Die Apparatur zur Bestimmung der Gummireibung wurde in Jülich entwickelt: Die Probe der Reifenoberfläche ist an einer Stahlplatte befestigt, unter der sich ein Stück Straßendecke hin und her bewegt.
Forschungszentrum Jülich
Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich haben in Zusammenarbeit mit dem Hersteller Bridgestone die Reibung von Gummireifen auf Straßenasphalt untersucht und experimentell nachgewiesen, dass je nach Geschwindigkeit unterschiedliche Aspekte für die Reifenhaftung eine Rolle spielen: So ist bei niedrigen Geschwindigkeiten die tatsächliche Kontaktfläche ausschlaggebend, bei höheren Geschwindigkeiten kommt es hingegen auf die Viskoelastizität des Gummis an.
In Zusammenarbeit mit Reifenexperten von Hersteller Bridgestone haben die Jülicher Wissenschaftler mithilfe einer selbst entwickelten Apparatur die Reibung von Gummireifen, auf Straßenasphalt ermittelt. "Unterhalb einer Geschwindigkeit von einem Zentimeter pro Sekunde wird die Reifenhaftung vorrangig durch die sogenannte wahre Kontaktfläche bestimmt. Bei schnelleren Geschwindigkeiten ist stattdessen eher die Viskoelastizität des Gummis wichtig", beschreibt Dr.-Ing. Boris Lorenz vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-1) die Messergebnisse. Für die Gummireibung auf der Straße seien beide Faktoren relevant. Bei einer ABS-Bremsung bleibe der Reifen beispielsweise zunächst kurz auf der Straße haften, bevor er mit Schlupfgeschwindigkeiten von bis zu einem Meter pro Sekunde zu rutschen anfange.
Kontaktfläche zwischen Reifen und Asphalt circa in Prozent
Die sogenannte wahre Kontaktfläche zwischen Reifen und Asphalt unterscheidet sich stark von der geometrischen abgedeckten Fläche - typischerweise liegt sie bei nur etwa einem Prozent. Der raue Asphalt weist über verschiedene Größenordnungen hinweg kleine Erhöhungen und Spitzen auf, auf denen der Reifen aufliegt. Erst auf der kleinsten, mikroskopischen Ebene kommt es zum direkten, physischen Kontakt. Die Jülicher Forscher gehen davon aus, dass sich an den Berührungsstellen eine Art Schmierfilm ausbildet. Diese dünne Zwischenschicht könne abgeriebenes Material oder Flüssigkeitsreste enthalten und bestimme durch ihre Verformung oder Risswachstum die Gummireibung bei niedrigen Geschwindigkeiten.
Materialdämpfung erhöht Bodenhaftung
Ab Geschwindigkeiten von einem Meter pro Sekunde sei dagegen eine bestimmte Materialeigenschaft des Gummis, die Viskoelastizität, ausschlaggebend. "Wenn ein Reifen über die raue Straßendecke gleitet, ist er an den kleinen Unebenheiten und Erhöhungen des Asphalts Stößen ausgesetzt. Diese führen dazu, dass der Reifen nachgibt und sich eindellt, wodurch sich die Moleküle gegeneinander bewegen und den Stoß abdämpfen", erklärt der Leiter der Jülicher Arbeitsgruppe Dr. Bo Persson. Dadurch nehme der Reifen kurzzeitig Energie auf, was die Reibung und damit auch die Bodenhaftung erhöhe.
Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, so die Jülicher Forscher, eine von Persson entwickelte Theorie zur Gummireibung. Sein Modell erfasse Unebenheiten einer Oberfläche bis in den Nanometerbereich. Mithilfe von Daten zur Rauigkeit der Straße und Viskoelastizität des Gummis lasse sich so vorhersagen, wie gut eine Gummimischung auf Asphalt haftet. Für den endgültigen Beleg dieses Ansatzes seien aber noch weitere Messreihen erforderlich.
Ihre Feststellungen veröffentlichten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift Journal of Physics; Condensed Matter (Lorenz B, Persson BN, Fortunato G, Giustiniano M, Baldoni FJ: Rubber friction for tire tread compound on road surfaces; Phys Condens Matter. 2013 Mar 6; 25(9):095007; DOI: 10.1088/0953-8984/25/9/095007).
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