Fahrzeugreifen und Fahrwerkentwicklung

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1. Einleitung

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Der Entwicklungsprozess Reifen ist ein äußerst komplexer Vorgang. Er beginnt bei einem neuen Fahrzeugmodell mit der Reifenauslegung. Hierbei werden die Reifendimensionen festgelegt, welche primär von Kriterien wie Achslast, Fahrzeughöchstgeschwindigkeit, Bremsenbauraum und Achskonzept aber auch von der Fahrzeugpositionierung abhängig sind.

2. Der Reifen

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Der Reifen ist ein rotationssymmetrischer, nicht isotroper, aus mehreren untereinander verbundenen verschiedenen Gummikomponenten bestehender Verbundwerkstoff, der durch textile-bzw. Stahl-Verstärkungsmaterialien bezüglich seiner Festigkeitseigenschaften bestimmt wird. So lautet die formale Beschreibung eines Reifens in einem Lexikon.

3. Geometrie und Tragfähigkeit

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Die Geometrie eines Reifens ist in erster Näherung ein Torus, der über Innendurchmesser, Außendurchmesser und Breite spezifiziert ist. Der Innendurchmesser ist in Zoll, die Breite in mm und der Außendurchmesser ist indirekt über das Höhen/Breiten Verhältnis in Prozent beschrieben. Die tatsächlichen Abmaße inklusive der zugehörigen Toleranzen sind in den Normenwerken der ETRTO (European Tyre and Rim Technical Organisation) eindeutig beschrieben. Diese Werte sind auch maßgeblich bei der Zertifizierung von Fahrzeugen und bilden damit auch die Grundlage für die Reifenfreigängigkeit, das Sichelmaß sowie den Abstand von Karosserie und Reifen im Fahrbetrieb.

4. Reifenlastenheft

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Zur genauen Spezifikation von Reifen für neue Fahrzeuge ist ein Reifenlastenheft erforderlich. In diesem Reifenlastenheft müssen alle Anforderungen, die an den Reifen gestellt werden, definiert sein. Die Anforderungen lassen sich systematisch in Sicherheits-, Komfort-, Handling- und Ökonomische Aspekte unterteilen, Bild 4-1. Die Sicherheitsaspekte sind Bremswege bei trockenen und nassen Fahrbahnen, aber auch die Schnelllauf- bzw. High-Speed-Eigenschaften (HS). Beim Komfort wird zwischen Mechanisch und Akustisch unterschieden. Beim Handlingverhalten spielen die Reifeneigenschaften Schräglauf- und Quersteifigkeit eine entscheidende Rolle, besonders wichtig ist auch das sichere Fahrverhalten bei hohen Geschwindigkeiten.

5. Mobilitätsstrategie

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Reifen sind Verschleißteile, die extremen Belastungen unterliegen. Reifen kommen mit der Außenwelt in Berührung, d. h. mit Fremdkörpern auf der Straße wie Nägel, Scherben etc. Reifen sind bei Missbrauch (Überfahren hoher Bordsteine) extrem gefordert und können dabei versagen. Wenn das betroffene Fahrzeug keinen weiteren Schaden hat, hängt die Mobilität letztlich vom Reifen ab. Daher ist für Kunden die Vermeidung von Reifenpannen wünschenswert, obwohl statistisch gesehen Reifenpannen relativ selten sind. Dieser Sachverhalt erzeugt immer wieder die Diskussion über die Sinnhaftigkeit von vollwertigen Reserverädern. Eine Statistik in Bild 5-1 zeigt, dass in Europa mit ca. 80 % Gegenstände in der Lauffläche Ursache für eine Reifenpanne sind. Ventil- und Raddefekte sind mit ca. 10 % Ursache für eine Panne, wobei der Ventildefekt meist auf schlechte Montage und der Raddefekt häufig auf Missbrauchsmanöver, wie heftige Bordsteinrempler, zurückzuführen sind.

6. Projektmanagement

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Das Projektmanagement dient dazu, die im Lastenheft geforderten Eigenschaften des Reifens termingerecht in den Zielbereich zu bringen. Zusätzlich sind Kosten-, und Gewichtsbetrachtungen sowie Projektreviews fester Bestandteil der Kommunikation zwischen Fahrzeug- und Reifenhersteller. Die Qualitygates dienen zur Absicherung der Zeitpläne. Hierzu sind entsprechende Zwischenziele festgelegt. Diese Zeitplanung ist wesentlicher Bestandteil der Bemusterungsgespräche mit den Reifenentwicklungspartnern.

7. Reifenprüfungen

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Bei der Reifenentwicklung spielt die Überprüfung der im Lastenheft spezifizierten Anforderungen eine bedeutende Rolle. Diese Prüfungen werden sowohl subjektiv als auch objektiv durchgeführt. Es kommt dabei darauf an, einerseits vorgegebene Kenndaten abzuprüfen und andererseits die Unterschiede zwischen Reifen unterschiedlicher Bemusterungen zu ermitteln. Das Ermitteln der Unterschiede wird auch Benchmarking genannt, da damit eine Potentialabschätzung verbunden ist. Dieses ständige Monitoring des Wettbewerbes zwischen den Reifenherstellern fließt wiederum in die Lastenheftphase nachfolgender Baureihen ein.

8. Kräfte und Momente

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Der Reifen ist die einzige Verbindung von Fahrzeug und Straße. Es handelt sich dabei um 4 etwa postkartengroße Flächen, welche die Längs- und Querkräfte übertragen. Die lokalen Eigenschaften der Kontaktfläche von Reifen und Straße sind sehr komplex und z. B. in [4] ausführlich beschrieben. Die Reifeneigenschaften beeinflussen maßgeblich das dynamische Verhalten von Fahrzeugen. Die Schräglaufwinkelcharakteristik, also Seitenkraft und Rückstellmoment in Abhängigkeit des Schräglaufwinkels spielen die wichtigste Rolle bei der Kurvenfahrt.

9. Geräusche und Schwingungen

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Schwingungen und Geräusche stellen immer eine besondere Herausforderung an die Reifen und Fahrzeugentwickler dar. Deren Wahrnehmung hängt vor allem von Amplitude, Frequenz und Dämpfung ab. Aber auch kann die Schwingung von Person zu Person und je nach Situation unterschiedlich stark wahrgenommen werden. Faktoren sind hier unter anderem: Alter, Geschlecht, Größe, Erwartungshaltung, Körperposition zur Schwingungsquelle, Aktivität zur Zeit der Schwingungseinwirkung. Aber auch der Kulturkreis spielt eine nicht zu unterschätzende Rolle.

10. Reifendruck

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Der Reifendruck ist eine wichtige Größe, die letztlich fast alle Reifeneigenschaften beeinflusst. Der Mindestluftdruck wird in der ETRTO festgelegt. Er hängt vom Loadindex des Reifens, vom Speed-Index, Zusatzkennungen wie Extraload (XL), von der tatsächlichen Auslastung des Reifens und vom Sturz bei der Geradeausfahrt ab. Den Mindestluftdruck am Fahrzeug legt der Fahrzeughersteller fest, wobei der Reifenhersteller ein Mitspracherecht hat. Dieser Mindestluftdruck kann höher sein, wenn es z. B. Kriterien gibt, die das erforderlich machen. Typische Gründe hierfür sind das Reifenabwerfen z. B. beim Fishhooktest, Stabilitätsgründe oder die Abstimmung zwischen Vorder- und Hinterachse. Häufig wird der Luftdruck in Abhängigkeit von Reifendimension, Beladung und Fahrgeschwindigkeit angegeben, Bild 10-1.

11. Reifenbeurteilung

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Die Reifenbeurteilung ist eine schwierige Aufgabe, obwohl oder gerade deswegen, weil jeder Führerscheinbesitzer ein subjektives Urteil abgeben kann. Zwischen dem Urteil eines normalen Autofahrers und einem guten Subjektivbeurteiler liegen Welten. Nicht umsonst dauert eine Ausbildung zu einem Subjektivbeurteiler, Talent dafür vorausgesetzt, bis zu drei Jahren. Wichtig sind gemeinsame Beurteilungsfahrten mit den Entwicklungspartnern. Die Reifenbeurteiler bei den Entwicklungspartnern müssen die Unterschiede zwischen verschiedenen Prototypreifen auf bekannten Serienfahrzeugen und Prototypfahrzeugen „erfahren“ und damit Beurteilungsschwerpunkte sowie gemeinsame Referenzreifen und Referenzfahrzeuge festlegen.

12. Simulation

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Eine Simulation ist die Durchführung von Versuchen mit Reifenmodellen, anstelle von realen Reifen. Dieser Simulationsprozess stellt die Endausbaustufe im digitalen Entwurfsprozess dar. In der Fahrwerkentwicklung erfolgt die Simulation unter Einbeziehung aller Fahrwerkkomponenten, wie Lenksystem, Achsmodellen, Feder-/Dämpfermodellen und natürlich auch Reifenmodellen, Bild 12-1. Diese Reifenmodelle sind aus Komplexitäts- und Rechenzeitgründen meist mathematisch oder teilphysikalisch und werden mit Messdaten parametriert.

13. Ausblick

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Der Reifenentwicklungsprozess ist ein dynamischer Prozess, der nie abgeschlossen sein wird. Technische Fortschritte müssen beim Kunden ankommen, damit dessen Sicherheits- und Komfortanforderungen erreicht werden können. Neue Systeme, Änderung bei der Gesetzgebung und neue Anforderungen seitens der Kunden werden den Prozess auch in Zukunft nachhaltig verändern.

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