Pressure Allocation on Contact Areas under Forest Tires

Technische und ökologische Wirkungen selbstfahrender Forstmaschinen werden unter anderem beeinflusst von der Verteilung des Druckes auf der Kontaktfläche unter dem Rad. Gerade unter typisch forstlichen Rahmenbedingungen ist diese Verteilung noch nicht erforscht. Das Forschungsprojekt Druckverteilung auf Kontaktflächen unter Forstreifen oder Pressure Allocation on Contact Areas under Forest Tires (PrAllCon) hatte zum Ziel, diese Kenntnislücke zu schließen.Eine Marktanalyse brachte Aufschluss über eine detaillierte Zusammensetzung der Bereifung selbstfahrender Forstmaschinen in Deutschlands Wäldern. Parallel dazu erfolgte die Entwicklung einer geeigneten Messtechnik, die bei der Erfassung der Kontaktflächendruckverteilung auch den Stützanteil zwischen den Stollen der Reifenprofilierung berücksichtigt (Messung mit definierten Sand). Zur Präparierung der Neureifen auf die Messungen mussten diese eingefahren werden (Walkmaschine). Eine hydraulische Radlastsimulation mit analog messbarer Verteilung des Kontaktflächendruckes und dessen digitaler Visualisierung lieferte die gewünschten Daten. Generell konnte festgestellt werden, dass sich mit zunehmender Radlast und steigendem Fülldruck der Schwerpunkt der Druckbelastung in der Mitte der Kontaktfläche konzentriert und stetig zur Peripherie hin abnimmt. Die weitere Verarbeitung und Analyse dieser in gesteuerter Abhängigkeit von Fülldruck und Radlast erhobenen Verteilungen des Druckes (Messdaten) erfolgte mit am IFA entwickelten Programmen in Kombination mit statistischer Analysesoftware. Die Auswertungen zeigten, dass der Druck sich durchweg in Form einer Glocke mit elliptischer Querschnittsfläche verteilt. Die maximalen Druckwerte wurden mittels in Breiten- und Fahrtrichtung vorgenommener Vertikalschnitte durch die Verteilungsglocken ermittelt. Diese glockenförmigen Druckverläufe konnten mit einer Ausgleichsfunktion erfasst werden. Bestimmtheitsmaße von durchschnittlich 92 % erlaubten jede gemessene Kontaktflächendruckverteilung zu beschreiben und gültige Vorhersagen für das gesamte Reifenkollektiv zu entwickeln. Regressionsanalysen gaben Aufschluss darüber, dass die Druckverteilung neben Radlast und Fülldruck durch die Reifenparameter Nennbreite und Durchmesser beeinflusst wird. Die Entwicklung eines Prognosemodells erlaubt zudem die Druckverteilungen in Abhängigkeit dieser Variablen in Breiten- und Fahrtrichtungsausprägung vorherzusagen. Der Gültigkeitsbereich erstreckt sich dabei auf Reifen, deren Parameter innerhalb der Grenzwerte des bemessenen Kollektivs liegen. Neben den maximalen Drücken wurden auch die mittleren Drücke untersucht. Zwischen den Maximaldrücken und den Maxima dieser gemittelten Druckverteilungen bestand ein plausible Korrelation, die sich mit einer Einfachregression herleiten ließ. Es wurde ein Faktor von 2,74 abgeleitet, mit dem bei Kenntnis des maximalen Druckes auf den mittleren Druck geschlossen werden kann.Technical and ecological effects of automated forestry machines is influenced in part by the distribution of pressure on the surface beneath the wheel. However, it is precisely under typical forest conditions that these effects have not yet been examined. This research project Druckverteilung auf Kontaktflächen unter Forstreifen or Pressure Allocation on Contact Areas under Forest Tires (PrAllCon) was designed to supply this missing information.A market analysis provided a detailed report of the composition of the tires found on automated machines used in Germany s forests. Parallel to this, a technique was developed by which the pressure allocation on the contact surface could be measured while also taking into account the degree of support between the lugs of the tire profile (measured with sand of defined composition). In order to prepare the new tires for this test they had to be driven several times using a rolling machine. The desired data were then obtained by means of a hydraulic simulation of wheel load with analog calculation of surface area pressure distribution and it s subsequent digital visualisation.In general it could be ascertained that the focus of the pressure load was concentrated in the middle of the contact area and decreased steadily towards the periphery. This became more pronounced as wheel load and tire pressure increased. Further processing and analysis of these pressure distributions as a function of wheel load and tire pressure was done by using programs developed by the IFA together with software for statistical analysis. The results demonstrated that the pressure did indeed have a bell-shaped distribution with an elliptical cross-section. The maximum pressure values were calculated using width and length measurements from vertical cross sections of the respective distribution curves. These bell-shaped pressure progressions could be represented in a function of determination. An average coefficient of determination of 92% enabled the determination of every measured contact area pressure distribution as well as the prediction of pressure distribution for the entire tire collective. Analysis of regression curves showed that not only wheel load and tire pressure but also the distribution of pressure over the contact area are influenced by the tire parameters: width and diameter. The creation of a prognosis model makes it also possible to predict the pressure distribution as dependent on the variables tire width and length. The validity of this method extends only to tires whose parameters lay within those of the collective measured in this study.In addition to maximum pressures mean pressures were also examined. Between the maximum pressures and the maxima of the mean pressure distributions there existed a plausible correlation that could be derived using simple regression. The factor was calculated to be 2.74. Thus, given a maximum pressure, the corresponding mean pressure can be inferred