Bodenmechanik und Geländegängigkeit

• Beweglichkeit:

  • Geschwindigkeit

  • Wendigkeit (Richtungswechsel)

• Zugkraft

• Leistung des Antriebs: P = F * v

  • Übertragung der Kräfte auf den Boden: längs, quer, vertikal

• Geometrie

• Rad/Kette

• Mensch:

  • Erfahrungen und Kenntnisse

  • physische/psychische Verfassung

  • Motivation

  • Mentalität

• Fahrzeug:

  • Antriebsleistung

  • Gewicht

  • Bodendruck

  • Fahrzeuggeometrie

• Gelände/Straße

  • Landschaftselemente

  • Bodenformen, -beschaffenheit, -festigkeit

  • Steigungen/Gefälle

  • Unebenheiten

  • Hindernisse, Bewuchs, Gewässer

  • Besiedlung, Verkehrswege

• Militärische Fahrzeuge

• Baufahrzeuge

• fortwirtschaftl. Fahrzeuge

• landwirtschaftl. Fahrzeuge

• Böschungswinkel größer als Geländewinkel

  • möglichst großer Winkel zwischen Linie des steilsten Abstiegs und Fahrzeuglängsachse

• Mensch

• Fahrzeug

• Gelände/Straße

• Zug- oder Schubkaft

• Maximaler Bodendruck

• Bodenverfestigung

• Beweglichkeit:

  • Wendigkeit, Geschwindigkeit

• Verschleiß

• Straßentauglichkeit

• Spurweite kleiner als Radstand:

  • Linie des steilsten Abstiegs sollte möglichst kleinen Winkel mit der Fahrzeuglängsachse einnehmen

• Kohäsive Böden:

  • Ton, Schluff

• Reibungsböden: praktisch nicht mehr köhäsiv

  • Sand, Kies, Geröll

• Organische Böden:

  • Zeichnen sich durch Reste von zersetzten Pflanzen oder tierischen Substanzen aus

• kohäsive Böden:

  • Böden mit hohem Wassergehalt, sodass die Dipolkräfte des Wassers diesen zusammenhalten

• kohäsive Kräfte:

  • Dipolkräfte des Wasser:

    • partiell positiv geladene Wasserstoffatome und partiell negativ geladenen Sauerstoffatome des Wassers ziehen sich gegenseitig an

• maximale Scherspannung:

  • tau_max = c + p * tan(phi)

    • maßgeblich für bindige Böden (kohäsive Böden): c

    • maßgeblich für nicht-bindige Böden (Reibungsböden): p * tan(phi)

• Korngrößenverteilung (grob -> fein)

• Ungleichförmigkeit, Krümmung der Körner

• Form der Körner

• Tangential:

  • Drehmoment vom Antrieb

  • Scherspannungen zwischen Rad und Boden

• Vertikal:

  • Druckspannungen zwischen Rad und Boden

• Formel:

  • tau (p,j) = [c + p * tan(phi)] * [e^((-k_2 + sqrt(k_2^2-1)*k_1)*j - e^(….)] * 1/y_max

  • —> 5 Bodenparameter:

    • c, phi, k_1, k_2, y_max

• Porenanteil:

  • n = V_v / V

  • V_v = V_g + V_l

• Porenziffer:

  • epsilon = V_v / V_s

• Verdichtbarkeit:

  • (epsilon_0 - epsilon_D) / epsilon_0

    • epsilon_0: dichteste Packung

    • epsilon_D: aktuelle Packung

• (gravimetrischer) Wassergehalt:

  • W = m_w / m_t * 100%

    • m_t = m_w + m_s

• Formel:

  • tau (p,j) = [c + p * tan(phi)] * [1 - e^(-j/k)]

  • drei Bodenparameter:

    • c, phi, k

• Formel:

  • p = [k_c / b + k_phi] * z^n

  • drei Bodenparameter:

    • k_c: Kohäsionsmodul

    • k_phi: Reibungsmodul

    • n: Einsinkexponent

  • Hinweis: Einheit von kc und kphi von n abhängig

• Janosi-Hanamoto: 2 Messungen

  • verschiedene F_z, sodass verschiedene Momente auftreten und zwei verschiedene tau_max abgelesen werden können

    • Unterscheidung zwischen plastischen (locker gelagert) Böden (kontinuierlicher Anstieg) und brüchigen (dicht gelagert) Böden (Peak und dahinter relativ konstant)

    • tau_max über Druck p darstellen: Entstehung einer Geraden

      • y-Achsenabschnitt der Geraden ist c

      • Steigung der Geraden ist tan(phi)

    • das k wird bestimmt, indem aus dem Diagramm “Drehmoment über Verdrehwinkel“ eine Asymptote an den Graphen angelegt wird und der x-Wert des Schnittpunktes der Asymptoten mit dem tau_max-Wert abgelesen wird. Dieser Wert k’ wird dann in die Formel für die Geometrie des Scherrings eingesetzt und das k bestimmt:

      • k = (r_a + r_i) / 2 * k’

• Cone-Index:

  • mittlerer Druck für bestimmten Bereich des Bodens

  • CI ist abhängig vom Wassergehalt: bei kohäsiven Böden hat das einen Einfluss, bei Reibungsböden kaum

• Arten:

  • CI: Cone-Index

  • RI: Remolding Index

  • RCI: Rating Cone Index

    • RCI = RI * CI

    • gibt Aufschluss darüber, wie tragfähig ein Boden nach 5-maliger Überfahrt ist

  • VCI: Vehicle Cone Index

    • muss kleiner als CI sein, damit Boden mit diesem Fz befahrbar ist

  • VCI_50: Vehicle Cone Index bei 50maliger Überfahrt

• Drucker-Prager-Kegel

  • sieht aus wie ein Kegel mit einem Deckel:

• RI > 1:

  • kohäsionslose Sande und Kiese

• 0,75 < RI < 1,35:

  • plastische Tone

• 0,45 < RI < 0,75:

  • toniger Kies, Kies-Sand-Ton-Mischungen

• 0,25 < RI < 0,85:

  • Grobsand-Schluff-Mischungen

• Allgemein:

  • RI > 1: Verfestigung

  • RI < 1: Entfestigung

• Man gibt Wasser und das Dispergierungsmittel in einen Zylinder. Aufgrund der Krafteinwirkung auf die Körner sinken diese mit der Zeit ab. Wenn man nun die Dichte mittels Aräometer abliest, kann man anhand der Temperatur und Zeit sagen, welche Korngrößen momentan an der gemessenen Stelle vorhanden sind.

• Kräfteeinwirkung:

• Bekker: 2 Messungen

  • verschiedene Plattendurchmesser, sodass zwei Druck-Einsinkungs-Kurven

    • diese logarithmisch darstellen, sodass zwei Geraden entstehen

      • Steigung beider Geraden ist gleich. Die Steigung ist das n

        • n = tan(alpha) mit alpha als Winkel zwischen Gerade und x-Achse

      • y-Achsenabschnitte sind Parameter A und B, mit welchen man k_c und k_phi berechnen kann (A > B):

        • A = log(k_c/b_1 + k_phi)

        • B = log(k_c/b_2 + k_phi)

• Diagramm: Konsistenz und Konsistenzgrenzen

• I_c: Konsistenzzahl (Abschätzen c aus tau_max)

  • I_c = (w_l - w) / I_p

• I_p = w_l - w_p

• Fließgrenze: w_l

• Ausrollgrenze: w_p

• Schrumpfgrenze: w_s

• Radfahrwerke:

  • Geometrie: Höhe, Breite, Radius

  • Aufbau: radial, diagonal, Bandage

  • thermische Eigenschaften

  • Profil

  • Druck, Möglichkeit Druck abzusenken

  • Deformationsverhalten

• Kettenlaufwerk:

  • Geometrie: Breite, Aufstandsfläche, Laufwerklänge, Bodenfreiheit, Überhangwinkel

  • Laufwerktyp

  • Antriebsrad, Leitrad, Federung, Dämpfung, Kettenspanner

  • Kettengeometrie und -material

• Geschwindigkeitsformel:

  • v^2 = (2R - h) / pi^2 * 5g

    • daraus folgt: Geschwindigkeit ist 0, wenn h = D

FR bei nachgiebigen Böden:

1. kettenfzg wenden nicht durch Lenken einzelner Räder, sondern durch unterschiedliche Geschw der Ketten (va > vi)

2. Aufgrund der Drehung um die Hochachse kommt es zu Tangentialgeschw, die zu Tangentialspannungen führen

3. Aufintegration der Spannungen multipliziert mit dem Abstand zur Mitte der Aufstandsfläche ergibt das Wendewiderstandsmoment

4. Die zusätzlich zu Zentrifugalkräften wirkenden Tangentialkräfte bezeichnet man als Wendewiderstand F_W

5. Benötigt Leistung; Wendewiderstandsbeiwert f_W hängt vom Lenkverhältnis (lambda = L/S) ab

   • L = Länge der Aufstandsfläche; S = Spurweite

• Bekker-Value-Meter:

• Zylinderförmige Bodenprobe wird mit einachsiger Druckspannung solange beansprucht, bis es zum Ausbeulen oder Ausscheren der Bodenprobe kommt

• Sigma2 = sigma3 = konstant

• Man erhält aufgrund Rotationssymmetrie einen max Spannungszustand, der mithilfe des Mohrschen Spannungskreises durch die Spannung sigma1 und sigma3 gekennzeichnet ist

  • durch Erhöhung der Stempelkraft wächst sigma1 bei gleichbleibendem sigma3

  • Wiederholung des Versuchs mit verschiedenen sigma3 führt auf Drucker-Prager-Kegel

• VCI beinhaltet Fahrzeugdaten bzw dessen Korrekturfaktoren, wie:

  • Masse

  • Getriebeart

  • Leistung

  • Bodenfreiheit

  • Kette/Rad

  • MI (Mobility Index)

    • Mittlerer Druck und einige k’s

• Tragfähigkeit

• Festigkeit

• Griffigkeit

• Ebenheit

• beschränkte Steigung

• Hindernisfreiheit

• Witterungsabhängigkeit

• Brücken über Gewässer

• Flur-/ Fahrbahnschäden

• Beachte: Gelände unterscheiden zwischen Moor und Fels

Zur Bestimmung der Scherfestigkeit bei verschiedenen p und den Druck-Einsinkungskurven bei verschiedenen b

• Übertragung von Kräften Rad/Kette - Boden:

  • Radlast

  • Umfangskraft

  • Seitenführungskraft

  • Rollwiderstand

  • Wendewiderstand (Kettenfzg)

  • Bodenverformung

  • Bodenverfestigung durch Fzg

  • Flurschäden

• Überwinden von Hindernissen:

  • Steigung

  • Böschungen

  • Stufen

  • Gräben

  • Rampen

  • Gewässer (Waten, Tauschen)

• Schwingungsanregung durch Unebenheiten:

  • Unebenheiten

  • Beanspruchung der Insassen

  • Beanspruchung und Lebensdauer von Fzg-Teilen

  • Transportbeanspruchung des Ladegutes

  • Fahrbahnverformung

• Sonstige Einflüsse:

  • Sichtverhältnisse

  • Vegetation

  • Brückendurchfahrt

  • Brückentragfähigkeit

  • (Bahn-) Transportmaß

  • Querneigung der Fahrbahn

  • Feindeinwirkung

• Platteneindruckversuch: Bekker-Modell

  • (kc/b + kphi) * z^n

• Ringscherversuch: Janosi-Hanamoto-Modell

  • tau = (c+p*tan(phi))(1-e^(-j/k))

• Triaxiales Kompressionsgerät: Drucker-Prager-Kegel

• c: Kohäsionsbeiwert

• phi: Reibungswinkel

• K: Schlupfkoeffizient

• k_c: Kohäsionsmodul

• k_phi: Reibungsmodul

• n: Einsinkexponent

• Gleichung:

  • p_m * lambda = G / (2*b*s)

• Erläuterung:

  • Bodendruck spiegelt Befahrbarkeit wider

  • Lenkverhältnis spiegelt Wendigkeit wider

• Hindernisse, Bewuchs, Gewässer

• Bodenfestigkeit, Fahrwiderstand

• Steigung/Gefälle

• Unerträglichkeit der Fahrzeugschwingungen (für Mensch und Material)

• Sichtverhältnisse, Fahrzeugbeherrschung