglichen Triebkraft an einem Rad die bekannte Coulomb-Gleichung [12] werden mögliche RDV A-Konzepte vorgestellt. Der Beitrag soll Hersteller wie Anwender von Landmaschinen motivieren, durch den Einsatz von RDV A die beschriebenen Vorteile zu nutzen . F1max =A · c + W 1• tan<p ( 1) zugrunde, werden zwei Anteile erkennbar: Ein nicht vom Luftdruck abhängiger Ausdruck W1 • tan<p und ein 47 Agrartechnische Forschung 4 (1998) H. 1, S. 46-55 über die Kontaktfläche A luftdruckabhängiger Anteil Ac steht im Absenken des Reifenluftdrucks auf den in der ("Kohäsion"). Auch wenn die maximal mögliche Schubspannung in der Kontaktfläche nicht voll genutzt wird, Reifentabelle vom Hersteller empfohlenen Wert. Bild 1 zeigt beispielhaft Messungen der Kontaktfläche für ei- wirkt dennoch die Vergrößerung der Fläche A durch nen Reifen 520/70 R 38 auffestem Untergrund [17]. Verlängerung des Latsches - möglich durch Reduzie0,36 rung des Reifenluftdrucks - stets in Richtung einer ver- ~ ~ 11.12 größerten Triebkraft. [\ ~ -0.32 • u Rollwiderstand :(1l ~ 030 'i=ctS' Von weiterer wichtiger Bedeutung bei der Beurteilung des Reifenverhaltens ist der Rollwiderstand. Dieser kann u 1ii 0c:: "0 c~ !1l 0,28 -o ~ ~0,24 Anteil [13]. Der innere Rollwiderstand bezieht sich da- 0,22 bei auf die im Reifen dissipierte Energie, die maßgeblich 0,20 von der Hysterese des verwendeten Werkstoffs und damit von der Reifendeformation abhängt [14]. Der äußere Rollwiderstand dagegen ergibt sich einerseits aus der vom Reifen verursachten Verdichtung des Bodens und andererseits aus dem sog. "Bulldozing Effect". Diese beiden Anteile werden von Bekker [ 15] beschrieben und zeigen u.a. eine Abhängigkeit von der Einsinkung f - - A- w••f,N 1 ""'0 9 Jp; ' 0,26 aufgeteilt werden in einen inneren und einen äußeren w, 'i !tl rn ..... Reifenauslastung 1 1~00 I l I 40 60 = W, I W,'j, o"__o 83 r ""-.. 0 76 t~o Reifen: 520/70 R 38 3000 kg Last: 20 ~ Radlast Nennlast bei p, u. max. 10km/h 80 0).66 I 100 120 140 kPa 180 Reifeninnendruck (Inflation pressure) Bild 1: Kontaktfläche eines Radialtreifens auf festem Untergrund in Abhängigkeit vom Reifeninnendruck nach [17]. Fig 1: Contact area of a radial tire on rigid ground as a function of injlation pressure according to [1 7]. z 0 des Reifens, in die neben der Breite B wiederum der Die nach [ 18] benutzte Reifenauslastung <;; (Bild 1) stellt mittlere Bodendruck p9 und damit bei konstanter Radlast ein geeignetes Maß dar zur Beurteilung des eingestellten Luftdrucks in Bezug auf die Radlast und den vorliegen- W1 die KontaktflächeAdes Reifens eingeht: den Reifentyp. So sollte für Feldbetrieb möglichst immer Z = o k ( ----'--+ k B • )- ~ · pn 1 => Za- p~- A _1_ g nahe an der maximalen Reifenauslastung <;; = 1 gearbei(2) 1 n Während der innere Rollwiderstand mit zunehmender Abplattung durch Reduzierung des Reifenluftdrucks ansteigt, verringert sich im allgemeinen der äußere Rollwiderstand deutlich, so daß auch der Gesamtwert kleiner wird . • Bodenverdichtung Bodenverdichtungen sind eine Folge von Spannungen, die unter Last im Boden auftreten. Dabei spielen die Materialeigenschaften des Bodens - beeinflußt u.a. durch Bodenart und Feuchtigkeit - eine entscheidende Rolle. Söhne [ 16] stellte mit seinen "Druckzwiebeln" ein Modell der Spannungsverteilung im Boden unter Reifen vor. Für die oberen Bodenschichten hängt die Bodenverdichtung vom Kontaktflächendruck zwischen Reifen und Boden ab. In tieferen Schichten dagegen hat die Radlast den Haupteinfluß. Eine Möglichkeit, die Aufstandsfläche zu vergrößern und damit den Kontakflächendruck zu verringern, be- tet werden, um die Übertragung der Kräfte möglichst bodenschonend zu gewährleisten. Für das Befahren von festen Fahrbahnen (Feldwege, Straßen) stehen folgende Kriterien im Vordergrund: • Rollwiderstand Der Rollwiderstand auf fester Straße ergibt sich ausschließlich aus dem inneren Anteil. Dieser hängt, wie gezeigt, überwiegend von der Reifendeformation und damit vom Luftdruck ab. Steiner gibt flir diesen Zusammenhang eine empirische Formel an [ 19]: Der Rollwiderstand nimmt mit zunehmendem Reifenluftdruck ab. • Verschleiß Der Verschleiß von AS-Reifen wird von Siefkes [20] beschrieben. Indirekt zeigt sich der Einfluß des Reifenluftdrucks auf den Verschleiß bei Straßenfahrt. Dafür verantwortlich ist zum einen. die Temperaturabhängigkeit des Abriebverhaltens. Die Abplattung des Reifens hängt bei gegebener Last vom Reifenluftdruck ab, ist aber gleichzeitig auch für die innere Reibung, also die Walkarbeit, verantwortlich. Andererseits beeinflußt auch die Reifensteifigkeit den Verschleiß, welche wiederum 48 M. Rempfer direkt vom Luftdruck abhängt. Damit Jassen sich an- erhöhter Komfort satzweise die Praxiserfahrungen [21] erklären, daß bei Erhöhung des Reifenluftdrucks von Feld- auf Straßeneinstellung der Verschleiß deutliche sinkt. • Belastung von Wegen und Straßen Zur Belastung von insbesondere ungepflasterten Fahrbahnen liegen Untersuchungen vor [22, 23], nach denen durch Anpassung des Reifenluftdrucks Schäden an der Fahrbahnoberfläche vermindert oder sogar vermieden werden können. Schulze Lammers [24] zeigt den Einfluß des Kontaktflächendruckes - und damit mittelbar auch des Reifenluftdrucks - auf den als Maß für die Belastung der Fahrbahnen verwendeten Road Load Index &. Die Reduzierung des Kontaktflächendruckes durch geringeren Reifenluftdruck sorgt für geringere Belastungen. • Fahrverhalten und Komfort Der Reifen an der Schnittstelle zwischen Straße und l06356CLTM Bild 2: Vorteile durch augepaßten Reifenluftdruck: Die markierten Verbesserungen werden in den folgenden Beispielen quantifiziert. Fig. 2: Advantages due to weil adapted tire inflation pressure: the marked improvements are quantified in the following examples. Fahrzeug steht bei ungefederten Achsen, die immer noch verbreitet sind, als einziges Feder-Dämpfer-Element im 3.1 Fahrwerk im Vordergrund bei der Betrachtung von Zur Beurteilung der durch die Anpassung des Reifen- Beispiel für Feldarbeit: Pflügen "on land" Fahrverhalten und Komfort. Durch den Reifenluftdruck luftdrucks bei Feldarbeit auftretenden Vorteile müssen lassen sich in Grenzen die Federungs- und Dämp- unter konstanten und reproduzierbaren Bedingungen fungseigenschaften beeinflussen [13, 25], eine Verschie- Vergleiche zwischen dem Betrieb mit Allzweckeinstel- bung gewisser Fahrzeug-Eigenfrequenzen ist möglich, lung und dem bei angepaßtem Reinfeninnendruck ange- Resonanzen können ggf. verhindert werden [26]. Auch stellt werden. Dazu sind Messugen im Feld nur bedingt Langenheck [27] bestätigt diese Erkenntnisse für ver- geeignet. Eine ausschließlich theoretische Betrachtung schiedene Fahrzeugtypen bei unterschiedlichen Reifen- erscheint dagegen zu gewagt. Deshalb soll die Beurtei- druckeinstellungen . lung auf Messungen der Triebkräfte und der verursachten Bodenverdichtungen in der Bodenrinne gestützt werden. Da diese das Fahren auf der Furchensohle nicht 3 Vorteile einer Reifenluftdruckanpassung und ihre Bewertung Die Anpassung des Reifenluftdrucks führt nicht nur beim Einsatz des Traktors bzw. Anhängers im Feld, sondern auch bei Fahrten auf der Straße oder auf Feldwegen zu Verbesserungen, die teilweise auch quantifiziert werden können . In Bild 2 ist eine Zusammenstellung der Vorteile gegeben. Die zugrunde liegenden Effekte wurden bereits in Kapitel 2 beschrieben. Um die beschriebenen Effekte bewerten zu können, werden im Anschluß für zwei typische Arbeiten die zu erwartenden Vorteile berechnet. gut nachbilden, wird "on Jand"-Pflügen angenommen. Als Beispielfahrzeug wird ein MB-trac 1800 zugrunde gelegt, ausgerüstet mit vier Reifen der Größe 520/70 R 38. Als Bewertungsgröße wird die jeweilige Produktivität ermittelt. Voraussetzung ist, daß jeweils bei gleicher Motorauslastung - d. h. mit gleicher Radnabenleistung und bei gleicher effektiver Fahrgeschwindigkeit gearbeitet wird. Für die Triebkraft-Schlupf-Kurven des eingesetzten Reifentyps, Bild 3, wurden konstante Schlupfzustände in Stufenversuchen gemessen und anschließend die Kurven interpoliert. Die Versuche wurden in der Bodenrinne des Lehrstuhls auf lehmigem Sandboden bei einem Wassergehalt von ca. 15% durchgeführt. Um den multi-passEffekt der Hinterräder des realen Fahrzeugs zu simulie- Agrartechnische Forschung 4 (1998) H. 1, S. 46-55 ren, wurden jeweils ftir beide Reifenluftdrücke (40 kPa 49 und 130 kPa) zwei Überfahrten durchgeführt: Die erste (Schnittbreite br = 0,35 m pro Schar, 7,2 km/h Arbeitsgeschiwndigkeit) stellt sich - bei gesperrten Achsdiffe- mit einer Radlast von 1820 kg auf unbefahrenem, gefrästem Boden (Vorderräder) und anschließend mit einer Radlast von 2760 kg in der Spur der ersten Überfahrt rentialen und Reifendruck 130 kPa - ein Schlupf von 16% an allen Rädern ein. Die gesamte Radnabenleistung1 beträgt dabei 121 kW. Die Reduzierung des Luft- (Hinterräder mit multi-pass). Die Reifenauslastungen drucks auf 40 kPa bewirkt bei konstanter Motorausla- waren dabei: stung eine Schlupfminderung auf ca. 7,5%. Reifenauslastung Vorderräder Hinterräder c;, C, 130 kPa 40 kPa 47% 68% 71% T 1,65 p=40kPa p;=130kPa- * 9~ ~ - ~ ~~ I 03% +<J seitens des Herstellers minimal 40 kPa Reifenluftdruck zulässig ~ ~~~ / ~ , 7.n 1,45 0 10 Reifen: 520!70 R 38 L----'----l---J..._---'---~---' 0 10 20 30 % 50 Schlupf (Slip) Bild 3: Triebkraft-Schlupf-Kurven eines Radialreifens, ermittelt in der Bodenrinne des Lehrstuhls für Landmaschinen der TU München. Radlasten und Innendrücke für Pflügen mit fünfscharigem Pflug. Fig. 3: Net traction versus slipforaradial tire, measured in the soil bin of the Institute of Agricultural Machinery of the TU Munich. Tire Ioads and injlation pressures for plowing with jive tools. y V -g ~/ Reifen: ./ Last: 520(70 R 38 2760 kg IS Boden: 15,2% Feuchte: 25 cm Probentiefe: mittl. Ausgangsdichte: 16( 10 Mg Po= 1,13 ... \23 m3 30 20 % 50 Schlupf (Sitp) lOU51DL'N -10 ~ /V 'i -0,4 ~ ~ ./ Bild 4: Bodendichte in Abhängigkeit vom Schlupf und vom Reifenluftdruck ftir die in Bild 3 gezeigten Versuche: Mittelwerte von je 5 Proben mit Standardabweichung s und lineare Regression der Mittelwerte. 7,5% und 16%-Werte für die Beispielrechnung hervorgehoben. Fig. 4: Soil density as afunction ofslip and tire inflation pressure for the tests shown in Fig. 3: Mean value of 5 samples each and linear regression of the mean values. 7. 5% and 16%-values marked for the calculated example. Damit ergibt sich ftir das Arbeiten mit 40 kPa Reifenluftdruck eine Zugkraft von 37,7 kN bei gleichzeitig Für schmale Diagonalreifen zeigen neueste Messungen aufgrund der geringeren Bodendichte etwas reduziertem von Lee [28] wesentlich geringeren Einfluß des Reifen- spezifischen luftdrucks. Pflugwiderstand. Das ermöglicht eine Die Bestimmung der Trockenbodendichte vor und nach Schnittbreite pro Pflugschar br von 0,45 m, eine Steigerung um 29%. Unter Vernachlässigung des Vorgewen- der Befahrung erfolgte mit je 5 Stechzylinderproben pro Schlupfbereich, um gesicherte Ergebnisse zu erhalten. des bedeutet das eine Zunahme der Produktivität von 12,6 ha/h bei 130 kPa Reifenluftdruck auf 16,2 ha/h ftir Dargestellt sind die Mittelwerte mit Standardabweichung den optimalen Wert von 40 kPa. Das ist gleichbedeutend mit um 22% reduziertem flächenbezogenem Kraftstoff- ftir jeden Schlupfbereich, Bild 4. Für die Mittelwerte ist eine lineare Regression angegeben. Die Produktivität kann für dieses Beispiel sehr einfach verbrauch. über die Arbeitsbreite des Pflugs bewertet werden. Gee-Clough [29] modelliert den Pflugwiderstand: Fp =np . bp . Zp. Ptr (13,3. Zp + 3,06. V2 ) (3) 1 Bei den Versuchen in der Bodenrinne ermittelte Rollwiderstandsbeiwerte (Werte aufgrund der Versuchsbedingungen in der Bodenrinne sehr hoch, unter Feldbedingungen im Durchschnitt deutlich niedriger zu erwarten): Rollwiderstandsbeiwerte Bei der für einen ftinfscharigen Pflug auf dem oben beschriebenen Boden erforderlichen Zugkraft von 30 kN 130 kPa (i = 16%) 40 kPa (i- 7,5%) Vorderräder Hinterräder 0,28 0,22 0,20 0,20 M. Rempfer 50 Dies läßt sich einerseits erklären durch die Erhöhung des sanhänger gezogen. Die Radlasten am Traktor sind dabei Wirkungsgrads der Kraftübertragung beim Pflügen an der Vorderachse je 1650 kg und an der Hinterachse je 1950 kg. Alle Reifen haben die Größe 520170 R 38. Am (4) Anhänger sind Reifen der Dimension 550/60 R 22.5 montiert, die jeweils mit 3000 kg belastet sind. um zwölf Prozentpunkte von 49% auf 61%, sowie ande- Zur rerseits durch die geringere Bodendichte. Sowohl die Traktor und Anhänger dient das von Stein er [ 19] veröf- Abschätzung der Schlupfreduzierung als auch der geringere Luftdruck fentlichte Modell: selbst haben deutlichen Einfluß auf die BodenverdichPR =8,0 tung, Bild 4, die durch die Überfahrten hervorgerufen Rollwiderstandsbeiwerte wo,16 8 6,o5 1 040 062 578 pi · D · H · +0,05 [%] für (5) wird. Während eines Jahres werden je nach Anbaufrucht zwi- Verglichen wird beim Traktor wieder das Arbeiten mit schen 72 und 91% der Anbaufläche mindestens einmal dem Allzweckluftdruck von 130 kPa und dem nach der befahren [30] . Einige Bereiche werden bis zu viermal Reifentabelle des Herstellers gewählten Wert von überrollt, die auftretenden Radlasten sind dabei unter- 160 kPa (höhere Werte flir Straßenfahrt eher günstiger, schiedlich. Als Näherung wird bei der Berechnung des aber in den Reifentabellen der Hersteller nicht enthal- Beispiels davon ausgegangen, daß das gesamte Feld mit ten). Dabei ergeben sich die in Bild 5 ersichtlichen Ver- den in der Bodenrinne verwendeten Radlasten befahren änderungen der Rollwiderstandsbeiwerte. wurde, so daß konstante Bodendichte angenommen 'f?2,5 werden kann . Neben dem Einfluß auf die Arbeitseffektivität kann auch - zumindest theoretisch unter geeigneten Bedingungen der Ertrag positiv beeinflußt werden. Von Petelkau [31] durchgeführte Untersuchungen zeigen den Einfluß der Trockenbodendichte auf das Pflanzenwachstum und den Ertrag unterschiedlicher Getreidesorten, Kartoffeln und Zuckerrüben aufverschiedenen Böden. Für das hier gewählte Beispiel können somit folgende Vorteile durch Anpassung des Luftdrucks von einem Allzweckwert auf den vom Reifenhersteller empfohlenen Luftdruck zusammengefaßt werden: • Steigerung der Produktivität um 29% und dadurch • Reduzierung des flächenbezogenen Kraftstoffverbrauchs um 22% Aufgrund äußerer Bedingungen (andere Bodenbeschaffenheit, Arbeitstiefe, Reifenzustand usw.) können sich natürlich bei den Verbesserungen Unterschiede ergeben. Unter durchschnittlichen Bodenbedingungen (mit geringeren Rollwiderständen) kommen vermutlich etwas kleinere Produktivitätssteigerungen und Kraftstoffeinsparungen heraus - hierzu sind weitere Untersuchungen vorgesehen . s::t: "Q) ~ (!) c (.) ~ § 2,3 Cf) ~ 0)2,2 .c: 12 1950 kg (Hinterrad) 1650 kg (Vorderrad) - (Rear whee~ (Front whee~ 2. 24 % ....- -2,18% a: ::::: 2,15 ~ _2,1 ./ I I / "U:i 2,25 :2 ~ 0 /I -2 ,36% / rn~ .... (lJ ./ 2,4 2,35 p,= 130 kPa ../ l-2,43% .0(.) -2 .---1 w.o,1&86,05 PR= 8,0 p?·"~D0,62H5,18 + 0,05 (%) (!) ~:§% .........- --------P.= 160 kPa - ....- V / / 14 Reifen: 16 18 20 s2ono R 38 kN 24 Radlast ( Ttre Ioad) Bild 5: Vergleich der rechnerisch ermittelten Rollwiderstandsbeiwerte nach [19] der Traktorreifen flir den Allzweckluftdruck (130 kPa) und dem auf Straßenfahrt angepaßten Wert (160 kPa). Markiert sind flir die Vorder- und Hinterräder (Last 1650 kg und 1950 kg) die zum Beispiel gehörenden Werte. Fig. 5: Camparisan between the calculated coefficients for the rolling resistance (according to [19}) of the tractor tires using the all-purpose value (I 30 kPa) and the weil adapted inflation pressure (I 60 kPa) . The marked values for the front and the rear wheels (Ioad 1650 kg and 1950 kg) belang to the example explained here. Aufgrund der höheren Radlasten und der darüber hinaus auch wesentlich kleineren Reifen fallen die rechneri- 3.2 Beispiel für Transportarbeit Auch bei Straßenfahrt ergeben sich Verbesserungen, die anhand eines Beispiels quantifiziert werden sollen. Mit dem schon für das erste Beispiel in Kapitel 3.1 zugrunde gelegten Fahrzeug werde nun ein Tandemach- schen Unterschiede beim Anhänger wesentlich größer aus, Bild 6. Die beiden Luftdrücke, die verglichen werden (200 kPa bzw. 270 kPa), liegen auch beim Anhänger nahe beieinander, sind aber die vom Hersteller angegebenen Werte. Im praktische Einsatz lassen sich wesent- Agrartechnische Forschung 4 (1998) H. I, S. 46-55 lieh höhere Luftdrücke auf der Straße fahren, um den 51 (Bild 9). Stellt man ein typisches Gespann aus Traktor Rollwiderstand weiter zu verringern. und Anhänger zusammen (z.B. 100 kW-Traktor mit Damit ergibt sich für das Gespann aus Traktor und An- einem 17 t-Anhänger), so läßt sich das Gesamtvolumen hänger eine Verringerung der Rollwiderstandsbeiwerte flir das Gespann ermitteln. Dieses dient als Dimensionie- um rund l 0%, was einem ebenfalls um näherungsweise rungsgrundlage flir die RDV A. I 0% reduzierten Treibstoffverbrauch entspricht. 'g5.4 t -~ Q) -~ 5,24% ·- 0Q) r----- :;:; :t: % Q) .0(.) (/) Q) c c: "C (.) 5,0 21C1l ..... (/) Q; p, = 200 kPa l---- ~ 1 -- I w o.usa6,05 PR;:: a,o p~··~oo·82H6.1a + o,os -~ 4,8 "CC/) ·- ~ ~Ol 4,65% a:=:::0 l---- 0 c: 4,6 ~4,4 24 ......- v- f--" 26 3000 kg I I 28 30 -- (%) L- -I p,= 2T kPa 0 I Reifen: 550/60 R 22,5 32 34 kN L_~ 20 Bild 6: Rollwiderstandsbeiwerte flir Anhängerreifen. Erläuterungen siehe Bild 5. Fig. 6: Coefficient of rolling resistance of trailer tires. Explanation Fig. 5. 60 80 100 120 140 160 kW 200 Motornennleistung (Rated engine power) 38 Radlast ( Tire Ioad) _ __ L_ _J __ _L-~---L--~--~~ 40 Bild 8: Gesamtreifenvolumina von Allrad-Traktoren mit Standardbereifung bezogen auf die Motornennleistung. Fig 8: Totaltire volumes of 4WD tractors with standard tires related to the rated engine power. o • Güllewagen dm 3 o • Ladewagen -1---t----t----±:?~+-"'cr-j c I:J. "' • Q.) _ 4 Anforderungen an zentrale Reifenluftdruckverstellanlagen (RDV A) Kipper ~ E10oo 0~ E: ~ 800 Um die durch stets angepaßten Reifenluftdruck auftre- ~ tenden erheblichen Vorteile beim Energieverbrauch und ~ ~ 400~--+~~~~~t--~r---t--~ bei der Bodenschonung voll nutzten zu können, wird der Q) ~ ~ 600~--+~~~~~+t.~~~--t--~ . (/)~ w~ Einsatz von zentralen Reifenluftdruckverstellanlagen empfohlen. Bild 7 zeigt beispielhaft ein Gesamtsystem. <!J 200 I----".:~IIBI. .l.f---+-----11-- 27 Firmen 344 Anhänger OL-~~--_J----~---L----~--~ 0 5 10 15 20 t 30 zul. Gesamtgewicht Anhänger (Total maximum weight trailer) Bild 7: Aufbau einer Reifenluftdruckverstellanlage (RDV A) an Traktor und Anhänger. Fig. 7: Setup of a central tire injlation system (CTJS) for a tractor and a trailer. Bild 9: Gesamtreifenvolumina von verschiedenen landwirtschaftlichen Anhängern bezogen auf das zulässige Gesamtgewicht. Fig. 9: Total tire volumes of different agricultural trailers related to the total maximum weight. Befragungen sowie eigene Untersuchungen [33, 34] zeigen, daß die Beflillzeiten kurz gehalten werden müs- Die Auswertung der in der dlz [32] veröffentlichten sen (empfohlen werden zwei bis vier Minuten pro technischen Daten von Traktoren bildet die Basis für I 00 kPa Reifendruckanhebung im Gespann), um solche Bild 8 und Bild 9. Als Dimensionierungsgrundlage flir RDVA wurde für Standardtraktoren mit Allradantrieb das gesamte Reifenvolumen bezogen auf die Motornennleistung ermittelt (Bild 8). Für landwirtschaftliche Anhänger verschiedener Bauarten ist das Gesamtreifenvolumen über dem zulässigen Gesamtgewicht dargestellt Anlagen für den praktischen Einsatz als tauglich bezeichnen zu können. Das führt mit den ermittelten Volumina zu den in Bild 10 dargestellten erforderlichen Luft-Volumenströmen der Versorgung am Fahrzeug (bezogen auf Umgebungsdruck). 52 E M. Rempfer ~1250 eo 1i5 =+::: dm Druckluftbehälter können . den Kompressor entlasten f!.p 1 = 100 kPa I 3 C·~ Q) ra min I (5 Cl) .3 cn 500 Cl) O)Q) V ~ ~250 V_......... ........... am Traktor eine wichtige Rolle. Außerdem ist zu be- // / V --- _..,......... ~ achten, daß das Druckniveau in den Behältern und deren ~t=6min- / V chen. Jedoch spielt auch hier das Platzproblem vor allem V !J.t=4min / / V bzw. den Einsatz eines kleineren Aggregats ermögli- V V -5 .s 750 6 V M=2min E:J ~ I / V werden müssen. Bei den sehr großen Volumina der Reifen (l 00 kW-Traktor mit Anhänger ca. 2500 dm 3 ) wäre cn o ~ S?, Volumen auf Kompressor und Reifenvolumen angepaßt ein sehr hohes Druckniveau in den Tanks und damit 0 20 40 60 BO 100 120 140 160 kW 200 Traktornennleistung (Rated engine power) auch ftir den Kompressor notwendig, um eine spürbare Verkürzung der Befüllzeiten bei vertretbarem Platzbedarf zu erhalten. Bild I 0: Erforderliche Luftvolumenströme ftir vorgegebene Verstellzeiten (von 50 kPa auf 150 kPa) über der Traktornennleistung. Fig. I 0: Air jlow demand for given periods of adjustment (from 50 kPa to /50 kPa) related to the rated tractor engine power. Die Verbindung der RDVA mit dem Pneumatiksystem des Traktors ist möglich, wenn die Bremse mit Priorität versorgt wird. Der Einsatz des Serienkompressors allein ist dagegen normalerweise nicht ausreichend. Jedoch ermöglicht das Koppeln die Nutzung der Bremsvorratsbehälter (teilweise) und außerdem eine komfortable 3 Ein Vergleich dieser Forderungen (z.B. 1000 dm /min. Verbindung zum Anhänger über die Bremsleitungen, die Normvolumenstrom bei einem 100 kW-Traktor) mit dafür evtl. im Querschnitt angepaßt werden sollten. bereits vor allem aus der Militärtechnik bekannten Anla- Am Traktor sind zum Antrieb des Kompressors vier gen zeigt, daß für Traktoren nur begrenzt auf fertige Energieschnittstellen vorhanden: Direkt am Motor, am Lösungen zurückgegriffen werden kann [33] . Die An- Getriebe (Zapfwellenstrang als "verlängerte Kurbelwel- forderungen an die Beftillzeiten, aber auch die Entleer- le"), elektrisch oder hydraulisch. Die Bewertung der geschwindigkeiten, sind im Bereich der Landtechnik Alternativen findet sich in Tabelle 1. wesentlich höher. Tabelle 1: Antriebsmöglichkeiten für den Kompressor einerRDVA Table J· Alternativedrives for the compressor of a CTIS 5 Technische Umsetzungsmöglichkeiten Kompressorantrieb Motor Getriebe Hydraulik Elektrik Leistungsfahigkeit des Bordnetzes ++ ++ ++ - und konstruktiven Umsetzung von Reifendruckverstellanlagen angesprochen und mögliche Lösungswege auf- Freizügigkeit der - - ++ ++ gezeigt. Anordnung - + + - - - ++ ++ ++ ++ ++ ++ -- Im folgenden werden Teilprobleme der konzeptionellen Unterbringun g I 5.1 Druckluftversorgung Die Druckluftversorgung spielt die zentrale Rolle, wie schon aus den gestellten Anforderungen deutlich wird. Bauraum Regei-ISteuerbarkeit Normteile I Bauaufwand Erforderlich ist ein Kompressor mit hohem Durchsatz Wirkungsgrad ++ ++ - bei Drücken bis ca. 500 kPa, um auch Anhängerreifen Kosten ++ + - befüllen zu können . Dabei muß meist aus Platzgründen am Traktor ein Verdichter mit geringerem Hubvolumen Der Leistungsbedarf des Kompressors liegt bei etwa (Baugröße!) und dafür hoher Betriebsdrehzahl gewählt I 0 kW. Damit ist das elektrische Bordnetz überfordert werden. Die schlechteren Wirkungsgrade treten dabei und scheidet aus . Aus Platzgründen wird bei den meisten aufgrund geringer Einschaltzeiten in den Hintergrund. Fahrzeugen auch der Antrieb mittels Keil- oder Zahn- Zum Schutz vor Korrosion und Einfrieren der Ventile riemen am Motor nicht möglich sein, da im Motorbe- sollte in der Anlage ein Lufttrockner vorgesehen werden. reich erfahrungsgemäß kein Bauraum zur Verfügung Um den Lufttrockner und die Reifen zu schützen, muß steht. Demnach empfiehlt sich ein hydraulischer Antrieb. die verdichtete Luft (Lufttemperaturen über 200 °C) Dieser bietet zusätzlich die Möglichkeit, über einen zwischen Kompressor und Trockner gekühlt werden . Agrartechnische Forschung 4 (1998) H. I, S. 46-55 weiten Bereich der Motordrehzahl den Kompressor bei seiner Nenndrehzahl einzusetzen. Damit verringern sich die Beflillzeiten zusätzlich. Die zweite praktikable Möglichkeit ist der Antrieb mittels Zahnradstufe bei hinten liegender Zapfwellenkupplung an der "verlängerten Kurbelwelle", z.B. im Bereich der Load-Sensing-Pumpe. 5.2 Pneumatische Schaltungen Zu den pneumatischen Schaltungsmöglichkeiten von RDV A existiert eine Vielzahl von Patenten. Eine Analyse dieser Unterlagen zeigt jedoch [35], daß sich nahezu alle Anlagen auf drei Grundtypen zurückführen lassen: werte durch den Fahrer. Dazu ist erforderlich, daß er die Radlasten in etwa kennt und daß die für die Lasten und die jeweiligen Geschwindigkeiten erforderlichen Drücke aus der vom Reifenhersteller empfohlenen Tabelle vorliegen. Damit spielt der Fahrer die zentrale Rolle im Regelkreis der RDV A. Will man den Bediener entlasten, ohne zu hohe Ansprüche an die erforderliche Sensorik zu stellen, bietet sich ein System an, bei dem der Fahrer mittels der Bedieneinheit einige Betriebsparameter vorwählen kann, Bild 12. ~~ Vorder- · h Hmter- • Einleitungsanlagen ohne Reifensteuerventil Diese einfachste Ausführung bedeutet, daß die Drehdurchführungen vom Chassis zum Reifen permanent druckbeaufschlagt sind. Zur Messung des Reifenluftdrucks muß der Befüll- bzw. Entleervorgang unterbrochen werden, um die Einflüsse des Staudrucks auszuschalten. Zur Entleerung wird die zwischen Reifeninnendruck und Umgebung bestehende Druckdifferenz genutzt. • Einleitungsanlagen mit Reifensteuerventil, Bild 11 Die verwendeten Drehdurchführungen werden drucklos gehalten, indem zwischen Reifen und Drehdurchführung ein Ventil geschaltet wird, das erst ab einem bestimmten Systemdruck öffnet. Das bedeutet für die Entleerung, daß sich die wirksame Druckdifferenz aus dem Reifeninnendruck und dem Öffnungsdruck des Reifensteuerventils ergibt. Damit steigt bei gleichen Querschnitten die Entleerzeit an . Zur Messung des Reifenluftdrucks ist eine " langsame Beflillung" einzuleiten, um das Reifensteuerventiloffen zu halten. Auch bei dieser Variante ist also nur absätziges Befüllen und Entleeren möglich. • Mehrleitungsanlagen mit elektrischen oder pneumatischen Steuerleitungen, Bild II Der größere Aufwand bei der Übertragung der Druckluft vom Chassis zum Rad ermöglicht die Kombination der Vorteile der beiden vorgenannten Systeme, indem das Reifensteuerventil elektrisch oder pneumatisch vorgesteuert ausgeführt wird. Zur kontinuierlichen Messung des Reifendrucks bietet sich eine elektrische Leitung an. 5.3 Steuerung Die Steuerungen von RDV A können in drei Komplexitätsstufen eingeteilt werden. Die unterste steht für die direkte Eingabe und Überwachung der Reifendrucksoll- 53 1- - - -1 (7ro~~ {~;~: : axfe) .... + axfe) ( traifer) ! Vorder- (l . Anhanger {~~~ ~~~=~axle) 1 rrai/et) (rear axle) Ventil e 3 4 3 4 Ruhestellung M 0 Ruhestellung M 0 0 Befüllen + I Befüllen + I 0 Messen M I Messen M I 0 Entleeren - I Entleeren M 0 I Ventil L06627 CLTM Anhänger Bild 11: Zwei mögliche pneumatische Schaltungen für eine RDVA: Vorder- und Hinterachse identisch; das Schnellentlüftungsventil in der Einleitungsanlage (links) verkürzt die Entleerzeiten. Zweileitungsanlage (rechts): Permanente Messung des Reifenluftdrucks in jedem Rad einzeln. Damit besteht die Möglichkeit, den Reifenluftdruck sehr speziell anzugleichen (Furchenrad beim Pflügen) und auf Reifenschäden ("schleichender Plattfuß") zu reagieren. Fig. 11 : Two possible pneumatic systems for a CTJS: Front and rear axle identical; the fast-evacuation-valve in the single-pipe system (left) reduces the evacuation time. Two-pipe-system (right) : permanent measurement ofthe injlation pressure in each tire. 1t is thus possible to adapt injlation pressure very specifically during plowing or in case oftire damage. 54 M. Rempfer 0 ~)J 14 Ostandard 500 20 8-0-00-,Md <100 750 1000 rA <150-B-3000 2000/ VJLoader 0 Pflege Reifen (Tires) 0 0 Hecklast (Rear Load) Frontlast (Front Load) Geschwindigkeit (Speed) 1500 On Off RDVA (CT/S) Fig 12: Contra! unit of a partly automated CTIS Bild 12: Bedieneinheit einer teilautomatisierten RDVA In gut schätzbaren Stufen wird die Fahrgeschwindigkeit Kohäsionsmodul (modulus of cohesion) (z.B. 8 km/h während der Bodenbearbeitung), der Frontballast sowie der Heckballast eingestellt. Eine Elektronik Pflugwiderstandskraft (plow resistance) ermittelt daraus abhängig von der eingestellten Bereifung den notwendigen Reifendruck, steuert die Beftillung und Entleerung der Reifen und übernimmt die Reifendurchmesser (diameter oftire) maximale Scherkraft (maximum shear force) Erdbeschleunigung (acceleration due to gravity) g H Karkassenhöhe des Reifens (height of Iire Überwachung der Anlage. Eine noch höhere Stufe der Automatisierung stellt ein carcass) System dar, das mit Hilfe geeigneter Sensoren die Rad- (cohes ive modulus of soil deformation) lasten, die Drücke in den Reifen, die Fahrgeschwindig- Modul der Reibung bei der Bodenverformung keit, ggf. den Schlupf und die Art der Fahrbahn ermittelt, um dann selbständig die erforderlichen Korrekturen am Reifendruck vorzunehmen. Damit wäre der Fahrer Modul der Kohäsion bei der Bodenverformung n von diesen Aufgaben gänzlich entlastet und könnte sich np pg den eigentlichen Tätigkeiten der Prozeßüberwachung P; widmen. (jrictional modulus ofsoil deformation) Exponent der Bodenverformung (exponent of soil deformation) Anzahl der Pflugkörper (number ofplow bodies) Kontaktflächendruck (ground pressure) Reifeninnendruck (Iire injlation pressure) Arbeitsgeschwindigkeit (working speed) Radlast (tire Ioad) V wt 6 Zusammenfassung WPi t,N Der Reifeninnendruck hat auf die Leistungsfähigkeit von Radfahrzeugen erheblichen Einfluß. Traktoren (rated Ioad at Pi and at max. speed of 10 km/h according to manufacturer specifications) relativer Ertrag (relative yield) Einsinkung eines Reifens (Iire sinkage) Arbeitstiefe des Pflugs (working depth of the plow) Winkel der inneren Reibung (angle of internal shear resistance) optimale Lagerungsdichte (optimal soil bulk density) Rollwiderstandsbeiwert (coefficient of rolling resistance) und Landmaschinen müssen unter häufig wechselnden Betriebsbedingungen wirtschaftlich arbeiten. Deshalb ist es sinnvoll, das Potential, das moderne AS-Radialreifen bieten, durch die stets optimale Anpassung des Reifenluftdrucks zu nutzen. Die bei der Produktivität und beim Energieverbrauch erzielbaren Vorteile, die in zwei Beispielen berechnet werden, rechtfertigen nach Meinung des Autoren den Aufwand, der ftir eine zentrale Reifendruckverstellanlage notwendig ist. Grundlegende Überlegungen zu den Anforderungen und zur technischen Umsetzung werden vorgestellt. Ptr Trockenbodendichte des bearbeiteten Bodens (soil bulk density) (J Formelzeichen Nennlast bei Reifeninnedruck P; und 10 km/h max. Fahrgeschwindigkeit lt. Herstellerangaben Standardabweichung (standard diviation) Normalspannung (vertical stress) Kontaktfläche (contact area) maximale B Reifenbreite (tire width) stress) BP Arbeitsbreite pro Pflugkörper (working width A per plow body) Scherspannung (maximum Reifenauslastung (specific tire utilization) shear Agrartechnische Forschung 4 (1998) H. 1, S. 46-55 Literatur Bücher mit • gekennzeichnet [I] • Renius, K.Th.: Traktoren. In: Jahrbuch Agrartechnik 9 (1997) S. 51-56u. 277-278 [2] Schwanghart, H. und R. Hedderich: Reifenluftdruckverstellanlagen. Landtechnik 47 (1992) Nr. 7/8, S. 341-344 [3] Rempter. M. und H. Schwanghart Economic and Ecolooical Benetits of Centrat Tire Inflation Systems on Agricultural Vehi~les. AgEng ' 96 International Conterence, Madrid 23.-26.11.1996, Proceed. Vol. I, S. 146-147, auch Paper A96-068 55 [19] Steiner, M. and W. Söhne: Berechnung der Tragfähigkeit von Ackerschlepperreifen sowie des Kontaktflächenmitteldruckes und des Rollwiderstandes auf starrer Fahrbahn. 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