Upgrading of the Hohenheim Tyre Model for the simulation of obstacle passages

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Stefan Böttinger
• Subject Area: Plant Cultivation, Plant Nutrition, Agricultural Technology
• Term: from 2013 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 231247122

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Vorhabens wurde ein Reifenmodell für landwirtschaftlich genutzte Reifen entwickelt, welches sowohl für fahrdynamische Untersuchungen als auch für fahrkomfortrelevante Untersuchungen auf unebenen Fahrbahnen eingesetzt werden kann. Es bildet das Kraftübertragungsverhalten der Reifen sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich präzise ab und kann durch variable Einstellmöglichkeiten und eine effiziente Modellstruktur in Echtzeit betrieben werden. Die physikalisch basierten Parameter des Modells werden mit einem teiliterativen Parametrierungsprozess auf dem Flachbandprüfstand und der mobilen Einzelradmesseinrichtung des Instituts für Agrartechnik ermittelt. Auf diesen Prüfständen und anhand von Messungen mit zwei Versuchstraktoren und entsprechenden MKS-Gesamtfahrzeugmodellen wurde das Reifenmodell vollständig für verschiedene Anwendungen validiert. Das Modell wurde anschließend eingesetzt, um modellbasiert den Einfluss verschiedener Fahrwerksvarianten eines Standardtraktors auf den Fahrkomfort zu untersuchen. Mit zunehmendem Federungsgrad des Fahrwerks zeigt sich eine Verbesserung des Fahrkomforts. Zusätzlich verbessert sich durch die erhöhte Bodenanpassung die Fahrsicherheit bei geringen Geschwindigkeiten zur eine Erhöhung der Traktion. Die Verbesserung des Fahrkomforts durch gefederte Hinterachsen oder ein vollgefedertes Fahrwerk steht jedoch in einem Zielkonflikt zur Fahrsicherheit bei hohen Fahrgeschwindigkeiten. Hier wirkt sich die hohe Anzahl an Freiheitsgraden negativ auf die Stabilität des Fahrzeugs aus. Die Dämpfung eines vollgefederten Fahrzeugs sollte also situationsgerecht gesteuert oder geregelt werden. Das Frequenzverhalten der Reifenkräfte kann bereits durch Berücksichtigung der geometrischen Merkmale des Reifens (Unrundheiten verschiedener Ordnungen) ausreichend genau abgebildet werden. Die durch Masseverteilung hervorgerufenen Eigenschwingungen rufen vergleichsweise deutlich geringere Kraftamplituden hervor. Aus diesem Grund konnte im Verlauf des Vorhabens zugunsten eines schnellen Reifenmodells auf eine Massediskretisierung verzichtet werden. Das entwickelte Reifenmodell wurde bereits vielfach und mit vielversprechenden Ergebnissen testweise bei Kooperationspartnern aus Industrie und Forschung eingesetzt. Eine verbesserte Methode zur Parametrierung ohne Notwendigkeit spezieller Prüfstände würde einen effizienten Einsatz des Modells weiter fördern.

Publications

• Advancement and Validation of the Hohenheim Tyre Model. Land.Technik AgEng 2013, 08./09.11.2013 Hannover. In: Land.Technik AgEng 2013. Düsseldorf: VDI Verlag 2013, S. 73–81
  Witzel, P.; Böttinger, S.
  
• Das Hohenheimer Reifenmodell – Weiterentwicklung zu einem dreidimensionalen Ansatz und dessen Validierung. Land.Technik 2014, 19./20.11.2014 Berlin. In: Land.Technik 2014. Düsseldorf: VDI Verlag 2014, S. 197–202
  Witzel, P.; Böttinger, S.
  
• The advanced Hohenheim Tyre Model for the simulation of obstacle passages, 22.-25.09.2014 Seoul, Südkorea. In: Proceedings of the 18th International Conference of the ISTVS 2014
  Witzel, P.; Böttinger, S.; Kutzbach, H. D.
  
• The new Hohenheim tyre model, 18./19.03.2014 Wiesbaden. In: 14th Stuttgart International Symposium, Vol. 2. Wiesbaden: Springer Vieweg 2014, S. 181–195
  Witzel, P.; Böttinger, S.
  
• Ein validiertes Reifenmodell zur Simulation des fahrdynamischen und fahrkomfortrelevanten Verhaltens von Ackerschleppern bei Hindernisüberfahrt. Dissertation, Universität Stuttgart, 2015. Forschungsbericht Agrartechnik des Arbeitskreises Forschung und Lehre der VDI-MEG Nr. 548. Aachen: Shaker 2016
  Witzel, P.
  
• Simulation von Radlastschwankungen und deren Einfluss auf die Querkraftübertragung im Reifenlatsch. Land.Technik 2016, 22./23.11.2016 Köln. In: Land.Technik 2016. Düsseldorf: VDI Verlag 2016, S. 283–290
  Bürger, A.; Böttinger, S.; Witzel, P.
  
• The Effect of Obstacle Induced Wheel Load Fluctuations on the Lateral Force Transmission with the Hohenheim Tyre Model, 12.-14.09.2016 Troy, USA. In: Proceedings of the 8th ISTVS Americas Regional Conference 2016
  Bürger, A.; Böttinger, S.; Kutzbach, H. D.
  
• Application of the Hohenheim Tyre Model for Driving Comfort Investigations of Agricultural Tractors, 25.-27.09.2017 Budapest. In: Proceedings of the 19th International & 14th European-African Regional Conference of the ISTVS 2017
  Bürger, A.; Böttinger, S.; Kutzbach, H. D.
  
• Driving comfort analysis of an agricultural tractor with the Hohenheim Tyre Model on complex tracks. Land.Technik AgEng 2017, 10./11.11.2017 Hannover. In: Land.Technik AgEng 2017. Düsseldorf: VDI Verlag 2017, S. 263–272
  Bürger, A.; Böttinger, S.
  
• Modelling of high volume agricultural tyres for driving dynamics investigations. 17th Stuttgart International Symposium, 14./15.03.2017 Stuttgart. In: 17th Stuttgart International Symposium. Wiesbaden: Springer Vieweg 2017, S. 91–105
  Bürger, Alexander & Böttinger, S.
  
• Quantifizierte Validierung des Hohenheimer Reifenmodells für fahrdynamische Untersuchungen. Landtechnik 72 (2017) H. 6, S. 280–292
  Bürger, A.; Böttinger, S.
  
• The Hohenheim Tyre Model: A validated approach for the simulation of high volume tyres – Part I: Model structure and parameterisation. Journal of Terramechanics 75 (2018), S. 3–14
  Witzel, Paul
  
• The Hohenheim Tyre Model: A validated approach for the simulation of high volume tyres – Part II: Validation. Journal of Terramechanics 75 (2018), S. 15–24
  Witzel, Paul