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Analysis of Off-Road Tire-Soil Interaction through Analytical and Finite Element Methods

  • Tire-soil interaction is important for the performance of off-road vehicles and the soil compaction in the agricultural field. With an analytical model, which is integrated in multibody-simulation software, and a Finite Element model, the forces and moments generated on the tire-soil contact patch were studied to analyze the tire performance. Simulations with these two models for different tire operating conditions were performed to evaluate the mechanical behaviors of an excavator tire. For the FE model validation a single wheel tester connected to an excavator arm was designed. Field tests were carried out to examine the tire vertical stiffness, the contact pressure on the tire – hard ground interface, the longitudinal/vertical force and the compaction of the sandy clay from the test field under specified operating conditions. The simulation and experimental results were compared to evaluate the model quality. The Magic Formula was used to fit the curves of longitudinal and lateral forces. A simplified tire-soil interaction model based on the fitted Magic Formula could be established and further applied to the simulation of vehicle-soil interaction.
  • Die Reifen-Boden-Interaktion ist wichtig für die Leistungsfähigkeit von Geländefahrzeugen und die Bodenverdichtung landwirtschaftlicher Nutzflächen. Mit Hilfe einen analytischen Models, das in eine Mehrkörpersimulation Software integriert wird, und der Finite Elemente (FE) Modell, werden die Kräfte und Drehmomente für die Analyse des Reifenverhaltens ermittelt. Es wurden Simulationen bei unterschiedlichen Betriebszuständen eines Baggerreifens durchgeführt und das mechanische Verhalten ausgewertet. Um das FE-Modell zu validieren, wurde ein Einzelrad-Tester entwickelt, welcher an einen Baggerarm angekuppelt wurde. In Feldversuchen wurden die Reifensteifigkeit, die Spannung in der Reifen-Hartboden-Kontaktfläche, sowie die longitudinalen und vertikalen Kräfte und die Verdichtung des Sandigen Lehmbodens in Abhängigkeit von vorgegeben Reifenbetriebszuständen untersucht. Für die Bewertung der Modellqualität werden die Ergebnisse von Simulationen und Experimenten verglichen. Das Magic Formula wurde heraufgezogen, um die Kurven der longitudinalen und queren Kräfte anzupassen. Mittels die Magic-Formula-Funktion wird ein Modell der vereinfachtes Reifen-Boden-Interaktion zur Verfügung steht, mit dem könnte die Fahrzeug-Boden-Interaktion simuliert werden kann.

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Metadaten
Verfasserangaben:Hao Li
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-36443
Betreuer:Christian Schindler
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Englisch
Veröffentlichungsdatum (online):30.10.2013
Jahr der Veröffentlichung:2013
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:30.07.2013
Datum der Publikation (Server):31.10.2013
GND-Schlagwort:Analytical method; Finite element method; Tire-soil interaction
Seitenzahl:XIII, 162
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Lizenz (Deutsch):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 10.09.2012