AW: Bremsanlage 17" - Vorteile gegenüber 16"
Hier mal ein Auszug aus einem Kapitel, das ich zum Thema Reifenhaftung verfasst habe. Das Buch (Kraftfahrtechnisches Taschenbuch) erscheint noch dieses Jahr. Die zugehörigen Grafiken kann ich leider hier nicht veröffentlichen.
Reifenhaftung
Haftungsentstehung
Reifen müssen auf den oft zitierten nur vier postkartengroßen Flächen (in Wahrheit sind die zur Verfügung stehenden Flächen sogar deutlich kleiner) sämtliche abgerufenen dynamischen Kräfte übertragen. Das hierfür erforderliche Haftungspotenzial zwischen Kontaktfläche der Reifen und der Fahr-bahnoberfläche entsteht durch mehrere gleichzeitig auftretende Phänomene.
Im Wesentlichen haben wir es mit Formschluss (Reifentechniker sprechen von Verzahnungseffekt) und Kraftschluss durch molekulare Anziehungskräfte, also Adhäsion zu tun.
Betrachtet man von außen ein mit konstanter Geschwindigkeit vorbeifahrendes Fahrzeug, scheint die Fähigkeit des Reifens, gleichzeitig rollen und Kräfte übertragen zu können, zunächst paradox. Bei näherem Hinsehen bleibt beim Abrollen des Reifens die sich kontinuierlich erneuernde Bodenaufstandsfläche nämlich scheinbar ortsfest – während jeder einzelne Gummiblock des Reifenprofils in diese zwangsweise sich abplattende Kontaktfläche einläuft, verformt wird und am anderen Ende wieder „ausgestoßen“ wird.
In dieser Kontaktfläche entstehen dadurch Relativbewegungen und somit automatisch Schlupf: Jeder einzelne Gummiblock rutscht während der Verweildauer in der Aufstandsfläche also grundsätzlich mehr oder weniger durch.
Haftungsfaktor 1: Verzahnungseffekt
Haftung entsteht durch den direkten und intensiven Kontakt des Reifens mit der Straße, abhängig von der Mikro- und Makro-Rauigkeit des Fahrbahnbelags: Beim Kontaktflächen-Durchlauf prallt ein betrachteter Profilblock gegen eine Erhebung im Asphalt, wird gestaucht und rutscht auf der anderen Seite der Erhebung beschleunigt wieder ab. Nur weil er dabei Schlupf produziert, kann er in tangentialer Richtung eine Gegenkraft in umgekehrter Abrollrichtung aufbauen, die dem Gleiten entgegenwirkt und so das Übertragen von Lenk- und Antriebskräften ermöglicht.
Aufgrund seiner viskoelastischen Eigenschaften kehrt obiger Gummiblock nach seiner Verformung nicht sogleich in seine Ursprungsform zurück, die Spannung läuft der sie verursachenden Verformung zeitlich hinterher. Dieser gummitypische Effekt einer Hysterese führt zu einem Energieverlust (tan delta) in Form nicht nutzbarer Wärme. Die hysteresebedingte, asymmetrische Verformung erzeugt eine Kräfteschar, deren Tangentialkomponente X (s. Grafik unten) parallel zur Fahrbahnoberfläche wirkt und erst so das Übertragen von Antriebs- oder Bremskräften zulässt.
Hierdurch und durch innermolekulare Reibung erwärmt sich ein abrollender Reifen. Der entstehende Energie-verlust ist mit verantwortlich für den Rollwiderstand des Reifens, der rund 20 bis 25%[SUP]2)[/SUP] des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs ausmacht.
Wäre dies nicht so, könnte der betrachtete Gummiblock (stellvertretend für die gesamte Aufstandsfläche) lediglich Vertikalkräfte (Grafik: Z) und damit nur statische Kräfte in Richtung Radmitte übertragen. Das Prinzip der formschlüssigen Haftung funktioniert auch auf feuchten bzw. nassen mikro/makro-rauen Fahrbahnoberflächen, allerdings mit eingeschränkter Wirksamkeit.
Voraussetzung für den Verzahnungseffekt ist also stets das Vorhandensein von mikro- und makroskopisch kleinen Straßenun-ebenheiten. Auf einer theoretisch völlig glatten Oberfläche (der Kraftschlussbeiwert µ geht gegen Null, µ[SUB]Eis[/SUB] ≈ 0,1) würde der Verzahnungseffekt vollständig versagen.
Haftungsfaktor 2: Adhäsion
Diese molekulare Haftung entsteht durch die Wechselwirkung und den intensiven Kontakt zwischen Reifen und trockener Straße (bei nasser Straße versagt die molekulare Haftung, während der Verzahnungseffekt wie oben beschrieben wirksam bleibt). Die Molekülketten des Reifengummis werden beim Abrollen zyklisch gedehnt und gestaucht. Dabei wird visko-elastische Arbeit verrichtet: Der Gummi widersteht seiner Verformung und produziert eine tangentiale Reibungskraft, die dem Gleiten und der Bewegungs-richtung entgegenwirkt. Der entsprechende Frequenzbereich der molekularen Haftung umfasst das Spektrum von 10[SUP]6[/SUP] bis 10[SUP]9[/SUP] Hz.
Zwei weitere wichtige Einflussfaktoren auf die Güte der Haftung sind noch zu nennen:
Lastfrequenz und Temperatur
Wird der Reifen beim Abrollen nur mit niedriger Frequenz angeregt, so verhält sich der Gummi elastisch (schwache Hysterese). Nimmt die Frequenz hingegen zu, zeigt sich ein visko-elastisches Verhalten – der für die Reifenhaftung ideale Bereich (Hysterese hat ihr Maximum). Nimmt die Frequenz weiter zu, sinken Viskosität (Fließfähigkeit) und Hysterese wieder, das Material lässt sich kaum noch verformen, es verhärtet – weil die Verformungsgeschwindigkeit größer ist als die Geschwindigkeit, mit der sich die Gummimoleküle innerhalb ihres bewegen können.
Parallel zeigt Gummi ein ausgeprägtes Wärmeabhängigkeitsverhalten: Im Bereich der so genannten ➝Glastemperatur – wenn etwa winterliche Umgebungskälte die Gummimischung verhärten und verspröden lässt (daher die Analogie zu Glas) – fällt der Reibungskoeffizient des Reifengummis durch dessen zunehmende molekulare Unbeweglichkeit markant ab. Umgekehrt lassen sich höhere Kräfte übertragen, wenn der Reifen in seinem optimalen Betriebs-temperaturbereich bewegt wird.
Für Gummi lässt sich also eine umgekehrt-proportionale Abhängigkeit zwischen Temperaturanstieg und Belastungshäu-figkeit feststellen. So steigt die Glastem-peratur eines Elastomers von -20°C bei nur 10 Hz auf +10°C bei 10[SUP]5[/SUP] Hz an. Mischungsentwickler sind in der Lage, Reifengummi mit einer Glastemperatur zwischen -60°C und 0°C bei einer Frequenz von 10 Hz zu entwerfen.
Exkurs: Visko-Elastizität
Visko-Elastizität beschreibt die zeit-, tempe-ratur- und frequenzabhängige Elastizität sowie Zähflüssigkeit von polymeren und elastomeren Stoffen (z.B. Kunststoffe, Gummi). Innere Dämpfung, Molekül-verhakungen und Kriechprozesse verhindern die beiden Extremzustände voll elastisch (z.B. Sprungfeder) bzw. hoch viskos (Festkörper). Verformung und die sie verursachende Kraft bzw. Spannung laufen zeitlich versetzt ab. Unverkennbares Merkmal eines visko-elastischen Stoffs ist somit die Hysterese.
Exkurs: Sonderfall Gummi-Reibung
Die klassischen Coulombschen Reibungs-gesetze (F[SUB]R[/SUB] = µ ∙ m ∙ g) gelten für vulkani-sierten Reifengummi nicht. Dessen Reibungskoeffizient µ (auch: Reibbeiwert oder Reibungszahl) ist nicht konstant, sondern
[SUP]n[/SUP] steigt mit abnehmender Flächenpressung
[SUP]n[/SUP] sinkt mit steigender Flächenpressung[SUP]5)[/SUP]
[SUP]n[/SUP] hängt von der Gleitgeschwindigkeit ab
[SUP]n[/SUP] hängt von Temperatur und Frequenz ab
Das Phänomen der Haftungszunahme mit abnehmender Flächenpressung erklärt die Bedeutung sehr breiter (und damit flächen-pressungsarmer) Reifen im Motorsport.
Nachträglich noch zwei wichtige Erkenntnise:
Reifen übertragen nur dann Kräfte, wenn sie "durchdrehen". Das heißt: Ein Reifen muss immer in Längsrichtung durchrutschen (das heißt dann Schlupf), um bremsen oder beschleunigen zu können. Und er muss schräg zur Radrollebene abrollen (das heißt dann Schräglaufwinkel), um Querkräfte in der Kurve übertragen zu können. Das heißt, dass ein Reifen IMMER mehr oder weniger über der Straße rutscht. Nur merken wir davon nichts.
[SUP]1)[/SUP] Siehe Aufstellung Seite XXX; Quelle: Continental
[SUP]2)[/SUP] Quelle: Goodyear
[SUP]3)[/SUP] Für die toxologisch bedenklichen Weichmacher und paraf-
finierten Öle gelten in der EU seit 2010 besonders strenge
Grenzwerte. Zunehmend werden von den Herstellern deshalb
unkritischere Naturöle (z.B. Sonnenblumenöl) eingesetzt.
[SUP]4)[/SUP] Quelle: Continental, 2011. Die angegebenen
Bremsdifferenzen wurden mit einem Mercedes C-Klasse
Fahrzeug auf Reifen der Größe 205/55 R 16 V in über 1000
Bremsversuchen ermittelt.
[SUP]5) [/SUP] Flächenpressung = Kraft pro Kontaktfläche; Angabe in N/mm[SUP]2[/SUP]
[SUP]6)[/SUP] Quelle: Michelin
[SUP]7)[/SUP] Quelle: Statistisches Bundesamt
LG
Dirk