Die richtige Wahl für die extensive Grünflächenpflege am Hang

Stachelwalze oder Stollenbereifung?

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Die Fahrzeuge für die Grünflächenpflege in Hang- und Steillagen, benötigen für eine gute Übertragung von Zug- und Seitenkräften, sowie geringen Schlupf, geeignete Räder, bereift oder unbereift, als Schnittstelle zwischen Fahrzeug und Boden. Am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim wurden eine Stachelwalze und ein Reifen miteinander verglichen.

Mit Optimierungen im Bereich der Rad-Boden-Schnittstelle und weiterer technischer Innovationen, kann den Ansprüchen der Grünflächenpflege in Hang- und Steillagen, begegnet werden. Bereits heute können so Hänge bis zu 100 Prozent Steigung befahren werden (Schaffner, 2008). Der Einsatz funkferngesteuerter Mähgeräte oder Geräteträger und damit die Entkoppelung von Mensch und Maschine, sind aus der modernen Grünflächenpflege in Extrembereichen nicht mehr wegzudenken.

Die Schnittstelle Fahrzeug-Boden hat über unterschiedliche Rad-Arten einen wesentlichen Einfluss auf die Erhaltung der Vegetationsdecke, sowie auf die Arbeitssicherheit und die Wirtschaftlichkeit beim Befahren von Hanglagen (Heine, 1985). Wichtig für die Kursstabilität bei Hangfahrten, sowohl in Fall- als auch in Schichtlinie, sind Kenntnisse über die Seitenkräfte und über den Treibschlupf von Rädern bei unterschiedlichen Schräglaufwinkeln.

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Mit der Abnahme der Seitenführung bzw. Querstabilität, als auch mit zunehmendem Schlupf ist darüber hinaus mit einer Schädigung der schützenden Vegetationsdecke zu rechnen (Wolfensberger, 2002). Neben bereiften Rädern mit unterschiedlichen Profilen kommen deshalb, insbesondere bei Einachstraktoren und funkferngesteuerten Geräteträgern, Gitterräder oder Stachelwalzen zum Einsatz.

Eine Variante stellt das sogenannte „Maschinen Steiner Stachelrad“ dar, bei dem der Zylinder einer Stachelwalze über ein luftbereiftes Rad gezogen und durch Erhöhung des Reifeninnendrucks kraftschlüssig mit diesem verbunden wird (Anonymus, 2005).

Theoretische Grundlagen

Fahrzeuge erfahren beim Lenken, bei Hangparallelfahrt oder durch schrägen Zug, Seitenkräfte an den Rädern, die für seitliche Abdrift verantwortlich sind. Zur Geradeausfahrt muss deshalb die Radstellung gegen die Zugrichtung bzw. die Hangabtriebskraft korrigiert werden, das heißt die gelenkten Räder müssen hangaufwärts gestellt werden. Dies wird als Schräglauf bezeichnet. Den Winkel zwischen Radrichtung und tatsächlicher Laufrichtung des Rades, nennt man Schräglaufwinkel.

Die Schrägstellung der gelenkten Räder und damit auch der Schräglaufwinkel, wird mit zunehmender Hangneigung oder seitlichem Zug auf das Fahrzeug größer (Kutzbach, 2009).

Bei Kurvenfahrt und am Hang treten Seitenkräfte auf, die den Querkräften entgegenwirken. Die Seiten- oder Seitenführungskraft beschreibt die Kraft, die notwendig ist, um ein Fahrzeug in der angestrebten Fahrbahn zu halten. Sie wirkt der Querkraft entgegen. Die Kräfte werden durch das Rad bzw. die Radoberfläche auf den Boden übertragen. Während der Seitenkraft bei Kurvenfahrt Fliehkräfte entgegenwirken, wirken ihr bei Schichtlinienfahrt am Hang Hangabtriebskräfte entgegen. Der Radius der Kurvenfahrt oder die Befahrbarkeit eines Hanges wird von der Seitenkraft begrenzt. Triebkräfte der angetriebenen Räder bewirken, vor allem bei großen Schräglaufwinkeln, eine Verringerung der übertragbaren Seitenführungskräfte auf die Fahrbahnoberfläche (Armbruster, 1991). Im sogenannten Kamm’schen Reibungskreis wird graphisch dargestellt, wie groß die Seitenkräfte werden dürfen, bevor das Fahrzeug die Bodenhaftung verliert, ausbricht und nicht mehr manövrierfähig ist. Schlupf entsteht, wenn die theoretisch zurückgelegte Strecke eines Rades, entsprechend dem Radumfang, nicht der tatsächlich zurückgelegten Strecke entspricht. Um Triebkräfte von den Rädern auf den Boden übertragen zu können, ist ein gewisser Schlupf, der Treibschlupf, notwendig, denn Zugkräfte zum Überwinden der Fahrwiderstände werden erst entwickelt, wenn der Abrollumfang des Rades nicht dem bei einer Radumdrehung zurückgelegten Weg entspricht. Die höchsten Zugkräfte erreichen Ackerschlepperreifen auf Begrünungen zwischen 20 % und 40 % Schlupf und Terrareifen zwischen 10 % und 30 % Schlupf, wobei für diese Reifen ab 30 % keine nennenswerten Zugkraftgewinne mehr auftreten (Bäcker u. Struck, 1978). Realistische Schlupfwerte betragen unter Normalbedingungen 5 % bis 25 %. Mit zunehmendem Schlupf sinken die übertragbaren Seitenkräfte und gleichzeitig steigt das Risiko der Manövrierunfähigkeit. Die Art der Räder und das Reifenprofil haben unter anderem durch die Stollenform, -dichte, und -höhe einen großen Einfluss auf den Schlupf, gleichzeitig aber auch auf die potenzielle Schädigung der Vegetationsdecke als Fahrbahnoberfläche und des Bodens (Heine, 1985, Armbruster, 1991).

Material und Methoden

Im Rahmen einer Masterarbeit wurde am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim eine mobile Einzelradmesseinrichtung zur Ermittlung verschiedener Parameter im Bereich der Rad-Boden-Schnittstelle entwickelt (Magenau et al., 2008). Sie ist starr über die Unterlenker mit einem Traktor verbunden. Es können Räder bis zu 900 mm Durchmesser und 500 mm Breite untersucht werden. Antriebsmoment, Radlast und Schräglaufwinkel des Prüfrades lassen sich in einem konstruktionsbedingtem Bereich ölhydraulisch verändern (Abbildung 2). Durch den verstellbaren Schräglaufwinkel können unter anderem Hangfahrten in Schichtlinie
abgebildet werden.

In vorliegender Untersuchung wurde ein luftbereiftes Rad mit AS-Profil (Diagonalreifen; Trelleborg Extra Traction 463), von 12 Zoll Durchmesser, 300 mm Reifenbreite bei 60 % Querschnitt und einem Reifeninnendruck von 0,7 bar, mit einer Stachelwalze (Brielmaier), mit 506 mm Innendurchmesser, 4 mm Aluminiumgürtel und 41 Stollen, die in drei Reihen symmetrisch angeordnet sind (Abbildung 3), verglichen. Um die Stachelwalze für die Messfahrten in die Prüfeinrichtung einbauen zu können, wurde sie ähnlich dem Maschinen Steiner Stachelrad auf ein luftbereiftes Rad vom Typ Deestone 20 x 10-10, welches zur Gewährleistung der Kraftschlüssigkeit mit 1,1 bar Innendruck beaufschlagt wurde, aufgezogen. Für alle Versuchsfahrten wurde ein konstantes Antriebsmoment von 200 Nm eingestellt. Das Eigengewicht des entkoppelten Parallelogramms an der Einzelradmesseinrichtung beträgt 230 kg woraus sich die Radlast für alle Versuchsfahrten ableiten lässt. Die Fahrgeschwindigkeit betrug für die vorliegenden Varianten 2,5 km/h. Die Messfahrten wurden mit jeweils vier Wiederholungen auf einer ebenen Wiesenfläche auf dem Gelände der Versuchsstation für Gartenbau der Universität Hohenheim durchgeführt. Zum Versuchszeitpunkt betrug die durchschnittliche Aufwuchshöhe des Bestandes 40 cm und der Grünmasse-Ertrag 45 dt TM/ha. Der mittlere Wassergehalt des Bodens (Filderlehm) lag bei 17,5 Massenprozent.

Die untersuchten Fahrbahnvarianten waren: „ungemähtes Gras“, „gemähtes Gras“, wobei das Mähgut auf der Fläche verblieben ist (Mulchdecke), sowie „Grasstoppel“. Die Schnitthöhe betrug 80 mm. Die untersuchten Varianten sind in der Tabelle dargestellt. Die Messfahrten wurden im Anschluss an die Einstellung der entsprechenden Schräglaufwinkel des Messrades durchgeführt (stationäre Messung). Während der Fahrten wurden die am Rad auftretenden Seitenkräfte mittels des in der Messeinrichtung verbauten 6-Komponenten-Kraftmessrahmens erfasst. Der Treibschlupf wurde aus der zurückgelegten Strecke des Messrades und der zurückgelegten Strecke des Schlepprades der Einzelradmesseinrichtung unter Berücksichtigung des Schräglaufwinkels rechnerisch ermittelt (Armbruster, 1991). Zur Beurteilung der Grasnarbenschädigung erfolgte im Anschluss an die Messfahrten eine visuelle Bonitur der Grasnarbe.

Ergebnisse und Diskussion

Die Seitenkräfte, bezogen auf das AS-Profilrad und die Stachelwalze, sind in den Abbildungen 3 und 4, in Abhängigkeit der untersuchten Fahrbahnvarianten und Schräglaufwinkel, dargestellt. Die primäre Abszisse (nicht linear) beschreibt die Schräglaufwinkel – des Prüfrades, die sekundäre die Fahrbahnuntergründe. Auf der Ordinate sind die Seitenkräfte Fy in kN aufgetragen. Box-Whisker-Plots zeigen Median, sowie 10, 25, 75 und 90% Perzentile einschließlich der Ausreißer. Bei einem Schräglaufwinkel von 5° traten beim AS-Rad auf ungemähtem Gras und Grasstoppel, mit durchschnittlich 0,4 kN, die geringsten Seitenkräfte auf (Abbildung 4).

Für Schräglaufwinkel von 10° und 20° wurden in dieser Radvariante höhere Seitenkräfte von 1,0 kN bzw. 1,6 kN auf geschnittenem Gras und von 1,0 kN bzw. 1,7 kN auf Grasstoppel gemessen. Durch die Stachelwalze können gegenüber dem AS-Profilrad deutlich höhere Seitenkräfte, mit Werten bis über 2,5 kN, bei ungemähtem Gras und 20° Schräglaufwinkel, übertragen werden (Abbildung 5). Mit zunehmendem Schräglaufwinkel von 5° über 10° auf 20°, war ein Anstieg der durchschnittlichen Seitenkräfte auf Grasstoppel von 0,5 kN über 1,3 kN auf 2,3 kN zu beobachten. Ein Einfluss der untersuchten Fahrbahn war bei der Stachelwalze nicht nachweisbar. Die Werte der Seitenkräfte für gemähtes Gras und Grasstoppel unterscheiden sich nur gering von den Werten auf aufgewachsenem Bestand. Bei einem Schräglaufwinkel von 5° lagen bei beiden Räderarten die Mittelwerte der Seitenkraft im Bereich von 0,4–0,5 kN. Schräglaufwinkel von 10° und 20° hingegen führten auf den untersuchten Untergrundvarianten zu deutlich größeren Seitenkräften bei der Stachelwalze im Vergleich zum AS-Profilrad. Am größten war die Differenz mit 0,9 kN in der ungemähten Variante, bei 20° Schräglaufwinkel. Die Ergebnisse der Treibschlupfberechnungen sind in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt. Die grafische Darstellung erfolgte analog zur Seitenkraft. Es zeigte sich, dass für 0° Schräglaufwinkel, beim AS-Profilrad auf ungemähtem Gras und auf Grasstoppel mit 3,6% der geringste Treibschlupf iT auftrat (Abbildung 6). Mit größeren Schräglaufwinkeln kommt es zu einer Zunahme des Schlupfes. Lediglich auf ungemähtem Gras, war bis 5° Schräglaufwinkel noch keine Zunahme zu beobachten. Höhere Werte wurden, für alle der untersuchten Schräglaufwinkel, mit einem Maximum von 18 Prozent bei 20° Schräglauf, auf gemähtem Gras beobachtet. Auf ungemähtem Gras konnte bei der Stachelwalze bis zu einem Schräglaufwinkel von 10° keine Zunahme des Treibschlupfes nachgewiesen werden (Abbildung 7).

Die niedrigsten Werte zeigte bei diesen Winkeln die Fahrbahnvariante Grasstoppel. Der größte Schlupf tritt auf gemähtem Gras auf. Während der Messfahrten wurden, in dieser Variante und 20° Schräglaufwinkel, Werte bis 15,1 Prozent ermittelt. Bei diesem Schräglaufwinkel bestanden kaum Unterschiede zwischen den Fahrten auf ungemähtem Gras und Grasstoppel. Mit zunehmendem Schräglaufwinkel ist bei der Stachelwalze im Vergleich zum AS-Profilrad eine geringere Zunahme des Treibschlupfes verbunden. Die Treibschlupfwerte der Stachelwalze liegen auf ungemähtem und gemähtem Gras nur bei Schräglaufwinkeln von 0° und 5° über denen AS-Profilrades. Auf Grasstoppel, sowie bei Winkeln von 10° und 20° wurden beim AS-Profilrad höhere Werte beobachtet. Die Ergebnisse belegen die Beobachtung, dass die Stacheln der Stachelwalze, im Gegensatz zu den Stollen des AS-Profilrades sowohl durch stehendes, ungemähtes Gras als auch liegendes Mähgut formschlüssig in den Boden eindringen und so im Allgemeinen höhere Seitenkräfte abgestützt werden können. Allerdings resultieren die punktförmigen Kontakte der Stollen bei einem Schräglaufwinkel von 5° zunächst in geringeren Seitenkräften. Die bessere Verzahnung der Stachelwalze mit dem Gras und auf Grasstoppel mit dem Boden ist als Ursache zu sehen, dass der Treibschlupf mit zunehmendem Schräglaufwinkel deutlich langsamer als beim Reifen ansteigt. Die bauartbedingt geringe Stollenhöhe des Reifens hat an diesen Ergebnissen sicherlich einen wesentlichen Anteil.

Bei stehendem, ungemähtem Gras, bildet die Grünmasse eine labile Zwischenschicht, die durch Abscheren und Lösen der Gräser den Rad-Boden-Kontakt des AS-Profilrades negativ beeinflusst und eine entsprechende Verzahnung des Profils mit dem Boden verhindert, was durch den harten, trockenen Boden noch verstärkt wird. Eine Mulchschicht bestehend aus abgelegtem Mähgut besitzt darüber hinaus die Wirkung einer Gleitschicht, die durch die Triebkraft bewegt und entgegen der Fahrtrichtung versetzt wird, weshalb tendenziell in der Variante „gemähtes Gras“ der höchste Treibschlupf und die niedrigsten Seitenkräfte beobachtet wurden.

In hängigem Gelände bietet eine geschlossene, intakte Grasnarbe den besten Erosionsschutz. Durch eine visuelle Bonitur wurde abschließend die Schädigung der Grasnarbe der überfahrenen Bereiche bewertet. Im Bereich kleiner Schräglaufwinkel, waren bei beiden Rädern kaum Schäden zu beobachten. Bei hohen Treibschlupfwerten und großen Schräglaufwinkeln wurden vor allem beim AS-Profilrad, Schäden meist in Form von Quetschungen und Abscherungen, selten in ausgerissenen Teilen der Grasnarbe, beobachtet. Die Stacheln der Stachelwalze drangen, selbst bei den trockenen Bodenverhältnissen während der Messfahrten, in den Boden ein und hinterließen besonders auf Grasstoppel kegelstumpfförmige Vertiefungen.

Hohe Schräglaufwinkel führten unter den Versuchsbedingungen zum Ausreißen von Teilen der Grasnarbe. Bei feuchter Witterung bzw. höherer Bodenfeuchte können sowohl beim AS-Profilrad, als auch bei der Stachelwalze, stärkere Schädigungen der Grasnarbe und der Bodenoberfläche nicht ausgeschlossen werden.

Schlussfolgerungen

Die mit einem luftbereiften Rad kraftschlüssig verbundene Stachelwalze zeigte sich hinsichtlich der gewählten fahrmechanischen Parameter, Seitenkraft und Treibschlupf, dem AS-luftbereiften Rad überlegen. Durch die stationäre Änderung des Schräglaufwinkels kann der Einfluss der weichen Flanken des inneren Rades auf das Ergebnis vernachlässigt werden (Barrelmeyer, 1996), was die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf starr mit der Antriebsachse verbundene Stachelwalzen gleicher Bauart erlaubt. Für große Schräglaufwinkel waren die Schädigungen der Grasnarbe durch die Stachelwalze schwerwiegender. Allerdings zeigen die gemessenen Seitenkräfte, dass um mit dem AS-luftbereiften Rad vergleichbare Werte bei Fahrt in Schichtlinie zu erreichen, kleinere Schräglaufwinkel erforderlich sind. In wie weit das Eindringen der Stacheln zu einer kritischen Schädigung der Vegetationsdecke führt, lässt sich aus den Versuchen nicht ableiten. So ist auch eine positive bestockungsfördernde Wirkung nicht auszuschließen. Die Messfahrten fanden bei sehr trockenem Boden statt. Deshalb können die Ergebnisse nicht ohne weiteres auf Böden mit höheren Wassergehalten übertragen werden. Es kann allerdings davon ausgegangen werden, dass insbesondere taunasse Bestände die beobachteten Unterschiede zwischen den untersuchten Rädern noch verstärken. In zukünftigen Arbeiten sollen die Ergebnisse durch Versuche mit einer instationären Änderung des Schräglaufwinkels ergänzt und belegt, sowie durch die Aufnahme weiterer Reifen und Stachelwalzen erweitert werden.

Literatur

Anonymus, 2005: Gebrauchsmusterschrift AT 007 864 U1, Maschinen Steiner.

Armbruster, K., 1991: Untersuchung der Kräfte an schräglaufenden angetriebenen Ackerschlepperrädern. Dissertation, Universität Stuttgart, VDI-Verlag Düsseldorf, VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 14, Nr. 53.

Bäcker, G. u. W. Struck, 1978: Das Triebkraftverhalten von Niederdruckreifen. Landtechnik 1/1978. S. 34–38.

Barrelmeyer, Th., 1996: Untersuchung der Kräfte an gelenkten und angetriebenen Ackerschlepperrädern bei Gelände- und Straßenfahrt. Dissertation, Universität Stuttgart, VDI-Verlag Düsseldorf, VDI Fortschritt-Berichte, Reihe 14, Nr. 79.

Heine, A., 1985: Reifen für den Einsatz auf Grünland. Landtechnik 4/1985. S. 164–168.

Kutzbach, H. D.: Agrartechnik – Grundlagen, Ackerschlepper, Fördertechnik. Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDIMEG) 476. Nachdruck 2009.

Magenau, T., Morhard, J., Ströbel, M., Köller, K. und F. Hemmerich, 2008: Ermittlung wichtiger Parameter im Bereich der Rad-Boden-Schnittstelle mittels eines mobilen Prüfstandes. Tagung Land. Technik 2008, VDI-MEG, 25.-26.09.2008, Stuttgart-Hohenheim, S. 433–438.

Schaffner, R., 2008: Schwerpunktverlagerung im Einachsgeräteträger. Landtechnik im Alpenraum. FATSchriftenreihe. FAT Tänikon (Schweiz); Tagung 14. Mai 2008.

Wolfensberger, U. 2002: Hangbereifung im Vergleich. Landtechnik im Alpenraum. FAT-Schriftenreihe Nr. 54. FAT Tänikon (Schweiz); 6. Tagung 15./16. Mai 2002 in Feldkirch.

Dr. sc. agr. Jörg Morhard
Autor

Universität Hohenheim, Institut für Agrartechnik, Fachgebiet Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

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