Wirkung von Fahrwerken auf den Boden, insbesondere im Grenzbereich Boden/Pflanze


Dissertation von Dipl.Ing.agr. Michael Weißbach; Kiel 1994


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 Meßmethoden zur Wirkung von Fahrwerken

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:

Ziele einer reduzierten Bodenbearbeitung sind:

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.

3 Meßmethoden zur Wirkung von Fahrwerken

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.