Prüfung von Traktorreifen – Leistung, Effizienz, Sicherheit und Fahrkomfort

Die Entwicklung von Reifen für Landwirtschaftsmaschinen stellt eine komplexe Herausforderung dar. Das Produkt muss unter verschiedenen Betriebsbedingungen – sowohl auf der Straße als auch im Feld – Effektivität, Kraftstoffeffizienz, Sicherheit und Komfort bieten. Die Provana Group benötigte eine Lösung zur Messung des Abrollumfangs von Reifen sowie des Schlupfverhältnisses zwischen Vorder- und Hinterachse. LEANE lieferte diese Lösung aus Grundlage des Dewesoft-Datenerfassungssystems.

Die Provana Group ist ein führender italienischer Händler für Landwirtschaftsreifen mit langjähriger Erfahrung, direktem Kundenfeedback und engen Beziehungen zu den wichtigsten OEM-Herstellern. In den letzten Jahren hat Provana in Reifentests investiert, um ihren Kunden und OEM-Partnern einen noch besseren Service zu bieten.

Problemstellung

Der Bedarf des Marktes an Tests von Landwirtschaftsreifen ist in den letzten Jahren gestiegen. Allerdings ist es in diesem Bereich noch schwieriger, zuverlässige und objektive Testergebnisse zu erzielen als beispielsweise bei Pkw-Reifen. Nur wenige Experten – vor allem aus der OEM-Reifenindustrie – verfügen über das Know-how, um Testpläne zu erstellen und objektive Testverfahren zu definieren, die das Reifenverhalten korrekt charakterisieren.

Dieser Fall begann vor einigen Jahren, als wir dem Innovationstestzentrum der Provana Group halfen, den Abrollumfang von Reifen und das Schlupfverhältnis zwischen Vorder- und Hinterachse zu messen. Diese Daten sind entscheidend für die richtige Reifenauswahl für einen Traktor.

Es ist nicht allgemein bekannt, dass die Vorderreifen beim Feldeinsatz einen spezifischen Schlupfgrad im Vergleich zu den Hinterreifen benötigen, um eine optimale Leistung zu erreichen. Offensichtlicher ist, dass der Reifenschlupf vom Abrollumfang abhängt, wenn ein Traktor ein festes mechanisches Übersetzungsverhältnis zwischen Vorder- und Hinterachse aufweist. Daher war es notwendig, diese Werte unter realen Bedingungen – also mit den am Traktor montierten Reifen – präzise zu messen.

Messsystemasurement system

Unser Ausgangspunkt war ein System zur Messung des Abrollumfangs und des Übersetzungsverhältnisses zwischen Vorder- und Hinterachse:

• 1 x SUCHY xpro GPS nano25 (GPS-Sensor/-Empfänger) zur Messung von Geschwindigkeit und Distanz

• 2 x PEISELER-Inkrementalgeber zur Messung der Raddrehzahlen

• 1 x DEWESOFT DEWE43A – kompaktes, 8-kanaliges USB-Datenerfassungssystem mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis für Anwendungen dieser Art

Durch die Kombination von Fachwissen und einer teilweise automatisierten Dewesoft-Konfiguration stellten wir Provana ein einfaches, aber sehr effizientes Werkzeug zur Verfügung, um ihre tägliche Arbeit zu beschleunigen.

Zu den typischen Einsatzszenarien großer Traktoren zählen:

• Feldeinsätze, bei denen in der Regel ein Anbaugerät gezogen wird

• Straßentransporte, bei denen große, schwere Anhänger mit Geschwindigkeiten über 50 km/h gezogen werden, wobei das Gesamtgewicht des Gespanns 40 Tonnen übersteigt

In solchen Szenarien sind Kraftstoffeffizienz und Straßensicherheit essenzielle Anforderungen für jeden Kunden. 2022 unterstützte Leane die Provana Group bei Feldtests, die in Zusammenarbeit mit oder im Auftrag von führenden Reifen-OEMs stattfanden. Dabei wurden mehrere Testläufe durchgeführt, um verschiedene Reifensätze bezüglich relevanter Parameter zu vergleichen:

• Anhängerreifen bezüglich Effizienz, Sicherheit und Fahrkomfort beim Straßentransport,

• Traktorreifen bezüglich Leistung und Effizienz im Feldeinsatz.

Das erweiterte Messsystem zur Erfassung von Traktionsleistung, Kraftstoffverbrauch und Fahrverhalten umfasste die folgenden Komponenten:

• AIC-Durchflussmesser zur Messung des Kraftstoffverbrauchs

• Wägezelle zur Messung der Zugkraft

• 2 x PEISELER-Inkrementalgeber zur Messung der Raddrehzahlen

• Thermoelement (über DSI-TH-Adapter) zur Überwachung der Getriebeöltemperatur

• GPS+IMU (über CAN) von Suchy Data Systems zur Messung der Traktorgeschwindigkeit und Bewegungsparameter

Zusätzlich für die objektive Analyse der Anhängerfahrdynamik:

• Beschleunigungssensoren (z-Achse) an der Anhängerachse

• GNSS/IMU-Sensor Genesys ADMA Speed (über Ethernet) zur Messung der Anhängerbewegungsparameter und des Schwimmwinkels

Das DEWE-43 erwies sich erneut als gute Wahl: Es passt problemlos in die Traktorkabine, und mit seiner großen Auswahl an Analog- und Zählerkanälen sowie zwei CAN-Schnittstellen ist es für diese Anwendung ideal geeignet.

Messungen

Die Installation der Sensoren, des Datenerfassungssystems und die Vorbereitung der Messanordnung stellen bei großen Landmaschinen an sich schon eine Herausforderung dar:

• Zusätzliche Erschwerung der bereits komplexen Sensorinstallation durch die Größe und Masse von Traktoren und Anbaugeräten

• Problematik der sicheren Verlegung (langer) Kabel von den Sensoren am Anhänger zum Datenerfassungssystem

• Begrenzter Raum für Messtechnik in der Traktorkabine

• Harsche Umgebungsbedingungen, unter denen die Ausrüstung funktionieren muss

Um die Beeinflussung der Zugkraft-Wägezelle durch Querkräfte zu vermeiden, wurde für die Wägezelle und den Zugbolzen eine speziell konstruierte Halterung verwendet. Dieses Bauteil allein wog mehrere zehn Kilogramm und musste von zwei Personen vorsichtig montiert werden.

Darüber hinaus ist das Wechseln von Anhänger- oder Traktorreifen keine Angelegenheit von wenigen Minuten, und auch das Einstellen und Feinjustieren des Reifendrucks ist bei Landmaschinen zeitaufwendiger als bei Pkw.

Als Testgelände für die Fahrdynamik, den Komfort und den Kraftstoffverbrauch des Traktor-Anhänger-Gespanns wurde ein kleines Flugfeld ausgewählt. Mithilfe des virtuellen Polygon-Plugins von Dewesoft wurden Referenzpunkte definiert, die virtuelle Start-/Stopp-Barrieren zur Begrenzung der Messbereiche für die Ausroll-, Verbrauchs-, Komfort- und Handling-Tests erzeugten.

Diese Barrieren sorgten dafür, dass jeder Test auf demselben Streckenabschnitt durchgeführt wurde – dies verbesserte die Reproduzierbarkeit, die entscheidend ist, um selbst geringe Unterschiede zwischen verschiedenen Reifen oder Fahrzeugkonfigurationen zu analysieren. Der Gesamtkraftstoffverbrauch wird durch zahlreiche externe Faktoren beeinflusst, was eine objektive Bewertung des Reifeneinflusses erheblich erschwert. Bei der Entwicklung unseres Testprotokolls haben wir dies berücksichtigt und uns auf folgende Aspekte konzentriert:

• Aufwärmen des Fahrzeugs (Motor, Getriebe, Reifen)

• Kontrolle der Reifentemperatur und Feinjustierung des Reifendrucks

• Überwachung der Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur, Straßentemperatur usw.)

• Wiederholung der Tests unter verschiedenen Umgebungsbedingungen

Die folgenden anonymisierten Beispielergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der Reifensätze auf die Zugkraft. Zusätzlich wurde die Gesamtwiderstandskraft des Anhängers bei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen, wobei sich zeigte, dass die Geschwindigkeitsvariation nur einen begrenzten Einfluss hatte.

Bei der Betrachtung des Gesamtkraftstoffverbrauchs des Gespanns zeigte sich, dass der Einfluss der Bereifung (Rollwiderstand) hier im Vergleich zur Geschwindigkeitsvariation relativ gering war. Allerdings kann bereits eine Differenz von wenigen Prozent im Kraftstoffverbrauch betriebswirtschaftlich relevant sein.

In Bezug auf die Fahrdynamik wurden subjektive und objektive Tests auf einer 30 Meter breiten Geraden durchgeführt. Dies ermöglichte eine konsistente Bewertung verschiedener Reifenspezifikationen unter normalen sowie dynamischen bzw. Notfallbedingungen.

Obwohl sich der Test- und Bewertungsprozess noch in der Anfangsphase befand, wurden Korrelationen zwischen der subjektiven Bewertung und relevanten objektiven Metriken wie dem Schwimmwinkel festgestellt. Dies ermöglichte eine aussagekräftige Rangfolge der getesteten Reifenspezifikationen, auch aus Sicht der Fahrdynamik.

Nach dem Wechsel der Tests von der Straße auf das Feld lag der Fokus ausschließlich auf den Traktorreifen. Die Sensoranordnung blieb im Vergleich zur vorherigen Anwendung weitgehend unverändert – mit der Ausnahme, dass diesmal keine Sensorkanäle des Anhängers (Beschleunigungssensoren und ADMA) erfasst wurden. Stattdessen verwendeten wir eine andere Wägezelle, die an einer speziell angefertigten Zugstange montiert war. Diese Halterung war so konzipiert, das sie eine reine Axialkraft auf die Wägezelle ausübte.

Der mit den Testreifen ausgestattete Traktor zog einen zweiten Traktor, der als Bremslast fungierte. Die Geschwindigkeit beider Traktoren wurde so gesteuert, dass die Bremswirkung des gezogenen Traktors schrittweise zunahm, wodurch sich das Schlupfverhältnis der getesteten Reifen kontinuierlich erhöhte. Das Endergebnis ist ein typisches Kennliniendiagramm, das die Zugkraft in Abhängigkeit vom Reifenschlupf darstellt.

Klingt einfach – in der Praxis war die Umsetzung jedoch alles andere als trivial. Wie immer steckte der Teufel im Detail: Es mussten zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, um gute Ergebnisse zu erzielen.

Für die genaue Berechnung des Schlupfverhältnisses ist vor dem Test jedes Reifensatzes eine Vorkalibrierung der Raddrehzahl ohne Traktionslast erforderlich. Diese Kalibrierung lässt sich einfach mit der Dewesoft-Software durchführen, indem Mathematikkanäle und einfache Statistiken verwendet werden, um die Daten der Inkrementalgeber und des GPS über eine vordefinierte Strecke zu mitteln.

Der Kalibrierfaktor wird am Ende des Mittelungsintervalls online berechnet und dann in einen Benutzereingabekanal geschrieben. Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache Anpassung der vom Inkrementalgeber ermittelten Raddrehzahl, ohne den Messmodus zu verlassen – ein Wechsel zum Setup-Modus oder umgekehrt ist nicht erforderlich.

Nach der Kalibrierung fuhr der Traktor auf das vorbereitete Feld. Die oberste Bodenschicht war mit einem Werkzeug einige Zentimeter tief aufgelockert worden, um eine möglichst gleichmäßige, weiche Testfläche zu schaffen. Zudem mussten einige charakteristische Bodenparameter gemessen werden: Der Feuchtigkeitsgehalt ist neben der Bodenbeschaffenheit und -struktur ein entscheidender Parameter, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.

Während des Tests wurden Geschwindigkeit, Kraft, Schlupfverhältnis und Kraftstoffverbrauch über eine vordefinierte Strecke gemessen und gemittelt, um die typischen Schwankungen des Feldeinsatzes herauszufiltern. Nach jedem Intervall wurde die Zugkraft erhöht, indem der gezogene Traktor immer stärker abgebremst wurde. 

Durch diese Fahrbedingungen wurde der gewünschte Bereich von Zugkraft und Schlupfverhältnis abgedeckt, der natürlich von der Traktorlast und den Bodeneigenschaften abhängt. Nicht alles ist möglich. Die Erfahrung eines OEM-Testexperten trug entscheidend dazu bei, die richtigen Betriebsparameter für das Gespann (Gewichtsverteilung, Arbeitsgeschwindigkeit, Übersetzungsverhältnis usw.) zu finden.

Schließlich ist das Feld nicht unendlich groß. Wir mussten wenden und dabei immer auf „frischem“ Boden fahren, also vermeiden, dass die Reifen zweimal derselben Spur folgen.

Unser Testprotokoll ließ sich in der Dewesoft-Software problemlos einrichten, indem Mathematikkanäle und einfache Statistiken verwendet wurden, die durch lokale Koordinaten oder manuelles Schalten aufgrund der zurückgelegten Strecke ausgelöst wurden. Ein Schieberegler zeigte den Standort im Vergleich zum Ziel an, indem er die Entfernung mittelte, und ein X-Y-Diagramm ermöglichte die Live-Überwachung der Traktionskennlinie des jeweils gerade durchgeführten Tests.

Wir ergänzten die Mess- und Analysefunktionen von DewesoftX durch die Entwicklung spezifischer Python-Skripte in unserer GarageLab-Umgebung zur Verwaltung der Datenanalyse – inklusive Anpassung von Polynomen, Berechnung objektiver Kennzahlen und Aufbereitung der Daten für aggregierte Analysen.

Die GarageLab-Umgebung kann manuell oder über den Dewesoft-Sequencer gestartet werden, um die Datenanalyse zu automatisieren, z. B. die Verarbeitung der letzten Testdatei oder eines Stapels von Testdateien. Dies bietet eine einfache Lösung für die Testautomatisierung und -analyse.

Fazit

Am Ende war das Provana-Team mit den Ergebnissen zufrieden und ein wenig stolz auf die geleistete Arbeit. Auch wir bei Leane waren glücklich  – und stolz, zum Erfolg beigetragen zu haben.

Wie immer gab es durch die praktische Arbeit viel zu lernen, beispielsweise: 

• wie man die Logistik organisiert, 

• wie man die Tests durchführt, 

• welche Sensorkonfiguration geeignet ist, 

• wie man die Sensoren installiert, 

• wie man die Datenerfassung für den Traktorfahrer möglichst einfach gestaltet und 

• wie man die Testdaten verarbeitet. 

Nach der Bewältigung dieser Herausforderungen wissen wir, wo wir uns weiter verbessern können. Es gibt noch viel zu lernen, aber wir haben nun eine solide Grundlage für künftige Testkampagnen und mehr Vertrauen in unsere Ausrüstung und Methoden.