Informationen zu Reifen

Reifen

Reifen sind nicht nur schwarz, rund und haben ein Loch in der Mitte!

In einem Reifen stecken mehr als 200 Werkstoffe und zwischen 30 und 40 Halbfertig-Produkte. Es ist eine Kunst und ein Geheimniss für sich, einen Reifen zu bauen. Der Ablauf einer Reifenproduktion ähnelt weltweit, doch jeder Reifenhersteller hat seine eigene Art und Rezeptur, wie er seinen Reifen aufbaut und welche Gummimischung er seinem Reifen gibt.

Dies ist sehr schön bei der Formel 1 zu beobachten, der Reifen entscheidet maßgeblich über den Verlauf eines Rennens und dies anhand seiner Gummimischung und der Beschaffenheit der Karkasse.

Wenn man einen Reifen betrachtet, hat man den Eindruck, dieser wäre an einem Stück gemacht und kommt einfach fertig aus irgendeiner Maschine, doch die Produktion eines Reifens ist viel komplexer als man sich vorstellt. Der Bau eines Reifens beansprucht ca. 2 Stunden bis er die Produktion verlässt und für den Verkauf fachgerecht eingelagert wird.

Der heutige Reifenhersteller baut absolute Hightech Reifen, angefangen von Reifen, die keine Luft mehr benötigen bis zum Reifen, der sich selbst wieder flickt oder Reifen mit denen Sie trotz Reifenpannen bis zur nächsten Werkstatt fahren können.

Für jeden Anspruch, für jede Situation und für jede Rennstrecke gibt es einen speziellen Reifen

Ein Reifen hält heute ca. 20-35 Tausend Kilometer. Hat er seine Mindestabfahrgrenze von 1,6 mm erreicht, wird er gegen einen neuen Reifen ersetzt. Theoretisch wurde der Reifen zu 100% verbraucht, doch praktisch nicht! Ist das Profil erst abgefahren, so wurde der Reifen erst zu 20% verbraucht, die Karkasse beinhaltet 80% eines Reifens. Soweit dieser nicht beschädigt und in einem einwandfreien Zustand ist, wird dieser der Runderneuerung zugeführt und kann nach der Runderneuerung für den Autofahrer weiteren Dienst leisten. Ausgediente Reifen, die sich für eine Runderneuerung nicht mehr eignen, werden in Zementwerken verbrannt, oder in Aufbereitungsanlagen zu Granulat verarbeitet. In vielen Ländern werden verbrauchte Reifen, zum Auffüllen benutzt, oder zu Gegenständen verarbeitet. Auch für die Kunst sind Reifen bestens geeignet.

Dem Reifen als Bindeglied zwischen Fahrzeug und Fahrbahn kommt traditionell eine sehr wichtige Rolle bei der Betrachtung des Fahrzeugverhaltens zu. Dementsprechend zahlreich sind auch die Ansätze zur Beschreibung des Reifenverhaltens. Bedingt durch den komplexen Aufbau moderner Reifen, die zudem noch aus Werkstoffen mit sehr unterschiedlichen und weitgehend nichtlinearen Eigenschaften bestehen, ist es bislang jedoch noch nicht möglich, das Reifenverhalten auf rein analytischem Wege vorherzusagen. Daher nehmen die verschiedensten Prüfverfahren in der Reifentechnik immer noch eine dominierende Stellung ein. Die mit den Prüfverfahren gewonnenen Ergebnisse dienen dann als Grundlage für verschiedenste Simulationsmodelle mit denen das Reifenverhalten realitätsnah in der Simulation abgebildet werden soll. Im Rahmen dieser Laborveranstaltung soll ein Einblick sowohl in moderne Prüfverfahren als auch in gängige Simulationsansätze zur Beschreibung des Reifenverhaltens gegeben werden. Hierzu wird zunächst kurz auf den prinzipiellen Aufbau von Luftreifen eingegangen. Danach werden die verschiedenen Prüfungen und die dazu genutzten Einrichtungen vorgestellt. Schließlich wird die Modellbildung für einen Reifen anhand eines Simulationsmodells erläutert. Im praktischen Teil dieser Laborveranstaltung wird der dynamische Reifenprüfstand MOREP des Instituts für Kraftfahrwesen Aachen vorgestellt und es wird exemplarisch eine Reifenmessung durchgeführt.

Aufbau von Luftreifen

Der luftgefüllte Reifen ist als Bauteil von Fahrzeugen bereits seit dem Ende des 19. Jahrhunderts bekannt. Die Bauformen von Reifen haben sich seitdem natürlich immens weiterentwickelt und sind an die besonderen Einsatzzwecke angepasst worden, vgl. Abb. 2-1. Moderne Luftreifen bestehen zunächst aus einer oder mehrer Karkasslagen, die aus unterschiedlichsten Gewebearten bestehen können. Hier wurde früher vorwiegend Baumwollgewebe eingesetzt, während heutzutage je nach Belastung Stahl oder hochwertige Kunstfasern (Rayon, teils auch Aramid- oder Kevlar-Fasern) zum Einsatz kommen. Die Karkasslagen, deren Anzahl und Anordnung entscheidend die Tragfähigkeit und die Eigenschaften des Reifens beeinflussen, lassen eine grobe Klassifizierung der verschiedenen Reifenbauarten zu. So bestehen Diagonalreifen, die mittlerweile fast nur noch beim Kraftrad zum Einsatz kommen, aus einer meist geradzahligen Anzahl von Karkasslagen, die abwechselnd in einem bestimmten Fadenwinkel nach links bzw. rechts zur Reifenmittelebene verlaufen.

Prüfung von Kraftfahrzeugreifen

Experimentelle Untersuchungen von Reifen für Kraftfahrzeuge werden mit ganz unterschiedlichen Zielrichtungen durchgeführt. Es sind folgende Prüfungen zu unterscheiden:

• Betriebsfestigkeitsprüfung:
  Die höchsten Beanspruchungen erfahren Reifen bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, da sie sich dabei stark aufheizen. Hochgeschwindigkeits-Prüfstände weisen in der Regel keine Einrichtungen zum Messen der von den Reifen hervorgerufenen Kräfte und Momente auf. Sie besitzen aufgrund der hohen zu realisierenden Geschwindigkeiten meist Außentrommel-Laufbahnen und müssen sehr robust gebaut sein, da viele Prüfprozeduren erst mit der Zerstörung des Reifens beendet sind, wobei die Geschwindigkeit, bei der der Reifen versagt hat, als charakteristisches Ergebnis gilt.

• Uniformity-Prüfung:
  Bei dieser Prüfung wird der Reifen auf Rundlauf- und Kraftschwankungen untersucht. Hierzu wird er in einer sehr steifen Prüfeinrichtung eingespannt und rollt vergleichsweise langsam auf einer Prüffahrbahn (in der Regel eine Außentrommel) ab; in jüngerer Zeit sind auch Prüfstände entstanden, die eine Uniformity-Messung bei hohen Fahrgeschwindigkeiten erlauben. Die aus den Rundlauffehlern resultierenden Kraftschwankungen werden registriert und sind ein Maß für die Laufruhe eines Reifens.

• Schlagleistenüberfahrten (Cleat-Tests):
  Diese Prüfung dient der Ermittlung des Kraftübertragungsverhaltens des Reifens bei der Überrollung von Hindernissen. Damit lassen sich Aussagen zum Schluckvermögen des Reifens machen. Oft werden die Ergebnisse dieser Messungen zur Validierung von Simulationsmodellen genutzt, die besonders für Fahrzeugsimulationen zum Fahrkomfort genutzt werden. Um Schwingungseinflüsse auf die Messergebnisse durch den Prüfstand zu vermeiden, muss dieser bei solchen Messungen sehr steif ausgeführt sein.

• Messung der Kraft- und Momenten-Charakteristiken:
  Diese Messungen dienen zur Ermittlung des Seitenkraft- und Rückstellmomentverhaltens von Reifen, da diese Eigenschaften einen starken Einfluss auf das Lenk- und Fahrverhalten von Kraftfahrzeugen haben. Je nach Zweck der Messungen werden die Ergebnisse direkt zum Vergleich verschiedener Reifen oder aber zur Validierung vom Reifensimulationsmodellen genutzt.

• Modalanalyse:
  Die Kenntnis der Lage der Frequenzen für die Eigenschwingungsformen des Reifens ist sowohl für Untersuchungen zum (niederfrequenten) Schwingungskomfort von Fahrwerken von Bedeutung, als auch für die Analyse der Schwingungsübertragung im akustisch interessanten Bereich von Bedeutung. Dem Reifen kommt hier natürlich als erste Schnittstelle zwischen schwingungsanregender Fahrbahn und schwingendem Fahrzeug eine besondere Bedeutung zu.

• Messung der Bodendruckverteilung im Reifenlatsch:
  Die Ergebnisse werden bei Nutzfahrzeugreifen eingesetzt, um unterschiedliche Reifenkonstruktionen hinsichtlich der Straßenbelastung bewerten zu können. Ein gleichmäßig niedriger Bodendruck wirkt sich dabei positiv aus. Aufgrund der druckabhängigen Reibeigenschaften von Gummi auf Asphalt werden solche Messungen auch von Reifenherstellern genutzt, um die Reifenkonstruktion auch bei Pkw-Reifen zu optimieren. Bodendruckmessungen dienen daneben auch der Validierung und Parametrierung von physikalischen Reifenmodellen. Im Rahmen dieses Labors wird ausschließlich auf die fünf letztgenannten Prüfungen eingegangen.

Messung der stationären Reifencharakteristiken

Die wichtigste Untersuchung von Reifen dient der Ermittlung der Seitenführungseigenschaften und des Rückstellverhaltens der Reifen. Hierzu ist es zunächst erforderlich, den kompletten Bewegungszustand des Reifens zu beschreiben. Dieser setzt sich aus den folgenden Größen zusammen:

• Radlast
• Reifendruck
• Geschwindigkeit über Grund
• Umfangsschlupf
• Schräglaufwinkel
• Sturzwinkel

Hieraus kann also abgeleitet werden, dass ein universeller Reifenprüfstand all diese Parameter beeinflussen können muss. Der Reifen „reagiert“ auf den von außen aufgeprägten Betriebszustand mit folgenden Zustandsgrößen:

• dynamischer Radhalbmesser
• Umfangskraft
• Seitenkraft
• Rückstellmoment
• Laufstreifentemperatur

Diese Werte muss der Prüfstand also während der Prüfung erfassen, um eine vollständige Information über den Reifen zu erhalten. Während der Reifenprüfung werden in der Regel alle Parameter bis auf einen konstant gehalten, um allein den Einfluss dieses Parameters zu ermitteln. Meist werden der Umfangsschlupf bzw. der Schräglaufwinkel variiert, da diese Größen den stärksten Einfluss auf das Reifenverhalten haben. Prinzipiell erhält man bei allen Reifen ähnlich geformte Kurven, die sich dann je nach Reifenbauform in ihrer Form und in den Maximalwerten erheblich unterscheiden können.