Terramechanik und Geländefahrzeuge

Die Problematik des Überfahrens von unwegsamen Gelände ist tatsächlich ein uraltes Phänomen. Nach der Erfindung des Rades bei Sumerern, ca. 3200 v. Chr. im Zweistromland, gab es das ständige Ärgernis mit der Traktion, beispielsweise im tiefen Sand. Sehr schnell wurde die wichtige Rolle der Fahrwiderstände deutlich, besonders der größte von ihnen, der Rollwiderstand. Europäische Gelände waren damals für Reisende eine noch größere Herausforderung. Im Vergleich zu dem steinigen, trockenen Boden des Zweistromlandes, waren die grünen Wiesen und Wälder noch schwerer zu überschreiten, besonders nach starken Regenfällen. Damalige Reisende erfuhren hautnah, wie die Nachgiebigkeit des Bodens bei Nässe das Fahrverhalten, den Komfort und die Sicherheit beeinflussten (siehe Abb. 1.1).

Der Boden ist eine poröse Oberflache der Erde und besteht aus drei Phasen: fest, flüssig und gasförmig. Er wurde durch verschiedene Prozesse in Tausenden von Jahren geformt, der häufigste davon ist die Verwitterung. Das Rohmaterial für diese Prozesse ist ein Ausgangsgestein, entweder ein solider Fels oder ein lockeres Sediment. In der primären Bodenbildung bewirkt die jahrelange Einwirkung von Wind, Sonne und Niederschlägen unter verschiedenen Temperaturen, dass das Ausgangsgestein physikalisch und chemisch in immer kleinere Teile zerlegt wird. In der Vergrößerung unter einer Lupe sieht der Boden wie ein komplexes Gebilde aus, in dem mehrere natürliche physikalische, chemische und thermische Prozesse ablaufen, die die Veränderungen physikalischer Bodeneigenschaften verursachen. Die mineralischen Bestandteilen des Bodens, die aus Körnern verschiedener Größen und Formen bestehen, bilden Strukturen mit Poren. Die Bodenart beschreibt den Boden in Bezug auf die Korngrößenzusammensetzung der mineralischen Bodenteile (Körnen). Davon geht eine primäre Klassifikation der Böden aus, in der die nachfolgenden Bodenarten unterschieden werden: Sand, Schluff, Ton und Lehm. Bei der sekundären Bodenbildung geht es überwiegend um verschiedene Vorgänge, die die Humusbildung beeinflussen, wie z. B. Vergleyung oder Pseudovergleyung oder Auswaschung von Bodenbestandteilen in tiefere Schichten. Unterschiedliche Erscheinungsformen von Böden, die sich in Form von Bodenhorizonten zeigen (Abb. 2.1), werden als Bodentypen bezeichnet und werden weltweit in der Bodenklassifikation bzw. der Bodensystematik nach verschiedenen Systemen klassifiziert.

Die Wechselwirkungen zwischen dem Fahrelement und der Fahrbahn hängen im Allgemeinen sowohl von der Konstruktion und den Parametern dieses Elements als auch von der Art der Fahrbahn und ihrem momentanen Zustand ab. Bei einer starren Fahrbahn (Beton, Asphalt, Bitumen) wirkt die Reifenlauffläche reibschlüssig mit der Straßenoberfläche zusammen, wobei die Laufflächenblöcke periodisch hyperelastischen Auslenkungen ausgesetzt sind. Daraus resultiert ein spezifisches Verhalten des Reifens, seine Leistung sowie das Fahrverhalten des gesamten Fahrzeugs mit einer definierten Auslegung eines Systems.

Messungen der Bodenspannungen und Verformungszustände in situ haben vor 50 und vielleicht mehr Jahren begonnen. Eine Reihe von veröffentlichten Artikeln liefern Archivdaten, wertvolle Ergebnisse und Einzelheiten der Instrumentierung. Aber vorläufig scheint es, als wären wir weit von der Standardisierung entfernt, das Thema erfordert noch viel Forschung. Methodische Probleme, unbewiesene Zuverlässigkeit von Messungen mit Dehnungsmessstreifen oder hydraulischen Wandlern, Bodenstrukturstörungen bei der Installation von Wandlern, Auswirkungen zahlreicher Einflussfaktoren auf gemessene Spannungswerte machen den Anwendungsbereich zu einem echten Minenfeld und jeder Schritt sollte mit der gebotenen Vorsicht durchgeführt werden. Nach Ansicht des Verfassers wäre eine Lösung ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse, die mit klassischen Methoden und mit neuen Methoden erzielt werden. Dem würde eine detaillierte Untersuchung der mechanischen Ähnlichkeit der Messmethoden und der resultierenden Daten vorausgehen, und wie diese im Sinne der Mechanik unterschieden werden können. Das, wonach wir wirklich suchen, ist eine allgemeine Theorie für die Bodenmechanik, die das Verhalten eines bestimmten Bodens unter allen Bedingungen beschreibt.

Bei praktischen Problemen im Zusammenhang mit dem Einsatz von Fahrzeugen und Maschinen im Gelände werden oft Methoden eingesetzt, die auf einfachen Beobachtungen oder Messungen bzw. Datentabellen beruhen. So kann schnell und einfach festgestellt werden, ob das Fahren überhaupt möglich oder unter dem Gesichtspunkt des Schutzes des Bodenökosystems wirtschaftlich oder vorteilhaft ist.

In den vorangegangenen Kapiteln dieses Buches wurden wiederholt verschiedene Messmethoden und Messgeräte beschrieben. Bei der Erörterung spezifischer Aufgaben der Terramechanik sollte der Leser sowohl mit den verwendeten Methoden als auch mit der Laborausrüstung vertraut gemacht werden. In den meisten Fällen hatten diese Beschreibungen jedoch einen einleitenden, theoretischen Charakter. Dieses Kapitel ist eine Synthese von Wissen auf dem Gebiet der Messmethoden und -geräte der Terramechanik und zielt darauf ab, die Informationen zu organisieren, zu systematisieren und zu erweitern. Es enthält Beschreibungen von eher technischen und handhabungstechnischen Merkmalen sowie Details zur Konstruktion und den Parametern der einzelnen Sensoren, Kalibrierungsmethoden, Messverfahren usw. Ein Ziel dieser Präsentation der terramechanischen Forschungsmethoden ist auch die Inspiration für eigene Versuche und Experimente beim Entwurf von Messgeräten. Obwohl ein wesentlicher Teil der in der Terramechanik verwendeten Messgeräte handelsüblich ist, sollte bekannt sein, dass einige Sensoren nicht einfach erworben werden können, sondern dass sie selbst hergestellt oder zumindest an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden müssen.

Geländefahrzeuge können definiert werden als Fahrzeuge, die speziell für den Geländeeinsatz konzipiert sind, manche können jedoch auch im öffentlichen Straßenverkehr genutzt werden. Ein Geländefahrzeug muss über spezielle Ausrüstungen oder Merkmale verfügen, die es ihm ermöglichen, über natürliches, unbefestigtes Gelände zu fahren. Beispiele für solche Funktionen sind:

Der Antrieb ist eine der wichtigsten Baugruppen eines Geländewagens und bestimmt seine Geländetauglichkeit in erheblichem Maß. Das typische Antriebssystem eines Fahrzeuges umfasst Motor, Getriebe und Antriebsstrang. Die meisten Komponenten des Antriebssystems der Geländefahrzeuge sind bereits im Antriebssystem von PKW enthalten [1]. Da Geländewagen größtenteils über Allradantrieb verfügen, werden Lösungen in diesem Bereich unter besonderer Berücksichtigung spezifischer Komponenten wie Untersetzungs- und Verteilergetriebe, Lamellenkupplung, Differenziale sowie Differenzialsperre erörtert. Viel Aufmerksamkeit wird den neuen Trends beim Antrieb von Geländefahrzeugen gewidmet, nämlich dem Hybrid- und Elektroantrieb.

Das Fahrwerk gehört zu den bedeutendsten Baugruppen des Fahrzeuges. Die Funktionsweise des Fahrwerks ist für die Leistung, den Komfort, die Sicherheit sowie die Geländegängigkeit des Fahrzeugs von großer Bedeutung. Das Fahrwerk umfasst folgende Unterbaugruppen:

Fahrdynamik ist das Spezialgebiet der Dynamik im Bereich Wissenschaft, Forschung und Technologie, das darauf abzielt, die Bewegung eines Fahrzeugs und seiner Bauelemente unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren quantitativ und qualitativ zu beschreiben.