Influence of Tire-Individual Traction Parameters on the Chassis Efficiency of a Standard Tractor
Achieving traction for soil cultivation is one of the central tasks of a tractor. Independent of the general drivetrain concept of the machine, the chassis efficiency contributes decisively to the energy-efficient use of a tractor. The tires play a major role as interface between drivetrain and soil. Even in a drivetrain designed to be systemically efficient, e.g. by using differential locks and all-wheel drive, the tractive efficiency of each tire has an outstanding influence on chassis efficiency. The optimum tractive efficiency of a tire depends on the soil surface. The efficiency can be optimized via traction coefficient and tire capacity. The traction coefficient describes the ratio of the tractive force to the vertical tire load. The tire capacity, better described as tire-load factor, gives the ratio of the effective contact force to the maximum permissible contact force of the tire, which depends on the tire inflation pressure. The contact forces of a tractor's tires result from the principles of mechanics. The tractive forces are influenced by the soil as well as the power distribution in the drivetrain. The traction coefficient is, thus, dependent on external conditions such as slope and soil type. The application of the tractor, e.g. plowing in the furrow, can result in different efficiency optimums for each individual tire. In order to always achieve the ideal chassis efficiency, the optimum operating points on the tire-individual efficiency characteristics must be found. This thesis investigates several influences of drivetrain and tire settings on chassis efficiency. For this purpose, a simulation model of the drivetrain of a standard tractor is built, which uses an empirical traction model known from the literature to describe the tire-soil contact. Based on the findings in published studies, the traction model is adapted for the model parameters motion resistance and multi-pass effect. In order to model the front-axle lead, the tire deflection as a function of tire load, tire inflation pressure and soil surface is specified. From the results of the simulation model, recommended settings for drivetrain and tires are derived to achieve the optimum chassis efficiency. Field measurements are executed to verify selected recommendations. For this purpose a standard tractor is equipped with wheel force and torque sensors on all four tires to determine the tire-soil mappings of each wheel. On the basis of the simulation results, two tire-dependent optimization potentials for chassis efficiency are identified: adjusted tire inflation pressures and utilization of the multi-pass effect. Furthermore, the established optimization measures are verified, namely locked differentials, small front-axle lead, the adjustment of the vehicle weight to the soil type, and a good axle-load distribution. In the measurements the optimization effect resulting from lowered tire inflation pressures is significantly smaller than in the simulation. By contrast, the correct adjustments of vehicle weight and axle-load distribution lead to greater improvements in chassis efficiency in the measurements. When plowing in the furrow, significantly different tire-soil mappings are determined for the furrow and topsoil tires. As the traction coefficient increases, the higher tractive efficiency shifts from the topsoil tire to the furrow tire.
Die Zugkrafterzeugung für die Bodenbearbeitung ist eine der zentralen Aufgaben eines Traktors. Unabhängig vom generellen Antriebskonzept der Maschine leistet der Fahrwerkwirkungsgrad einen maßgeblichen Beitrag zum energieeffizienten Einsatz eines Traktors. Die Reifen nehmen dabei eine Schlüsselrolle als Schnittstelle zwischen Antriebsstrang und Boden ein. Selbst in einem systemisch effizient ausgelegten Fahrwerksantriebsstrang beeinflusst der Traktionswirkungsgrad des einzelnen Reifens den Fahrwerkwirkungsgrad in besonderem Maße. Das Optimum des Traktionswirkungsgrades des Reifens ist abhängig vom Untergrund. Dieser Wirkungsgrad kann über den Traktionskoeffizienten und die Reifenauslastung optimiert werden. Der Traktionskoeffizient beschreibt das Verhältnis von Zugkraft zu Aufstandskraft. Die Reifenauslastung ist das Verhältnis von wirkender Radaufstandskraft zur maximal zulässigen Radaufstandskraft, die vom Reifeninnendruck abhängig ist. Die Radaufstandskräfte eines Traktors resultieren aus den Gesetzmäßigkeiten der Mechanik. Die Zugkräfte werden sowohl durch die Leistungsaufteilung im Antriebsstrang als auch durch den Untergrund beeinflusst. Der Traktionskoeffizient ist somit von äußeren Gegebenheiten, wie Steigungen und Bodentyp, abhängig. Aus der Anwendung des Traktors, wie beispielsweise Pflügen in der Furche, können sich reifenindividuell unterschiedliche Wirkungsgradoptima ergeben. Um immer den effizientesten Fahrwerkwirkungsgrad zu erreichen, müssen die optimalen Betriebspunkte auf den reifenindividuellen Wirkungsgradkennlinien gefunden werden. In dieser Arbeit werden Einflüsse von Antriebsstrang- und Reifeneinstellungen auf den Fahrwerkwirkungsgrad untersucht. Dazu wird ein Simulationsmodell für den Antriebsstrang eines Standardtraktors aufgebaut. Den Rad-Boden-Kontakt beschreibt ein literaturbekanntes empirisches Traktionsmodell, welches für die Modellparameter Rollwiderstand und Multi-Pass-Effekt auf Basis bestehender Untersuchungen angepasst wird. Zur Abbildung des Vorlaufs wird die Reifeneinfederung in Abhängigkeit von Radlast, Reifeninnendruck und Untergrund beschrieben. Mithilfe des Simulationsmodells werden Einstellungsempfehlungen für Antriebsstrang und Reifen zum Erreichen des optimalen Fahrwerkwirkungsgrades erarbeitet. Ausgewählte Empfehlungen werden in Feldmessungen überprüft. Dazu wird ein Standardtraktor an allen Rädern mit Kraft- und Drehmomentsensorik ausgestattet, die eine Ermittlung des Reifenkennfeldes an jedem Rad ermöglicht. Aus den Simulationsergebnissen werden zwei reifenabhängige Optimierungspotenziale für den Fahrwerkwirkungsgrad ermittelt: angepasste Reifeninnendrücke und die Ausnutzung des Multi-Pass-Effekts. Weiterhin werden bekannte Optimierungsmaßnahmen, wie das Schließen von Differenzialsperren, geringer Vorlauf, bodentypabhängiges Fahrzeuggewicht und eine gute Achslastverteilung, bestätigt. In den Messungen fällt das Optimierungspotenzial durch abgesenkte Reifeninnendrücke deutlich geringer aus als in der Simulation. Die richtigen Einstellungen von Fahrzeuggewicht und Achslastverteilung zeigen hingegen in den Messungen stärkere Verbesserungen des Fahrwerkwirkungsgrads. Beim Pflügen in der Furche werden deutlich unterschiedliche Reifenkennfelder für das Furchen- und das Landrad ermittelt. Mit steigendem Traktionskoeffizienten wechselt der höhere Traktionswirkungsgrad vom Landrad zum Furchenrad.
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