1 Einleitung
2 Die Bearbeitungssysteme
2.1 Charakterisierung der Bearbeitungssysteme
2.1.1 Pflug-Drill-Saat (PKD)
2.1.2 Fräs-Sohlen-Saat (FSS)
2.1.3 Mulchsaat mit und ohne Saatbettbereitung und Direktsaat
2.1.4 Dauerkulturen
3.1 Dynamischer Druck über die Tiefe
3.2 Druckverteilung in der Kontaktfläche
3.2.1 Messen auf fester Fahrbahn
3.2.2 Messen im natürlichen Boden
3.3 Infiltration und Versickerung
3.4 Oberflächenabfluß
4 Ergebnisse
4.1 Vergleich unterschiedlicher Fahrwerkstypen
4.1.1 Untersuchungsgegenstand
4.1.2 Standortbeschreibung
4.1.3 Aufstandsgeometrie
4.1.4 Dynamischer Bodendruck
4.1.5 Porenvolumen
4.1.6 Versickerung
4.1.7 Druckquerverteilung
4.1.8 Einfluß des Stollens auf die Meßwerte
4.1.9 Fazit
4.2 Unterschiedliche Bereifungen in Reihenkulturen
4.2.1 Untersuchungsgegenstand
4.2.2 Standortbeschreibung
4.2.3 Porenvolumen und Wasserleitfähigkeit
4.2.4 Versickerung
4.2.5 Abflußmessung
4.2.6 Fazit
4.3 Abfluß auf den Bearbeitungsvarianten
4.3.1 Zuckerrübenanbau
4.3.2 Getreideanbau
4.4 Modellmeßsystem für nachgiebige Fahrbahnen
4.4.1 Modellmeßsystem
4.4.2 Druckverteilung
4.4.3 Fazit
5 Zusammenfassung
Grafiken
Abb. 1: Einfluß der Bearbeitungsintensität auf verfahrenstechnische
Kriterien und das Ökosystem Boden
Abb. 2: Bodenbearbeitung des SFB 192
Abb. 3: Bodendruckmessung
Abb. 4: Optoelektronische Messung der Druckquerverteilung auf fester
Fahrbahn
Abb. 5: Direkte Messung der Druckquerverteilung auf fester Fahrbahn
Abb. 6: Druckquerverteilung bei unterschiedlicher Sondenlage auf
natürlichem Boden
Abb. 7: Messung der Versickerung
Abb. 8: Abflußmessung
Abb. 9: Schematische Darstellung der Fahrwerke
Abb. 10: Eindringwiderstand auf festem und lockerem Boden
Abb. 11: Druckverlauf unter der Doppelachse und der Halbraupe (Meßtiefe
10 cm)
Abb. 12: Bodendruck unter verschiedenen Fahrwerken auf lockerem und festem
Boden
(Tiefe10cm)
Abb. 13: Porenvolumen in Abhängigkeit vom Druck aller Fahrwerke auf
lockerem Boden (Tiefe 10 cm)
Abb. 14: Versickerungszeit auf lockerem Boden (n=10)
Abb. 15: Druckverteilung unter dem Terra-Reifen (halbe Spurbreite)
Abb. 16: Bodendruck unter und zwischen den Stollen
Abb. 17: Unterschiedliche Reifenbreiten in Reihenkulturen
Abb. 18: Eindringwiderstand
Abb. 19: Niederschlagsverteilung der Region Lommatzsch
Abb. 20: Versickerung unter verschiedenen Reifen (n=10)
Abb. 21: Abfluß über den Vegetationsverlauf bei unterschiedlichen
Reifen
Abb. 22: Abfluß auf unterschiedlichen Bearbeitungsvarianten
Abb. 23: Abflußverhalten einer PKD- und FSS-Variante, Hangneigung 7%
Abb. 24: Druckverteilung auf fester und nachgiebiger Fahrbahn
Abb. 25: Aufbau des Modellmeßsystems
Abb. 26: Vergleichsmessung
Abb. 27: Kennlinie des Reifens 550/60-22.5 (dmt)
Tabellen
Tab.1: Fahrwerksparameter
Tab. 2: Aufstandsflächen auf festem und lockerem Boden
Tab. 3: Variationskoeffizient der Druckquerverteilung
Tab. 4: Reifen und deren Betriebsparameter
Tab. 5: Kennwerte der Bodenoberfläche bei verschiedenen Reifen
Tab. 6: Abflußverhalten in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad bei 7%
Hangneigung
1 Einleitung
Zur bodenschonenden Bereifung laufen seit mehreren Jahren Untersuchungen,
zunächst mit Blick auf den Schlepper. Der Reifen als Bindeglied zwischen
Fahrzeug und Fahrbahn hat die Aufgabe, sämtliche im Fahrbetrieb
auftretenden Kräfte und Momente zu übertragen. Besonders die
wachsenden Transportgeschwindigkeiten in der Landwirtschaft können zu
starken Schwingungen am Fahrzeug führen und problematische
Fahrzustände hervorrufen. Dazu liegen betreits umfangreiche Untersuchungen
vor.
Angesichts steigender Gesamtmassen richteten sich die Untersuchungen
verstärkt auf Reifen von Anhängern sowie Arbeitsmaschinen:
Insbesondere wurden Belastung, Beanspruchung und Verdichtung von Böden
untersucht, in Verbindung mit anderen Disziplinen auch die Auswirkung auf
Bodengefüge und Ertrag, denn Boden und Pfanze reagieren je nach Zustand
spezifisch.
Um der Bodenverdichtung entgegenzuwirken, wurde eine Reihe von technischen
Lösungen entwickelt. Alle Lösungsansätze verfolgen das Ziel, die
Last auf eine möglichst große Aufstandsfläche zu verteilen.
Neben einer Verbreiterung der Aufstandsfläche, wie am Beispiel von Breit-
und Terrareifen, besteht die Möglichkeit, jene zu verlängern. Ein
Beispiel hierfür bieten Doppelachsen und Bandlaufwerke.
Gerade große Aufstandsflächen lassen Unterschiede in der
Druckwirkung erkennen. Das Ergebnis wird als Penetrometerwiderstand über
die Aufstandsfläche dargestellt, mit deutlichen Unterschieden für
vielfältige und neuartige Lauf- und Fahrwerks-Variationen.
Ableitend aus den ersten Erfahrungen und Messungen erscheint es sinnvoll, das
Zusammenspiel von Reifen und oberflächennahem Bereich systematisch zu
untersuchen - angepaßt an das Anbausystem des Sonderforschungsbereiches
192.
Im Sinne der speziellen Thematik liegen Überlegungen zur Modellierung
nahe. Für den nachgiebigen Reifen auf fester Fahrbahn haben sie eine lange
Tradition aus dem Anwendungsgebiet des Straßenverkehrs. Die Modellierung
soll jedoch nun auf die nachgiebige Fahrbahn übertragen werden, wo eine
beidseitige Verformung auftritt.
2 Die Bearbeitungssysteme
2.1 Charakterisierung der Bearbeitungssysteme
Die jährlich durchgeführte Bodenbearbeitung ist ein mechanischer
Eingriff in das komplexe System Boden. Zu deren wichtigsten Aufgabe zählt,
die Ansprüche der Kulturpflanzen an den physikalischen Bodenzustand zu
erfüllen sowie die Bekämpfung von Unkraut und die Einmischung
organischer Sustanz. Ein häufiger und intensiver mechanischer Eingriff in
den Boden und zusätzliche Befahrungen können zu Bodenverdichtung und
Erosion führen.
Die Verringerung der Bearbeitungsintensität wirkt sich sehr komplex auf
die vielfältigen Bodenfunktionen aus.
Abb. 1: Einfluß der Bearbeitungsintensität auf verfahrenstechnische
Kriterien und das Ökosystem Boden
Ebenfalls verringert sich mit abnehmender Bearbeitungsintensität der
überrollte Flächenanteil des Ackers.
Die Bearbeitungsverfahren lassen sich in drei Gruppen einteilen:
- konventionelle Bodenbearbeitung
- konservierende Bodenbearbeitung
- Direktsaat
Ziele einer reduzierten Bodenbearbeitung sind:
- Verminderung der Bodenerosion
- Minimierung von Schadverdichtungen durch eine Reduzierung der üblichen
- Überlockerung des Bodens
- Verbesserung der Tragfähigkeit
- Schaffung eines Porensystems mit hoher Kontinuität
Damit sind unterschiedliche Auswirkungen auf die Befahrbarkeit zu erwarten: im
Hinblick auf Rollwiderstand, Zugkraft und Kontaktflächendruck.
Der Sonderforschungsbereich der Universität Kiel beschäftigt sich mit
den komplexen pflanzenbaulichen und bodenkundlichen Zusammenhängen der
beiden Bearbeitungssysteme Pflug-Drill-Saat (PKD) und Fräs-Sohlen-Saat
(FSS).
Abb. 2: Bodenbearbeitung des SFB 192
Beide Bearbeitungssysteme unterscheiden sich in der Bearbeitungsintensität
und in der Anzahl der einzelnen Bearbeitungsgänge. Darüber hinaus
sind weitere Bearbeitungsvarianten einbezogen, um die Wechselwirkung mit
Fahrwerken über ein breites Spektrum zu untersuchen.
2.1.1 Pflug-Drill-Saat (PKD)
Das wesentliche Kennzeichen der Pflug-Drill-Saat ist die jährliche
Lockerung der Krume mit dem Pflug. Der Pflug räumt die Oberfläche von
Ernterückständen frei und mischt diese in die Krume ein. Eine
nachlaufende Packerwalze rückverfestigt den überlockerten Boden. In
der folgenden Sekundärbearbeitung wird in einem Arbeitsgang die oberste
Bodenschicht mit der Kreiselegge eingeebnet und gelockert. Sodann folgt die
Saatgutablage in der kulturspezifischen Tiefe. Eine Rückverfestigung mit
einer nachlaufenden Packerwalze sorgt für den gewünschten
Bodenschluß mit dem Saatgut.
2.1.2 Fräs-Sohlen-Saat (FSS)
Die Fräs-Sohlen-Saat läßt sich der konservierenden
Bodenbearbeitung ohne Pflug zuordnen. Ziel ist es, die Intensität nach
Art, Tiefe und Häufigkeit des mechanischen Eingriffs zu reduzieren und
somit ein stabiles, tragfähiges Bodengefüge zu schaffen.
Mit der Fräse wird der Boden im hohen Bogen geworfen. Die Säschiene
legt auf dem feuchten Fräshorizont das Saatgut ab. Anschließend
bedeckt der abfallende Erdstrom, ein Gemisch aus Boden und Stroh, das Saatgut.
Der Boden wird bei diesem Verfahren nur bis zur spezifischen Saattiefe
gelockert.
Auf beiden Varianten wird die Stoppelbearbeitung in gleicher Weise mit einer
Spatenrollegge in zwei Arbeitsgängen durchgeführt.
2.1.3 Mulchsaat mit und ohne Saatbettbereitung und Direktsaat
Die Mulchsaat bedeutet, daß der Boden abgesetzt ist, und organische
Substanz an der Oberfläche liegt. Darauf kann ein spezielles
Sägerät arbeiten. Zur Mulchsaat mit Saatbettbereitung lockern
nichtwendende Geräte die Krume schonend. Zwischen-fruchtreste, Stroh- und
Stoppelrückstände werden mit aktiven Werkzeugen flach eingemulcht.
Die Direktsaat ist ein Bestellverfahren ohne jegliche vorgelagerte
Bodenbearbeitung. Das Stengelmaterial der Vorfrüchte verbleibt
ungestört an der Oberfläche. Es wird nur in der Saatzeile durch das
Sägerät beeinträchtigt.
2.1.4 Dauerkulturen
Flächen mit Dauerkulturen erfahren über eine längere Zeit
keinerlei Bodenbearbeitung. Erntereste und organische Substanz verbleiben ohne
Einarbeitung an der Oberfläche.
Das Fahrwerk übt über die Kontaktfläche die verschiedenartigen
Effekte auf den Boden aus, wie sie in den vorangegangenen Kapiteln dargestellt
sind. Somit gilt es nun, den Druck in der Aufstandsfläche direkt und
dessen Auswirkung auf den Boden als sekundäre Folge zu messen.
Dazu sind die Meßprinzipien und -verfahren zu diskutieren.
3.1 Dynamischer Druck über die Tiefe
Der aus Radlast und Aufstandsfläche resultierende Druck wirkt in die
Tiefe.
In den hier dargestellten Versuchen wird mit einer hydraulischen Sonde
gearbeitet. Sie besteht aus einem 1000 mm langen Metallrohr, auf dessen einem
Ende ein 130 mm langer Silikonschlauch, der Sensor, aufgeklebt ist. Er hat
einen Durchmesser von 16 mm und eine Wandstärke von 1 mm. Das zweite Ende
ist mit einer Metallspitze verklebt. Die Sonde kann so störungsfrei in den
Boden eingebaut werden.
Ein Bajonettverschluß verbindet die Schlauchsonde mit dem elektronischen
Druckaufnehmer. Das gesamte System ist luftfrei mit Wasser gefüllt. Die
Wassersäule im Meßsystem überträgt den gemessenen Druck
auf den Aufnehmer. Der Meßbereich des Druckaufnehmers liegt im Bereich
von 0 bis 5 bar.
Abb. 3: Bodendruckmessung
Im Boden ist der senkrecht wirkende Druck meist höher als der in alle
anderen Richtungen verlaufende.
In der Schlauchsonde besteht ein hydraulischer Zustand. Aus der Tatsache
heraus, daß Wasser inkompressibel ist, wirkt in alle Richtungen der
gleiche Druck. Der auf den Sensor wirkende Druck breitet sich somit
gleichmäßig aus. Ist an einer Stelle des Sensors die Kraft, welche
der Boden dem Sensor entgegensetzt, geringer, gibt der Boden nach. Der Sensor
verformt sich. Die Verformung ist vom wirkenden Vertikaldruck und der
Bodenfestigkeit abhängig.
Die gemessenen Drücke wären dem tatsächlich wirkenden Druck am
nächsten, wenn der Sensor, hinsichtlich der Verformbarkeit und der
Steifigkeit, der Festigkeit des Bodens entspräche. Es wird somit nur die
komplexe Beanspruchung des Bodens erfaßt.
Die Schlauchsonde wird in definierter Tiefe in den ungestörten Boden
eingebracht. Ein Vorbohrer, der nach dem Prinzip der Verdrängung arbeitet,
öffnet die Löcher für die Schlauchsonden. Das führt in
unmittelbarer Nähe der Sonde zu einer geringfügigen Verdichtung.
Entlang der Sensoroberfläche tritt eine Homogenisierung ein. Im lockeren
Boden jedoch werden die Löcher auf diese Weise stabilisiert. Der
präzise Sitz der Sonde ist somit gewährleistet.
Die Sonde wird luftfrei mit Wasser gefüllt. Ein exaktes Entlüften der
Sonde ist außerordentlich wichtig. Geringe Luftmengen verhindern, den
tatsächlichen Maximalwert des Druckes zu messen. Gerade der Maximaldruck
ist für die Ergebnisbetrachtung wichtig.
Nach dem Befüllen wird die Sonde mit einem Druck von 0,1 bar vorgespannt.
Der Sensor legt sich an den Boden an. Ein direkter Kontakt zwischen Boden und
Sensor ist hergestellt. Wird der Vordruck zu hoch gewählt, kann die Sonde
eine bleibende Bodenverformung in Form eines Restdruckes nicht messen. Die
Kraft, die von der Sondenoberfläche auf den Boden wirkt, ist
größer als die vom Boden entgegengesetzte. Die Sonde entspannt sich
wieder.
Während der Messung liest der Meßcomputer die Druckwerte mit einer
Erfassungsrate von 20 Hz ein und zeichnet sie auf. Gleichzeitig können 28
Druckaufnehmer angeschlossen werden. Der Druck wird als Funktion über der
Zeit dargestellt. Die Geschwindigkeit während der Überfahrt
beträgt je nach Fragestellung zwischen 0,5 und 1,5 m/s. Es wird somit pro
Überrollung unter der Kontaktfläche alle 2,5 bis 7 cm ein
Meßwert aufgenommen. Legt man die Aufstandslänge eines
Implementreifens von 60 cm zugrunde, umfaßt die Datenerfassung 8 bis 24
Meßwerte pro Aufstandsfläche und Meßstelle.
Für die Auswertung wird der Maximaldruck und zusätzlich der
verbleibende Druck (Restdruck) herangezogen. Der Restdruck charakterisiert eine
bleibende Bodenverformung.
3.2 Druckverteilung in der Kontaktfläche
Das große Laufwerk soll die Radlast gleichmäßig auf den Boden
übertragen. Sie stützt sich über den Luftdruck und die
Seitenwände auf den Boden ab. Mit zunehmender Aufstandsfläche bei
gleicher Radlast sinkt der errechnete mittlere Kontaktflächendruck.
Der in der Kontaktfläche wirkende Druck wird durch Stollengeometrie und
Reifenbauart beeinflußt. Sie lassen Unterschiede in der Druckverteilung
erwarten.
Über Messungen zur differenzierten Druckverteilung liegen in der Literatur
wenig Aussagen vor. In der Regel wird ein gemessener Druck angegeben, ohne
Kenntnis wie der Druck über die Aufstandsbreite verläuft.
In der Entwicklung von Reifen für die Straße sind dafür
Methoden bekannt. Sie erfassen den Druck auf speziell hergerichteten Fahrbahnen
direkt oder indirekt.
3.2.1 Messen auf fester Fahrbahn
Auf fester Fahrbahn kann man die Kräfte direkt über fest eingebaute
Sensoren messen oder indirekt indem ein strukturierter Kunststoff auf die
Fahrbahn gelegt wird.
Indirektes Meßsystem
Das Meßsystem besteht aus einer einseitig strukturierten Kunststoffmatte.
Die Oberfläche setzt sich aus kleinen, in Grundfläche und Höhe
definierten Pyramiden zusammen. Diese Matte befindet sich mit der
strukturierten Seite auf einer Glasplatte. Auf der Glasplatte stellt sich ein
fein unterteiltes Punktraster dar.
Abb. 4: Optoelektronische Messung der Druckquerverteilung auf fester
Fahrbahn
Beim Aufbringen eines Druckes werden die Pyramiden zusammengedrückt. Die
abgebildete Oberfläche ändert sich. Je nach aufgebrachter Radlast
stellt sich ein unterschiedlicher Grauwertanteil dar. Die Bilder können
fotografisch erfaßt werden. Der Grauwertanteil läßt sich durch
eine spezielle Kalibrierung in Druck umrechnen.
Direktes Meßsystem
Beim direkten Messen des Druckes sind die Druckaufnehmer in der festen Fahrbahn
eingebaut. Sie schließen mit der Oberfläche plan ab. Die
Baugröße der Aufnehmer ist ausschlaggebend für die maximale
Auflösung. Je nach Anzahl der Aufnehmer kann während einer
Überfahrt entweder die gesamte Aufstandsfläche oder nur die Quer-
oder Längsverteilung gemessen werden.
Abb. 5: Direkte Messung der Druckquerverteilung auf fester Fahrbahn
3.2.2 Messen im natürlichen Boden
Im Ackerboden werden die Schlauchsonden in einem Abstand von 10 cm quer oder
längs zur Fahrtrichtung verlegt. Um sie vor einer mechanischen
Überlastung zu schützen, liegen sie nicht direkt unter der
Kontaktfläche, sondern in 10 cm Tiefe. Sind die Sonden quer zur
Fahrtrichtung ausgerichtet, ist ein kontinuierliches Überrollen
möglich. Die Meßwerte werden sensorspezifisch über einen
Bereich von 13 cm gemittelt. Längs ausgerichtete Sonden erlauben nur
Messungen im statischen Zustand. Der gemittelte Meßwert bezieht sich hier
nicht auf die Kontaktflächenbreite, sondern auf die Länge. Das hat
Auswirkungen auf die Meßgenauigkeit.
Abb. 6: Druckquerverteilung bei unterschiedlicher Sondenlage auf
natürlichem Boden
Der Anstieg beider Kurven ist relativ gleich. Eine Verschiebung der beiden
Kurven auf der X-Achse rührt von einer leicht versetzten Position des
Reifens her. Das Maximum wird von den quer zur Fahrtrichtung liegenden Sonden
(Sondenlage A) als ein gemittelter Wert gemessen. Das Maximum ist
gegenüber der anderen Sondenanordnung B um 0,8 bar höher und konnte
mit dieser nicht festgestellt werden, folglich müssen die Sensoren bei
einer Längsausrichtung deutlich enger angeordnet werden.
3.3 Infiltration und Versickerung
Die Änderung der Bodenparameter durch die verdichtende Wirkung von
Fahrwerken an der Bodenoberfläche kann nur sehr schwierig gemessen werden.
Die Infiltration stellt hierbei eine gute indirekte Methode dar.
In bezug auf das Abflußverhalten einer Spur stellt sich die Frage, in
welcher Zeit der Boden die Niederschlagsmenge eines kurzen kräftigen
Niederschlagsereignisses aufnimmt.
Für diese Messungen wird eine definierte Wassermenge auf den von einem
Rahmen begrenzten Boden gleichmäßig verteilt.
Abb. 7: Messung der Versickerung
Die Wassermenge im Meßrahmen muß während der Messungen
mindestens ein Mal die gesamte Bodenoberfläche bedecken. Wenn das nicht
der Fall war, wurde die Messung verworfen. Von entscheidender Bedeutung ist die
Zeit, die das Wasser benötigt, um von der Oberfläche vollständig
zu versickern. Sobald das Wasser optisch nicht mehr sichtbar ist, wird die
nächste Wassergabe in den Rahmen gegeben.
Der Vorgang wird wiederholt, bis die festgesetzte Obergrenze von 300 Sekunden
erreicht bzw. überschritten ist. Die empirisch festgelegte Grenze beruht
darauf, daß das Wasser am leichten Hang nach 5 Minuten mit Sicherheit
abgeflossen ist, so es nicht durch Bodenunebenheiten - z.B. einen
Stollenabdruck in der Fahrspur - in Form eines Staudammeffektes
zurückgehalten wird.
Die einzelnen Wassergaben entsprechen umgerechnet einem Niederschlagsereignis
von 4,4 mm. Sie lehnen sich damit an die Definiton eines starken
Niederschlagsereignisses von mindestens 5 mm in einer Zeit von 5 Minuten an.
Bei diesem Meßsystem scheidet die Tropfengrößenverteilung
sowie die Aufprallenergie der Regentropfen als Störgröße aus.
Es schafft eine vergleichende Aussage für den vorliegenden
Versuchsstandort.
3.4 Oberflächenabfluß
Bedingt durch Niederschlag und Oberflächenbeschaffenheit kommt es zu
unterschiedlich starken Abflüssen. Diese werden auf einer speziellen
Teilfläche aufgefangen und gemessen.
Der Meßrahmen definiert das Einzugsgebiet für den Niederschlag, den
gegebenen Bodenzustand und die Hangneigung.
Zwei verschiedene Rahmengrößen wurden verwendet: 1 x 1 m
(Größe 1) und 2 x 0,5 m (Größe 2). Meßrahmen der
Größe 2 eignen sich besonders für den Einsatz in einer
Schlepperspur.
Abb. 8: Abflußmessung
Beim Einbau der Rahmen muß auf einen exakten Übergang zwischen Boden
und Abflußkante geachtet werden. Risse in diesem Bereich können zu
erheblichen Meßfehlern führen. Generell wurden die ersten 5
Messungen nach dem Einbau verworfen. Aber auch ohne Einbaufehler können
Risse, vor allen in den Sommermonaten, auftreten. Längere Trockenheit
führt zu Schrumpfrißbildung im Übergangsbereich bzw.
Kontaktbereich Metall/Boden. Die auftretenden Risse können mit einer
fexiblen Dichtungsmasse abgedichtet werden.
4 Ergebnisse
4.1 Vergleich unterschiedlicher Fahrwerkstypen
Das Bestreben, den Boden zu schonen, hat zu Reifen großer
Dimension in Durchmesser und Breite geführt. Der Weg zum Breit- oder
Terrareifen hat somit große Bedeutung. Er stößt aber an
Grenzen technischer Art. Die Breite der Reifen wird eingeengt durch die
zulässigen Außenmaße des Fahrzeuges, wie sie die
Straßenverkehrszulassungsordnung vorgibt.
Der Durchmesser bestimmt die Höhe des Fahrzeuges und damit den
Schwerpunkt. Beim Traktor beeinflußt dies den Achsabstand von Vorder- und
Hinterachse und somit dessen Lenkfähigkeit und die Fahrdynamik.
Selbstfahrende Arbeitsmaschinen haben nur einen begrenzten Freiraum unter dem
Chassis.
Wenn also die Dimension des Reifens an einer Achse eingeschränkt ist,
kommen mehrere Achsen in Frage. Ein anderer Weg ist, die Aufstandslänge zu
vergrößern. Halb- und Vollraupen weisen große
Aufstandsflächen auf. Außerdem haben sie nur eine sehr geringe
Bauhöhe, was den Schwerpunkt des Fahrzeuges herabsenkt.
Ziel soll es nun sein, Unterschiede zwischen verschiedenen angetriebenen
Fahrwerkstypen sowie Reifen in ihrer Wirkung auf den Boden herauszustellen.
4.1.1 Untersuchungsgegenstand
In den Versuchen wurden drei Radfahrwerke und zwei Bandlaufwerke miteinander
verglichen. Alle Fahrwerke waren unter einer selbstfahrenden Arbeitsmaschine
montiert.
Die Radfahrwerke unterscheiden sich im Achsaufbau, der Reifendimension und dem
konstruktiven Aufbau.
Abb. 9: Schematische Darstellung der Fahrwerke
Der Terrareifen 66x43.00-25 stellt die Vergleichsgröße
gegenüber den anderen Fahrwerksvarianten dar. Als zweite Fahrwerksvariante
wurde das Versuchsfahrzeug mit einem Radial-Breitreifen 28LR26
ausgerüstet.
Eine Sonderform des angetriebenen Radfahrwerkes ist die Doppelachse. An ihr
waren, bautechnisch bedingt, kleinere Diagonalreifen der Größe
600/55-26.5 montiert.
Alle drei Radfahrwerke haben ein typisches AS-Profil, das jedoch in der
Stollenhöhe variiert.
Die Bereifung der zweiten Achse unterscheidet sich nicht.
Das Halbraupenfahrwerk erweitert die Aufstandsfläche der Doppelachse,
indem beide Räder mit einem Umschlingungsband verbunden werden. Zur
Umlenkung dienen hier allerdings ein Paar schmale (9'') Reifen mit hohem
Luftdruck (4,5 bar). Die Profilierung unterscheidet sich deutlich von der
normalen AS-Bereifung, denn die Stollen haben nur eine geringe Höhe und
verlaufen im Winkel von 90deg. zur Fahrtrichtung.
Die Vollraupe hebt sich in ihrem Aufbau von der Halbraupe etwas ab.
Zusätzlich zu den Umlenkrollen verfügt das Bandlaufwerk über 5
Stützrollen, die die freie Stützlast des Bandes über die
Aufstandslänge auf ein Minimum reduziert. Im Sinne der Traktion sind die
Stollen
v-förmig angeordnet, vergleichbar mit einer AS-Bereifung.
Die einzelnen technischen Parameter gehen aus der Tabelle hervor.
Tab.1: Fahrwerksparameter
Breitreifen Terra-Reifen Doppelachse Halbraupe Bandlaufwerk
Bereifung 28 LR 26 66x43.00-25 2x 600/55-26.5 -- --
Luftdruck 1,6 0,9 1,5 -- --
[bar]
Radlast 3850 4000 2x 1850 3550 10225
[kg]
Stollenhöhe 58 48 35 20 20
[mm]
Die Radlasten variieren ein wenig mit der Eigenmasse der Fahrwerke, im Fall des
Bandlaufwerkes auch mit der Maschinenmasse: Es läuft unter einem
Mähdrescher, nicht wie die übrigen unter einem Feldhäcksler.
4.1.2 Standortbeschreibung
Die Versuchsfläche unterteilt sich in eine abgesetzte, seit vier Jahren
unbearbeitete Fläche und eine gepflügte und mit Packer
rückverfestigte. Diese Fläche wurde mit Sommerweizen bestellt. Der
Verzicht auf eine Bearbeitung hat zu einer deutlichen, natürlichen
Dichtlagerung über das gesamte, für Untersuchungen relevante,
Bodenprofil geführt. Im Ursprung hatten beide Schläge die gleichen
Werte. Nun bietet die lockere Krume ein Porenvolumen von 50% und einen
Grobporenanteil von 5-10%, die abgesetzte ein Porenvolumen von 45%; der
Grobporenanteil liegt um 3%.
Die Penetrometerwerte steigen auf dem abgesetzten Boden in den oberen 5 cm
schnell an und haben dann über das gesamte Bodenprofil einen mittleren
Wert von 200 N/qcm. Die lockere, bearbeitete Fläche
läßt den Eindringwiderstand bis 35 cm kontinuierlich steigen. Dort
hat er sein Maximum von 180 N/qcm. Sodann geht er leicht
zurück.
Abb. 10: Eindringwiderstand auf festem und lockerem Boden
Die Bodenfeuchte beider Varianten war mit einem mittleren Wert von 26 Vol.%
sehr hoch. Dieser Feuchtezustand repräsentiert die allgemein schwierigen
Verhältnisse im Herbst.
4.1.3 Aufstandsgeometrie
Die unterschiedliche Bodenfestigkeit hat Einfluß auf das Einsinkverhalten
der Fahrwerke und somit auf die Kontaktfläche.
Auf beiden Versuchsflächen wurden die Kontaktflächen der Fahrwerke
ermittelt: zum einen die gesamte Aufstandsfläche, zum anderen die des
Profils.
Deutlich lassen sich Unterschiede in der Aufstandsgeometrie und der
Kontaktflächengröße erkennen. Der Reifen des Standardfahrwerkes
nutzt infolge seiner geringen Laufflächenkrümmung bereits auf festem
Boden seine Breite. Der Terra-Reifen hingegen steigert sie auf lockerem
Boden.
Auf festem Boden tragen nur die Stollen der Reifen. Entsprechend klein ist die
Kontaktfläche, im Vergleich zum lockeren Boden nur ein Viertel. Dies
entspricht dem Profilflächenanteil. Entsprechend hoch werden die
errechneten Kontaktflächendrücke von 4,8 bzw. 3,4 bar. Unter der
Doppelachse treten keine solch krassen Unterschiede auf. Zum einen ist der
Positivstollenanteil größer, zum anderen die Stollenhöhe
niedriger. Folglich trägt der Zwischenstollenbereich schneller.
Tab. 2: Aufstandsflächen auf festem und lockerem Boden
fester Boden
Standard- Terra-fahr Doppelachse Halbraupe Bandlauf-we
fahrwerk werk rk
Breite [cm] 68 85 54 60 76
Länge [cm] 58 67 58 126 329
Profilfläche 796 1168 1009 -- --
[qcm]
errechneter 4,8 3,4 1,8 -- --
Kontakt-flächendruck
[bar]
lockerer Boden
Breite [cm] 73 96 59 60 76
Länge [cm] 67 88 58 126 329
Kontaktfläche 3383 5422 1823 7560 25004
[qcm]
errechneter 1,1 0,7 1,0 0,5 0,4
Kontakt-flächendruck
[bar]
Beide Bandlaufwerke scheiden für diesen Vergleich aus, da der
Stollenabdruck nicht meßbar war.
Auf lockerem Boden werden bei allen Fahrwerken die geometrischen Dimensionen
stärker genutzt. Fläche und Druck erreichen schonende
Größen.
4.1.4 Dynamischer Bodendruck
Der dynamische Bodendruck gibt die primäre Reaktion im Boden wieder und
charakterisiert die Fahrwerke. So entspricht die Zahl der Druckmaxima der
Anzahl an Rädern, beim Bandlaufwerk der Stützräder.
Unter der Halbraupe wird die Kraft nur über beide Umlenkrollenpaare
abgestützt. Im Bereich der freien Stützlast sinkt der Druck
vollständig ab. Das Band trägt nicht. Somit wird der Druckverlauf
während einer Überfahrt vergleichbar mit dem der Doppelachse.
Beispielhaft zeigt die Abbildung den Druckverlauf (Einzelmessung) auf lockerem
Boden.
Abb. 11: Druckverlauf unter der Doppelachse und der Halbraupe (Meßtiefe
10 cm)
Der Druck steigt unter dem zweiten Rad, bzw. der zweiten Umlenkrolle auf
lockerem Boden in 10 cm Tiefe an.
In tieferen Bodenschichten tritt dieser Effekt nicht mehr auf. Auf festem Boden
weicht unter beiden Rädern bzw. Umlenkrollen der Druck nicht voneinander
ab; sie haben beide den gleichen hohen Wert.
Im oberflächennahen Bereich herrscht unter dem Breitreifen auf festem
Boden ein Druck von 1,5 bar. Er ist somit nahe dem Luftdruck, jedoch deutlich
höher als der errechnete Kontaktflächendruck.
Abb. 12: Bodendruck unter verschiedenen Fahrwerken auf lockerem und festem
Boden
(Tiefe10cm)
Der Terra-Reifen führt zu einem geringeren Druck von 1,2 bar. Hier liegt
der gemessene Druck deutlich über dem Luftdruck und dem errechneten
Kontaktflächendruck. Beide Reifen weichen also deutlich vom rechnerischen
Kontaktflächendruck, der Terra-Reifen ebenfalls vom Luftdruck, ab.
Die Meßwerte zeigen, daß beide Größen problematisch zur
Beurteilung der tatsächlichen Zustände im Boden sind. Denn der
errechnete Kontaktflächendruck bezieht sich nur auf die aufsummierten
Einzelkräfte. Auftretende Abweichungen, bedingt durch
Stolleneinflüsse oder Differenzen in der Druckquerverteilung, werden nicht
berücksichtigt. Bei einer Gleichsetzung des Luftdruckes mit dem
Kontaktflächendruck werden die eben genannten Punkte ebenfalls nicht
berücksichtigt. Des weiteren wird die Reifenkonstruktion als tragendes
Element nicht erfaßt.
Die Doppelachse erzeugt mit 0,8 bar deutlich weniger Druck. Hier wird jedoch
gegenüber dem Breit- und Terrareifen die Radlast auf zwei Räder
verteilt. Halbraupe und Bandlaufwerk heben sich nicht von der Doppelachse ab.
Der gemessene Druck ist unter den Bandlaufwerken gegenüber den errechneten
Kontaktflächendrücken doppelt so hoch. Daran wird deutlich, daß
beide Laufwerke ihre Last nicht gleichmäßig über die gesamte
Fläche verteilen, sondern nur punktuell tragen.
Die Meßwerte auf lockerem Boden unterscheiden sich kaum von der festen
Variante. Jedoch lassen die unterschiedlichen Bodenzustände eine
spezifische Wirkung im Druckabbau über die Tiefe erwarten.
Beim Terra-Reifen hat sich der Druck in 15 cm Tiefe halbiert. In 25 cm Tiefe
ist nur noch ein sehr geringer Druck meßbar. Auf lockerem Boden
verläuft der Druckabbau wesentlich flacher. In 40 cm Tiefe werden noch
Drücke von 0,3 bar gemessen.
4.1.5 Porenvolumen
Als Bodenparameter werden hier das Gesamt- und Grobporenvolumen
herausgestellt. Sie kennzeichnen das Ergebnis unterschiedlicher
Fahrwerksbelastung. Ebenfalls stehen beide Größen in enger Beziehung
mit dem Wasseraufnahmevermögen des Bodens, also der Versickerungszeit und
der pflanzlichen Entwicklung.
Trotz Unterschiede im Maximaldruck und im Druckabbau treten keine
fahrwerksspezifischen Einflüsse im Porenvolumen auf. Ein mittlerer Druck
von 0,5 bar reicht bereits aus, um das Porenvolumen in 10 cm Tiefe um 5% zu
verringern.
Abb. 13: Porenvolumen in Abhängigkeit vom Druck aller Fahrwerke auf
lockerem Boden (Tiefe 10 cm)
Sodann bleibt der Boden über einen weiten Bereich belastungsstabil. Selbst
Einzeldrücke von 1,8 bar führen zu keiner stärkeren Abnahme des
Porenvolumens. Gleiches trifft für den Anteil weiter Grobporen zu.
4.1.6 Versickerung
Die Effekte direkt an der Oberfläche sollen mit der eigens konzipierten
Versickerungs-Methode verdeutlicht werden. Es geht dabei um die
Aufnahmefähigkeit von Niederschlagswasser.
Auf unbefahrenem Boden ist die erste Wassergabe nach 4,6 Sekunden
vollständig versickert. Mit der Zahl der Wassergaben erhöht sich
gleichfalls die Infiltrationszeit und beträgt zur vierten Gabe 50
Sekunden.
Abb. 14: Versickerungszeit auf lockerem Boden (n=10)
In allen Varianten nimmt der Boden die erste Gabe zügig auf, nur beim
Bandlaufwerk ist die Infiltrationszeit etwas höher.
Bei einer weiteren Wassergabe kristallisieren sich deutliche Unterschiede
heraus. Ein mehrfach punktuelles Belasten der Spur führt zu doppelt so
hohen Versickerungszeiten. Das Bandlaufwerk sowie die Doppelachse
überschreiten die Obergrenzen von 300 Sekunden bereits.
Konstruktionsbedingte Unterschiede der Reifen treten nicht auf. Vielmehr wirken
sich verschiedene Stollenhöhen von Standard- und Terrafahrwerk aus. Die
Stollen des Standardfahrwerkes sind höher. Folglich ist der hinterlassene
Abdruck im Boden tiefer. Trotz vollständiger Bedeckung des Bodens mit
Wasser, sammelt sich in den tiefen Profilabdrücken mehr Wasser. Die
Infiltra-tionszeit steigt.
4.1.7 Druckquerverteilung
Der Druck quer über die Reifenbreite soll gleich sein. Nur dann trägt
die gesamte Aufstandsfläche, und der Kontaktflächendruck geht auf das
gewünschte Maß zurück. Aufgrund bisheriger Erfahrungen sind
Abweichungen zu erwarten. Zusätzlich sind weitere Effekte infolge der
starken Profilierung nicht auszuschließen. Also wird die Querverteilung
gemessen: Über die Spurbreite werden die Schlauchsonden in einer Tiefe von
10 cm, analog der beschriebenen Anordnung, in den Boden eingebracht.
Am Beispiel des Terra-Reifens sei nun die Querverteilung näher
erläutert.
Infolge der großen Aufstandsbreite konnte nur unter der halben Spur
gemessen werden. Da sich keine konstruktiven Unterschiede zwischen beiden
Reifenhälften ergeben, kann eine analoge Druckverteilung für die
andere Reifenseite vorausgesetzt werden.
Abb. 15: Druckverteilung unter dem Terra-Reifen (halbe Spurbreite)
Unter dem Terrafahrwerk steigt der Druck am Spurrand steil an und erreicht im
ersten Drittel der Spur sein Maximum von 1,7 bar ).
Er bleibt nicht über die gesamte Aufstandsbreite konstant, sondern
fällt zur Mitte hin ab. Somit liegt außen, im Bereich der Schulter,
der Druck doppelt so hoch, wie von Luftdruck und rechnerischem
Kontaktflächendruck erwartet, also bleibt der bodenschonende Effekt aus.
Die breite und flexible Lauffläche ermöglicht kein
gleichmäßiges Abstützen. Vielmehr konzentrieren sich die
Kräfte im festen Bereich der Reifenschulter.
Um nun Fahrwerke verschiedener Bauart besser vergleichen zu können, wird
der Variationskoeffizient für den Mittelwert der Aufstandsbreite gebildet.
Er erlaubt eine Gegenüberstellung der Meßwerte trotz
unterschiedlicher Druckniveaus.
Tab. 3: Variationskoeffizient der Druckquerverteilung
Breitreife Terra-Reifen Doppelachse Halbraupe Bandlaufwerk
n
VK [%] 30 52 77 23 78
Unter der radialen Reifenkonstruktion des Breitreifens breitet sich der Druck
relativ gleichmäßig aus, im Gegensatz zu den Diagonalreifen des
Terra- und Doppelachsfahrwerkes. Das Maximum unter den Reifen der Doppelachse
befindet sich in der Spurmitte. Zu den Spurrändern hin fällt der
Druck steil ab.
Durch paarweise eng aneinander angeordnete Umlenkrollen verteilt die Halbraupe
den Druck am besten über die Breite. Außerdem wirkt sich das sehr
geringe Profil günstig aus. Die erheblichen Unterschiede zwischen beiden
Bandlaufwerken lassen sich auf den unterschiedlichen Abstand der Laufrollen
zurückführen. Die Laufrollen liegen im Gegesatz zur Halbraupe weiter
auseinander. Der Druck fällt in diesem Bereich deutlich ab. Ebenfalls
trägt der äußere, 10 cm über die Stützrollen ragende
Rand des Bandes nicht. Daraus resultiert ein stark inhomogener Druckverlauf.
4.1.8 Einfluß des Stollens auf die Meßwerte
Vergleicht man die Wiederholungen der einzelnen Meßpunkte in der Spur
miteinander, so nimmt bei Reifen mit hohem Profil der Variationskoeffizient von
der Spurmitte zum Rand hin zu.
Unter dem Bandlaufwerk mit flachem Profil ist er hingegen gering.
Im Randbereich hat die Stollengeometrie noch keinen Einfluß auf die
Belastungsintensität der Sonde. Der Sensor wird also direkt vom Stollen
oder vom Zwischenstollenbereich getroffen.
Somit scheint es interessant, die tatsächlichen Druckunterschiede zwischen
Stollen und Zwischenstollenbereich zu messen.
Abb. 16: Bodendruck unter und zwischen den Stollen
Sodann wurde die Reaktion des Bodens erfaßt: das Porenvolumen im direkten
Kontaktbereich und der Penetrometerwiderstand über die Tiefe.
Die Spurtiefe betrug 10 cm. Bei einer Stollenhöhe von 4,8 cm hatte der
Zwischenstollenbereich ganzflächigen Kontakt mit dem Boden.
Der Druck steigt unter dem Stollen auf 1,7 bar an, dazwischen war er nur halb
so hoch. In 15 cm Tiefe baute er sich unter dem Stollen um 0,3 bar ab. Zwischen
den Stollen tritt keine Änderung ein. Folglich beträgt der
Unterschied nur noch 30%. Betrachtet man nun die Meßtiefe von 25 cm, so
sind unter beiden Bereichen die Drücke gleich.
An der Oberfläche wird der Druck in Abhängigkeit vom Stollen und vom
Zwischenstollenbereich in unterschiedliche Tiefen eingeleitet. Folglich sind
die Abstände zur Sonde verschieden.
Der Stollen dringt 10 cm tief in den Boden ein und erreicht den
Meßhorizont der Schlauchsonde. Diese verlagert sich um 4 cm.
Der ursprüngliche Abstand hat sich um 6 cm verringert. Im
Zwischenstollenbereich hingegen hat sich die Sonde nicht verschoben. In 15 und
25 cm Meßtiefe ändert sich die Lage der Sonden nicht mehr.
Mit zunehmender Tiefe breitet sich der Druck gemäß der Druckzwiebel
in seitliche Richtung aus. Die Wirkungen von Stollen und Zwischenstollenbereich
überlagern sich.
4.1.9 Fazit
Die Fahrwerke zeigen spezifische Wirkungen. Große Aufstandsflächen
verringern den Bodendruck im oberflächennahen Bereich sowie über die
Tiefe. Bei den Radfahrwerken verläuft der Druckabbau auf lockerem und
festem Boden unterschiedlich. Hingegen zeigen die Bandlaufwerke mit ihrem
insgesamt geringen Druckniveau keine bodenspezifischen Unterschiede.
Die Druckquerverteilung schwankt zwischen den einzelnen Fahrwerken sehr stark.
Sie sind einerseits konstruktionsbedingt begründet, zum andern können
gerade hohe Stollen in geringer Meßtiefe zu einer unterschiedlichen
Belastung der Sensoren führen. Folglich steigt der
Variationskoeffizient.
Generell sind die gemessenen Drücke aller Fahrwerke in einem
günstigen Bereich. Das Porenvolumen und der Scherwiderstand in 10 cm Tiefe
lassen zwischen den Fahrwerken keine Unterschiede erkennen.
Über eine direkte Wirkung im Kontaktbereich gibt die Versickerungszeit
Auskunft. Das mehrfache Belasten des Bodens durch Doppelachse und Bandlaufwerke
wirkt sich bei höheren Wassergaben ungünstig auf das
Versickerungsverhalten aus.
4.2 Unterschiedliche Bereifungen in Reihenkulturen
In Reihenkulturen, typisch hierfür die Zuckerrübe, wird die
Reifenbreite von der Reihenweite begrenzt. Eine weitere Besonderheit liegt
darin, daß große Reihenabstände sowie ein über
längeren Zeitraum unbedeckter Boden zu Bodenerosionen führen.
Im allgemeinen kommt es unter schmalen Pflegereifen infolge hoher Last und
geringer Aufstandsfläche zu tiefen Fahrspuren mit Verdichtungen. Breite
Reifen verringern den Abstand zwischen Spurkante und Rübenreihe auf ein
Minimum. Zum einen wachsen die Rüben in Verbindung mit tiefen Spuren
schräg in Richtung der Spurmitte, was zu Problemen und Verlusten bei der
Ernte führen kann. Verdichtungen verringern zum anderen den Ertrag.
Alternativ besteht die Möglichkeit, breite bodenschonende Reifen
einzusetzen und auf eine Reihe gänzlich zu verzichten. Untersuchungen von
SOMMER und BRUNOTTE belegen, daß die angrenzenden Nachbarreihen infolge
eines großen Wuchsraumes den Ertragsausfall der einen Reihe ausgleichen
können.
Abb. 17: Unterschiedliche Reifenbreiten in Reihenkulturen
Somit gilt es, die Wirkung unterschiedlicher Reifenbreiten zu erfassen und die
Folgen für Infiltration (Versickerung), Abfluß und Erosion zu
messen.
4.2.1 Untersuchungsgegenstand
Untersucht werden 5 Reifen, die in Breite und Luftdruck variieren.
Tab. 4: Reifen und deren Betriebsparameter
Reifentyp Spurbreite Abstand zur Radlast Luftdruck
[cm] Rübenzeile [kg] [bar]
[cm]
Pflegereifen 30 10,0 1950 3,40
(9.5R38)
Standardreifen 46 2,0 2000 1,60
(15.5R38 1))
Breitreifen 69 15,5 2000 0,70
diagonal
(600/65-30 1))
Breitreifen radial 81 9,2 1950 0,30
(30.5R32 1))
Terra-Reifen 100 0,0 2000 0,35
(66x43.00-25 1))
1)
Kennzeichen die Reifen, deren Spuren bei der Abflußmessung untersucht
wurden
Sie werden hinsichtlich der Änderung der Lagerungsdichte und des
Grobporenvolumens an der Bodenoberfläche beschrieben. Weiterhin wurde das
Abflußverhalten über den Vegetationsverlauf untersucht.
4.2.2 Standortbeschreibung
Der Boden war im Herbst gepflügt und vor der Saat mit einer gezogenen
Saatbettkombination bearbeitet worden. Dazu war der Schlepper mit
bodenschonenden Reifen ausgerüstet, um die Belastung möglichst gering
zu halten.
Der Eindringwiderstand nimmt in den oberen 8 cm zu und behält dann einen
mittleren Wert von 80 N/qcm bei. In 28 cm Tiefe steigt er
sprunghaft auf 325 N/qcm und verändert diesen Wert bis 35 cm
Tiefe nicht. Eine deutliche Pflugsohle von 7 cm Mächtigkeit ist zu
erkennen. Unterhalb der Pflugsohle sinkt der Eindringwiderstand wieder auf 260
N/qcm ab.
Abb. 18: Eindringwiderstand
Die Bodenfeuchte zum Zeitpunkt der Versuchsdurchführung betrug in der
Tiefe 10 bis 40 cm 17 Vol.%, an der bearbeiteten Oberfläche lag sie mit 14
Vol.% niedriger.
Für eine Beurteilung des Oberflächenabflusses sind die
Niederschlagsmengen und deren Verteilung wichtig. Sie beziehen sich auf eine
nahegelegene Wetterstation des Wetteramtes Dresden.
Das langjährige Niederschlagsmittel für dieses Gebiet beträgt
661 mm.
Abb. 19: Niederschlagsverteilung der Region Lommatzsch
Über das Jahr sind die Niederschläge relativ gleichmäßig
verteilt. Jedoch steigen sie in den Hauptvegetationsmonaten Mai bis August. Im
Untersuchungsjahr 1993 fiel im Monat Juli gegenüber dem langjährigem
Mittel um 87% mehr Niederschlag. In diesem speziellen Monat sind einige starke
Niederschlagsereignisse von mehr als 20 mm zu verzeichnen.
Im untersuchten Zeitraum von Mai bis September betrug der Gesamtniederschlag
244 mm.
4.2.3 Porenvolumen und Wasserleitfähigkeit
Die Reifen erhöhen die Dichtewerte nur geringfügig und ohne
spezifischen Unterschied. Das liegt gewiß daran, daß der Boden in
einem günstigen Zustand befahren wurde. Außerdem ist zur Probenahme
zu bedenken, daß die Proben ausschließlich in den
Profilabdrücken genommen wurden.
Ergänzend zu den bisher verwendeten Methoden wird hier zusätzlich die
gesättigte Wasserleitfähigkeit gemessen. Sie erfaßt alle
Einflüsse, die der Boden auf die Wasserbewegung ausübt.
Unter dem Terrareifen hat sich die Wasserleitfähigkeit gegenüber der
unbefahrenen Fläche um die Hälfte verringert.
Mit abnehmender Reifenbreite verringert sich tendenziell der kf-Wert. Das
läßt spezifische Wirkungen im Versickerungsverhalten erwarten.
Tab. 5: Kennwerte der Bodenoberfläche bei verschiedenen Reifen
Reifentyp Lagerungsdichte weite Grobporen [%] gesättigte
[g/kcm] Wasserleitfähigkeit[m/d]
unbefahren 1,23 A 0,02 19,4 A 5,57 0,89 A 1,34
Pflegereifen 1,35 A 0,06 12,4 A 3,09 0,08 B 0,13
Standardreife 1,28 A 0,06 16,2 A 3,31 0,15 AB 0,16
n
Breitreifen 1,39 A 0,04 10,1 A 2,04 0,13 AB 0,22
diagonal
Breitreifen 1,35 A 0,04 12,2 A 2,50 0,31 AB 0,29
radial
Terra-Reifen 1,27 A 0,05 16,7 A 2,52 0,49 AB 0,39
GD 5% 0,173 8,95 0,69
4.2.4 Versickerung
Angesichts des lange offen liegenden Ackers gilt dem Verhalten gegenüber
Niederschlag besondere Bedeutung. Der Reifen, dessen Spur Regen schnell
versickern läßt, wäre von Vorteil.
Geringer Niederschlag, hier charakterisiert durch die erste Wassergabe, wird
von allen Spuren schnell aufgenommen. Geringfügige Änderungen an der
Bodenoberfläche werden sichtbar.
Die zweite Gabe aber legt die Besonderheiten offen: Der schmale Pflege- und der
Standardreifen überschreiten bereits die Grenze.
Abb. 20: Versickerung unter verschiedenen Reifen (n=10)
Auch der Diagonal-Breitreifen erreicht einen hohen Wert von 250 Sekunden. Die
geringen kf-Werte der gesättigten Wasserleitfähigkeit werden folglich
bestätigt. Deutlich besser wirken der Radial-Breit- und der Terra-Reifen.
Hier steigt die Versickerungszeit gegenüber der ersten Wassergabe nur
geringfügig.
Mit der dritten und vierten Wassergabe bleibt nur noch der Terrareifen
unterhalb des Grenzwertes. Die Versickerungszeit erhöht sich zur vierten
Gabe auf 220 Sekunden.
Unterschiede in der Druckquerverteilung des Terrareifens legen nahe, die
Versickerungszeiten in verschiedenen Spurabschnitten zu messen. Der
Meßrahmen macht dies möglich. Allerdings konnten keine Unterschiede
festgestellt werden.
4.2.5 Abflußmessung
Auf landwirtschaftlich genutzten Flächen kommt es durch verschiedene
Ursachen zum Auftreten von Oberflächenabfluß. Angaben über den
Anteil der Oberflächenabflüsse an den Jahresniederschlägen
schwanken sehr stark. Sie werden mit 1-16% bei mittlerer Hangneigung für
unbefahrene Flächen angegeben. Ergebnisse kürzerer
Beobachtungszeiträume - insbesondere solche mit höherer
Niederschlagsintensität - ergeben oft ein ganz anderes Bild. Hier
können die Abflüsse deutlich höher liegen: Auf unbewachsenen
Parzellen mit Hangneigungen von 8-15% bei 5-30%, auf bewachsenen Flächen
bei 2-8% der Niederschlags-summen erosionsauslösender
Niederschläge.
Die Oberflächenabflüsse führen nutzungs- und standortspezifisch
zum Verlagern von Dünger, Pflanzenschutzmitteln und Boden.
Ziel dieses Abschnittes soll es sein, unter gegebenen gleichen Bodenparametern
über den Vegetationsverlauf Unterschiede zwischen den Reifen
aufzuzeigen.
Insbesondere ist das Abflußverhalten abhängig von:
Bodenstruktur,
Hangneigung,
Bedeckungsgrad.
Unterschiede bei den Bodenparametern Lagerungsdichte und Grobporenvolumen
traten über den Vegetationsverlauf nicht auf.
Die Hangneigung betrug bei allen Meßstellen 5%.
Für den Vergleich der Reifen ist es weiter ausgesprochen wichtig,
daß die Meßstellen den gleichen Bedeckungsgrad aufweisen, wobei der
Bedeckungsgrad identisch mit der Zahl der Rüben ist.
Treten längere Trockenperioden auf, so kommt es bei Böden mit hohem
Tonanteil infolge von Schrumpfungen zu Rißbildungen. Diese können
mehrere Zentimeter tief sein. Sie bilden sich in erster Linie am
Rübenkörper selbst sowie zwischen den einzelnen Rüben aus.
Treten nun starke Niederschlagsereignisse ein, kann die Rübe den
Niederschlag über die Blätter am Rübenkörper entlang in den
Boden ableiten. Bestehende Schrumpfrisse begünstigen zusätzlich die
Wasseraufnahme am Rübenkörper. Das sei an einem Beispiel
verdeutlicht.
Tab. 6: Abflußverhalten in Abhängigkeit vom Bedeckungsgrad bei 7%
Hangneigung
Abflußmenge [l/qm]
Niederschlag 6 Rüben je 8 Rüben je 12 Rüben je
[l/qm] Meßrahmen Meßrahmen Meßrahmen
13,8 1,050 0,468 0,375
Mit steigender Anzahl der Rüben, die identisch mit steigendem
Bedeckungsgrad und dem Anteil der Schrumpfrisse ist, geht der Abfluß
zurück.
Auf der betrachteten Fläche sind die Rüben gleichmäßig
aufgelaufen und haben sich über die Vegetation auf allen 5
Meßstellen ebenfalls gleichmäßig entwickelt. Also fließt
als einzige Variable in diesen Versuch die Reifenvariante ein.
Die Ergebnisse zum Abfluß, welche zu mehreren Terminen gewonnen wurden,
sind in einer Säulengrafik dargestellt.
Diese Art stellt den Vergleich der Reifen in den Vordergrund. Der Abfluß
sei hier ein Maß zur Beurteilung der Reifen; es geht nicht um die
übliche Erosionsmessung, die den Niederschlag in den Vordergrund stellt.
Abb. 21: Abfluß über den Vegetationsverlauf bei unterschiedlichen
Reifen
Die unbefahrene Kontrolle hat 12 l/qm, also 4,7% des
Gesamtniederschlages, abfließen lassen. Dagegen erstaunt, daß der
Abfluß beim Radial-Breit- und beim Terra-Reifen geringer war.
Im Stollenabdruck sammelt sich das Wasser. Eine Art Staudammeffekt entsteht.
Demzufolge kann mehr Wasser zurückgehalten werden. Die Abflußraten
im Vergleich zur unbefahrenen Fläche sind geringer. Mit fortschreitender
Dauer geht dieser Effekt zurück.
Die Spur des Diagonal-Breitreifens läßt 50% und die des
Standardreifens 100% mehr Wasser abfließen. Mit schmaler werdenden Reifen
nimmt die Versickerungsrate ab. Analog dazu erhöht sich die
Abflußmenge. Jedoch liegen die Meßwerte zur Versickerungszeit
wesentlich weiter auseinander.
4.2.6 Fazit
Die Meßwerte der gesättigten Wasserleitfähigkeit und der
Versickerung schlagen sich in den Abflußmessungen nieder. Der
Standardreifen beeinträchtigt die Bodenoberfläche stark und
führt zu höheren Versickerungszeiten und Abflußraten. Eine
geringe Belastung der Oberflächen durch den Terra- und Radialbreitreifen
hat nur geringe Abflußraten zur Folge, welche sogar etwas unter der
unbefahrenen Fläche liegen.
4.3 Abfluß auf den Bearbeitungsvarianten
Zum Erosionsschutz stehen eine Vielzahl von pflanzenbaulichen und technischen
Maßnahmen zur Verfügung. Insbesondere konservierende
Bearbeitungsverfahren mit einer verringerten Bearbeitungsintensität
ermöglichen ein stabiles, verdichtungsunempfindliches Bodengefüge.
Mulchschichten an der Bodenoberfläche können den Abfluß und die
Erosion vermindern.
4.3.1 Zuckerrübenanbau
Ein längere Zeit unbedeckter Boden stellt eine direkte Angriffsfläche
für den Niederschlag mit Folgen für Oberflächenabfluß und
Erosion dar. Somit soll nun der Bearbeitungseffekt im Blick auf Bodenstruktur
und Abfluß herausgestellt werden.
Dem Versuch liegen drei Bearbeitungsvarianten zugrunde: die Pflug-Drill-Saat
(PKD), die Mulchsaat mit Saatbettbereitung (MSmS) und eine Mulchsaatvariante
ohne Saatbettbereitung (MSoS).
Die Hangneigung an den Meßstellen beträgt 7%.
Die Gesamtniederschlagsmenge - hier vor Ort gemessen - lag mit 345 mm um 100 mm
höher als auf der Fläche mit den Versuchen zum Reifen. Darunter sind
mehrere Niederschläge mit mehr als 20 und 30 mm.
Abb. 22: Abfluß auf unterschiedlichen Bearbeitungsvarianten
Deutlich hebt sich die MSmS-Variante mit einer Gesamtabflußmenge von 17,9
mm ab. Die Mulchsaatfläche war zur falschen Zeit bearbeitet worden. Das
hat Dichte und Grobporen beeinträchtigt - und beeinflußt das
Abflußverhalten. Die konventionelle Variante liegt mit 12,3 mm etwas
höher als die Mulchsaatvariante ohne Saatbettbereitung.
Fazit
Erosionsmindernde, bodenschonende Bearbeitungsverfahren können bei Fehlern
in der Bearbeitung den an sich positiven Effekt auf das verringerte
Abflußverhalten umkehren.
Es erstaunen die geringen Abflußmengen der konventionellen
Bearbeitungsvariante. Die Begründung liegt möglicherweise in einem
schnellen Bestandesschluß der Rüben. Inwieweit dieser Effekt
standort- oder jahresspezifisch ist, bedarf näherer Klärung.
4.3.2 Getreideanbau
Die Bearbeitungsvarianten des SFB, die Frässohlensaat (FSS) und die
Pflug-Drill-Saat (PKD) wurden auf praxisgemäße Weise angelegt und
mit Wintergerste ohne Fahrgassen bestellt. Die Spuren wurden einige Zeit nach
der Bestellung gelegt.
Das Versuchsziel ist, das spezifische Abflußverhalten der
Bearbeitungsvarianten am flachen Hang mit einer Neigung von 7% zu erfassen.
Die Flächen wurden bereits im Winter, beginnend von Januar bis
Juli/August, auf ihr Abflußverhalten untersucht. Nach jedem
Niederschlagsereignis, das größer als 3 mm war, wurden die
Meßstellen beprobt. Die Niederschlagsmenge wurde von der Wetterstation
des Sonderforschungsbereiches in Form von Tageswerten gewonnen. Allerdings
lassen sich die Daten nicht stets den Abflußwerten zuordnen, denn die
Station weist infolge von Wartungsarbeiten und Störfällen Lücken
auf. Ebenfalls fehlen noch die Daten des Frühjahres 1994.
Dieser Mangel erscheint tolerierbar, denn die landtechnische Beurteilung nutzt
den Abfluß als Vergleichskriterium und wertet ihn nicht im Bezug zur
Regenmenge oder -intensität.
Die Oberflächen unterscheiden sich bearbeitungsspezifisch in der Dichte
und dem Grobporenvolumen. Das sei an einem Beispiel näher erläutert.
Mit einer Dichte von 1,38 g/kcm lagert der unbefahrene Boden
der gepflügten Variante lockerer als der Boden der gefrästen. Die
Überfahrt festigt die Fläche, ohne daß die Grobporen die
kritische Grenze unterschreiten.
Die Einzelergebnisse zum Abfluß sind als Monatswerte zusammengefaßt
und in einer Säulengrafik dargestellt.
Deutlich unterscheiden sich die Bearbeitungssysteme in ihrem
Abflußverhalten.
Abb. 23: Abflußverhalten einer PKD- und FSS-Variante, Hangneigung 7%
Auf der unbefahrenen, konservierend bestellten Fläche fließt mit
10,6 l/qm im Vergleich zur konventionell bearbeiteten Fläche
die 10fache Wassermenge ab. Das erstaunt, hätte doch gerade die
bodenschonende Bearbeitung geringere Abflüsse erwarten lassen. Deutlich
höher liegen die Spuren. Jedoch kehrt sich hier das Verhältnis
zwischen den Bearbeitungsvarianten um.
Eine Erklärung der höheren Abflußraten auf der FSS-Variante ist
über die Bodenparameter Dichte und Grobporenvolumen nicht möglich.
Zwar lagert der konventionell bearbeitete Boden lockerer, aber das
Grobporenvolumen, welches maßgeblich für die schnelle Wasseraufnahme
ist, unterscheidet sich nicht.
Die höchsten Abflußmengen werden auf beiden unbefahrenen
Flächen in den Wintermonaten erreicht. Möglicherweise ist die Ursache
im unterschiedlichen Auftauverhalten der Böden zu suchen, denn in den
Frühjahrsmonaten treten zwischen beiden Varianten kaum noch Unterschiede
auf.
Fazit
Die höheren Abflußraten der konservierend bearbeiteten FFS-Variante
erstaunen. Eine Erklärung über die Bodenparameter der Oberfläche
ist nicht möglich. Vielmehr deutet sich als Grund ein unterschiedliches
Auftauverhalten im Frühjahr an. In den Spuren hingegen bestehen Vorteile
auf der FSS-Variante.
4.4 Modellmeßsystem für nachgiebige Fahrbahnen
Die Kontaktfläche zwischen Reifen und Boden nimmt die Kräfte des
Fahrwerkes auf, und leitet sie in den Boden. Wesentlich dabei erscheint,
daß in der gesamten Aufstandsfläche der gleichmäßig
niedrige Druck herrscht. Tatsächlich ist das nicht der Fall.
Außerdem ist die Druckverteilung auf fester und nachgiebiger Fahrbahn
nicht vergleichbar. Auf fester Fahrbahn treten deutlich die Schulterbereiche
des Reifens mit hohem Druck hervor.
Abb. 24: Druckverteilung auf fester und nachgiebiger Fahrbahn
Eine völlig andere Druckverteilung stellt sich auf nachgiebiger Fahrbahn
ein. Der Druck konzentriert sich nicht mehr im Schulterbereich, sondern das
Maximum wird senkrecht unter dem Mittelpunkt des Rades gemessen. Da die
Kräfte immer senkrecht zur Lauffläche wirken, und die Lauffläche
nicht parallel zur Bodenoberfläche ist, hat das Folgen für die
Kraftausbreitung im Boden. Die Meßsensoren im Boden nehmen nur die
vertikale Kraftkomponente auf. Zur Mitte nimmt diese zu, folglich steigt die
gemessene Kraft.
Die tatsächliche Druckverteilung in der Kontaktfläche wird also nicht
erfaßt. Jedoch wirkt sich die beschriebene Kraftausbreitung auch auf die
Bodenteilchen aus. Im zweidimensionalen Schnittbild des Spurquerschnittes
können sich Bodenteilchen im Schulterbereich zweidimensional
abstützen. Unter der Reifenmitte ist hingegen die Abstützung nur noch
in einer Richtung möglich. Folglich wird der Boden stärker
verdichtet.
4.4.1 Modellmeßsystem
Die Messungen zum Kontaktflächendruck erbringen Ergebnisse mit
spürbarer Streuung, verursacht von der Heterogenität des Bodens. Das
zwingt zu einer hohen Zahl an Wiederholungen und folglich zu hohen Kosten an
Aufwand und Zeit. Daher wurde nach einem Ersatzmaterial gesucht, das die
Nachgiebigkeit des Bodens mit der Dauerfestigkeit für häufige
Messungen verbindet. Somit wäre die Vergleichbarkeit von vielen
Einzelmessungen ohne Wiederholungen gewährleistet. Als Meßaufnehmer
werden Schlauchsonden verwendet; also das gleiche Meßsystem wie im Boden.
Eine Vergleichbarkeit der Messungen bleibt erhalten.
Abb. 25: Aufbau des Modellmeßsystems
Mit dem Modell ist es möglich, die Druckquerverteilung statisch und
dynamisch sowie die Längsverteilungen im statischen Zustand zu messen. Mit
der dynamischen Messung wird der gesamte Druckverlauf über die Zeit
aufgezeichnet. Während der Über-fahrt steigt der Druck an und
erreicht unter der Reifenmitte je nach spezifischer Druckverteilung sein
Maximum. Sodann fällt er wieder ab. Die zeitliche Verschiebung der
einzelnen Kurven folgt aus dem Versatz der Schlauchsonden im Modell. Unter
Voraussetzung einer konstanten Geschwindigkeit, steht die Zeit im direkten
Verhältnis zum Weg. Theoretisch wäre eine Berechnung der
Druckverteilung in der gesamten Kontaktfläche möglich. Jedoch sind
für die Fragestellung nur die Maximaldrücke interessant, denn gerade
sie führen im Boden zu bleibenden Verformungen.
Zur Überprüfung der Methode wurden Vergleichsmessungen mit gleichen
Reifen auf dem Modell und auf dem Feld durchgeführt. Beide Kurven liegen
in Niveau und Verlauf eng beieinander.
Abb. 26: Vergleichsmessung
Dies zeigt, daß das Meßsystem funktioniert. Es ist als Vergleich
auf mehreren Standorten, verschieden in Bodenarten und -zustand, eingesetzt.
Dort empfiehlt sich eine vergleichende Messung, um die Referenz
sicherzustellen, ob also die Elastizität und die Federkennlinie des
Materials die Nachgiebigkeit des Bodens ausreichend wiedergibt.In diesem Sinne
wird das konzipierte Meßsystem genutzt, um den Kontaktbereich
verschiedenartiger Reifen zu beschreiben.
4.4.2 Druckverteilung
Die gemessene Kurve für den Druck quer über die Spur veranschaulicht
das Verhalten des Reifens für einen Betriebszustand , gestattet aber
keinen zusammenfassenden Vergleich. Daher werden das Druckmaximum sowie der
mittlere Druck über die Aufstandsbreite zugrundegelegt.
Abb. 27: Kennlinie des Reifens 550/60-22.5 (dmt)
Sie ermöglichen eine quantitative Aussage über die Absolutwerte. Der
Variationskoeffizient gestattet eine Aussage über die
Gleichmäßigkeit der Druckverteilung. Idealerweise müßten
maximaler und mittlerer Druck übereinstimmen und der VK=0 sein. Beide
Drücke sollen als Merkmal einer schonenden Belastung niedrig sein.
4.4.3 Fazit
Das Modell einer nachgiebigen Fahrbahn ermöglicht es, die
Druckquerverteilung unter definierten Bedingungen zu messen.
Vergleichsmessungen im Feld zeigen eine gute Übereinstimmung.
Je nach Reifengröße-, Bauart und Betriebszustand kann die
Gleichmäßigkeit in der Querverteilung sehr stark schwanken.
Ebenfalls tragen bei verschiedenen Betriebszuständen der Luftdruck und die
Reifenkonstruktion unterschiedlich.
5 Zusammenfassung
Die Untersuchung geht von den Bearbeitungsvarianten des
Sonderforschungsbereiches 192 und weiteren konservierenden Verfahren aus, die
sich in der Festigkeit des Bodens und der Befahrbarkeit unterscheiden.
Die Landtechnik umfaßt Varianten der Fahrwerke und der Reifen und
Alternativen dazu.
Um die Wechselwirkung zwischen Fahrwerk und Boden beurteilen zu können,
werden unterschiedliche, bekannte und neu entwickelte Meßmethoden
eingesetzt.
Die höhere Zugkraft wird - entgegen der Erwartung - auf lockerem Boden
übertragen, denn Profilhöhe und Einsinktiefe beeinflussen das
Zusammenwirken. Dabei verlagern horizontal wirkende Kräfte den Boden an
der Oberfläche und über die Tiefe.
Der dynamische Druck als direkt meßbare Größe geht im oberen
Bereich der Krume stark zurück. Zwischen den Bearbeitungsvarianten treten
eher Unterschiede in der Höhe des Druckes als in der Tiefenwirkung auf.
Der Druck in der Kontaktfläche variiert quer über die Spur, in
Abhängigkeit von der Konstruktion und dem Betriebszustand des Fahrwerkes.
Ein eigens entwickeltes Fahrbahnmodell ermöglicht systematische Messungen
von Fahrwerken. Daraus lassen sich Kennwerte zur vergleichenden Beurteilung
ableiten.
Das Porenvolumen bleibt nach dem Bereich der Rückverfestigung über
einen weiten Druckbereich konstant, unabhängig von Boden und
Fahrwerksvarianten.
Die Infiltration wird primär von der Verformung des Bodens und der des
Reifens beeinflußt und steht in engem Zusammenhang mit dem
Oberflächenabfluß.
Auf konservierend bearbeiteten Flächen kann in den Wintermonaten mehr
Wasser oberflächlich abfließen, verursacht durch ein schlechteres
Auftauverhalten.
Das Bandlaufwerk läßt infolge des geringen Druckes Unterschiede
zwischen den Bearbeitungsvarianten nicht mehr deutlich werden. Die
Kontaktfläche selbst wird jedoch relativ stark verfestigt.
Breitreifen als Einzel- oder Doppelachse weisen geringe
Kontaktflächendrücke aber große Unterschiede quer über die
Spur auf. Die große Aufstandsfläche wirkt sich positiv auf die
Zugkraftübertragung aus.
Summary
The study is based on different variations tested in the
"Sonderforschungsbereich 192" and further conservation procedures, which differ
in soil firmness and its trafficability.
In agricultural engineering various chassis, wheels and their alternatives are
applied.
Different measuring methods, both known and also newly developed, were used to
evaluate the interaction between chassis and ground. The higher tractive force
is - against all expectations - transmitted to a loose ground, lug size and
penetration depth effect the interaction. A displacement of soil at the surface
as well as in the depth is caused by horizontally acting forces.
The dynamic pressure, as a directly measurable quantity, falls off considerably
in the upper area of the topsoil. Differences between the tested variations
occur more in the amount of pressure than in its deep action.
The pressure in the contact area varies across the track, depending on
construction and operating state of the chassis. A specially developed
carriageway model enables systematic measurements for the chassis. This leads
to parameters for comparative evaluations.
Subsequent the area of back compaction the pore volume remains constant over a
further pressure area, independent of soil or type of chassis.
The infiltration is influenced primarily by the deformation of soil and tyre
and it is closely connected to surface drainage. On surfaces treated with
conserving tillage more water can run off the surface in the winter months,
resulting from a worse thawing behaviour.
With caterpillar tracks, due to the low pressure, no distinct differences occur
between the tested variations. However, the contact surface itself is compacted
relatively solidly.
Broad tyres, single or tandem axle, lead to low contact pressure, but large
differences across the track. The large contact surface of the tyre has a
positive influence on the transmission of the tractive force.