17.04.2013, 13:50 Uhr | 0 |

Reifen sind ein Rätsel Forscher entwickeln Simulationsmodell für Reifentests

Reifen haben mit nur einem Prozent ihrer Fläche direkten Bodenkontakt: Diese überraschende Entdeckung machten Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich. Sie versuchen, die aufwändigen Reifentests durch ein Computermodell abzulösen. Bislang entziehen sich Reifen jeder Simulation. Gummi verlangt nach echten Tests auf der Straße.

Geringer Reifenkontakt in der Kurve
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Nur ein Prozent der Reifenfläche hat Kontakt mit dem Boden.

Foto: Dunlop

Selbst professionellen Entwickler gibt der Autoreifen Rätsel auf. Tausende Faktoren haben einen Einfluss darauf, wie er sich später auf der Straße verhält: Ob er bei hohen Geschwindigkeiten ausreichend Haftung entwickelt, ob er genügend Bodenkontakt bei Bremsmanövern behält, in Kurven brav in der Spur bleibt und dennoch so wenig Rollwiderstand hat, dass der Spritverbrauch des damit ausgerüsteten Fahrzeugs niedrig bleibt. Während bei der Entwicklung von nahezu allen Produkten die Computersimulation eine wichtige Rolle spielt, sind Reifenhersteller noch weitgehend auf Tests angewiesen. Tausende von Reifen werden nur produziert, um sie in Testreihen zu verschleißen.

Die tatsächliche Kontaktfläche ist gering

Experten des Forschungszentrums (FZ) Jülich haben jetzt einen ersten Schritt getan, die Reifenentwicklung zur Wissenschaft zu machen. Im Auftrag des japanischen Herstellers Bridgestone analysierten sie die Interaktion zwischen Reifen und Straßenbelag mit Hilfe eines Versuchsstandes, den die Zentralabteilung Technologie des FZ Jülich baute. Bei sehr langsamem Tempo von einem Zentimeter pro Sekunde, so fanden sie heraus, bestimmt die „wahre Kontaktfläche“ die Haftung. Das ist die Fläche des Reifen, die die Straße tatsächlich berührt.

Die Tests ergaben, dass die tatsächliche  Kontaktfläche zwischen Reifen und Asphalt nur ein Prozent der geometrisch abgedeckten Fläche beträgt. Also ein Hauch von nichts. Das liegt daran, dass die Lauffläche nicht in alle Vertiefungen eintaucht, die der raue Asphalt hat. Dieser Reibwert ist wichtig für Bremsungen, bei denen sich das Antiblockiersystem einschaltet. Es bremst die Räder immer wieder für den Bruchteil einer Sekunde bis in die Nähe des Stillstands ab, bis das Fahrzeug nahezu steht.

Bei flotterer Fahrt ist die Viskoelastizität der verwendeten Reifenmischung entscheidend für die Haftungsfähigkeit. Die Lauffläche erhält von den Unebenheiten der Straßenoberfläche pausenlos kleine Schubser. Wegen ihrer Elastizität versucht die Gummimischung dagegenzuhalten. Die Moleküle, aus denen sie aufgebaut ist, verschieben sich gegeneinander. „Dadurch nimmt der Reifen kurzzeitig Energie auf, was die Reibung und damit auch die Bodenhaftung erhöht“, sagt der Leiter der Jülicher Arbeitsgruppe, Bo Persson.

Auch Scheibenwischer werden besser

Die bisherigen Messergebnisse stützen ein mathematisches Modell für die Interaktion zwischen Lauffläche und Asphalt, das Persson entwickelt hat. Die Variablen darin sind die Rauigkeit der Straßenoberfläche bis hinein in den Nanometerbereich (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter) und die Viskoelastizität der Gummimischung. Weitere Versuche sollen das Modell so weit verfeinern, dass sich die Haftung zwischen Reifen und Straße ohne reale Tests vorhersagen lässt. Das würde nicht nur den Entwicklungsaufwand der Hersteller reduzieren, sondern auch die Qualität der Reifen verbessern. Erfreulicher Nebeneffekt: Auch die Gummilippen von Scheibenwischern könnten mit diesem Modell optimiert werden.

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Von Wolfgang Kempkens
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