Ein Beitrag zur Auflösung des Zielkonfliktes zwischen fahrdynamik-, fahrkomfort- und energieeffizienzprägenden Reifencharakteristika

Von:

Florian Birnbaum

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In frühen Phasen des Fahrzeugentwicklungsprozesses ist zur Ableitung von Komponentenzielen für den Reifen die Kenntnis von zwischen fahrdynamik-, fahrkomfort- und energieeffizienzprägenden Reifencharakteristika bestehenden Wechselwirkungen von elementarer Bedeutung. Allerdings sind die potentiell resultierenden Zielkonflikte in der Eigenschaftsableitung nach dem Stand der Technik unzureichend verstanden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher eine Methodik vorgestellt, die den Einfluss von konstruktiven und materialtechnischen Reifenparametern auf objektive Komponenten- und Gesamtfahrzeugkennwerte anhand von physisch aufgebauten Versuchsreifen einer Reifendimension untersucht. Dazu werden zunächst die Reifenkennwerte, welche Fahrdynamik, Fahrkomfort und Energieeffizienz prägen gegenübergestellt. Das Laufstreifenelastomer bestimmt neben den maximalen Reibwerten den Rollwiderstandskoeffizient maßgeblich. Neben dem Laufstreifen wird die Kraftübertragung im Linearbereich durch die Steifigkeit der Reifenaufbaukonstruktion geprägt. Dementsprechend ist ein stark ausgeprägter Zielkonflikt zwischen Rollwiderstand, Schräglaufsteifigkeit und Reibwerten ersichtlich. Im Gegensatz dazu zeigen die untersuchten komfortrelevanten Reifeneigenschaften wesentlich geringere Unterschiede auf. Anschließend werden auf Gesamtfahrzeugebene die Auswirkungen von konstruktiven und materialtechnischen Reifenparametern in Versuch und Simulation umfassend analysiert. Die objektiven Kennwerte der Fahrdynamik werden im Linear- und Grenzbereich maßgeblich vom Reifenverhalten geprägt. In Abweichung dazu zeigt der mechanische Gesamtfahrzeugkomfort wesentlich geringere Wechselwirkungen zu den untersuchten Reifenparametern auf. Basierend auf den identifizierten Zusammenhängen wird ein Ansatz zur Minimierung des aufgezeigten Zielkonfliktes vorgestellt. Anhand der aufgebauten Spezifikationen ist ableitbar, dass Reifen mit rollwiderstandsoptimierten Laufstreifen den Linearbereich der Fahrdynamik durch eine steifere Aufbaukonstruktion positiv beeinflussen können. Auf Grundlage dieses Wirkkettenverständnisses wird ein Reifenmodell mit physikalischem Ansatz entwickelt, welches einflussreiche Reifenkennwerte des untersuchten Zielkonfliktes abbildet. Dazu wird die horizontale Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn mittels eines Borstenmodells mit flexibler Aufbaukonstruktion dargestellt. Die Kontaktlänge, der Rollwiderstand sowie das Umschließungsverhalten des Reifens von singulären Hindernissen wird durch ein flexibles Gürtelringmodell repräsentiert. Basierend auf der durchgeführten Analyse ist demnach ein Beitrag zur zielgerichteten Ableitung von Reifeneigenschaften geschaffen worden, wodurch folglich eine Einsparung von Entwicklungszeit und -kosten über die gesamte Reifenentwicklung ermöglicht wird.