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19. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2010
1
Thermographische Laboruntersuchungen der
Kraftübertragung von Reifen auf winterlichen
Fahrbahnen.
Thermal imaging on the force transmission of tires
on winter tracks under laboratory conditions.
Dipl.-Ing. Martin Gießler, Prof. Dr.rer.nat. Frank Gauterin
KIT - Karlsruhe Institut für Technologie, Institut für Fahrzeugsystemtechnik, Karlsruhe
Dipl.-Ing. Klaus Wiese, Dr.-Ing. Burkhard Wies
Continental Reifen Deutschland GmbH, Hannover
Zusammenfassung
Zur Klärung des Einflusses der Reibwärme auf die vom Reifen übertragbaren Kräfte
wurde die Kraftübertragung von 2 Reifen mit und ohne Lamellen auf Eis und Schnee
und die Entwicklung der Oberflächentemperatur am Innentrommelprüfstand des KIT
zeitgleich erfasst. Die theoretische Analyse der instationären Reibwärmeleitung zeigt,
dass die Grenze bis zu der Reibkräfte ohne Aufschmelzen übertragen werden
können, sehr dicht an der Kraftübertragungskennlinie liegt. Der Vergleich der
entstehenden Reibwärmestromdichte mit der erzeugten mechanischen Leistungsdichte zeigt weiterhin einen mit der Härte der Fahrbahn steigenden Anteil des
Kraftschlusses, während Lamellen im Reifenprofil den Formschlussanteil an der
Kraftübertragung erhöhen.
Summary
For the analyses of the influence of friction heat on the transmission of tangential
forces of a tire with and one without sipes on ice and snow, tire’s longitudinal force
characteristic and its surface temperature have been measured on the inner drum
test bench at the KIT. The analysis of the instationary heat flux shows, that the
thermal force limit wherein friction forces can be transmitted without melting is close
to tires force characteristic. The comparison of resulting friction heat flux with the
transmitted mechanical power shows that with increase of track hardness the force
closure part of tangential forces increases, while sipes lead to an increase of the form
closure part.
2
Inhalt
1
2
Einleitung............................................................................................................. 3
1.1
Motivation ...................................................................................................... 3
1.2
Theorie zur Kraftübertragung auf Schnee und Eis ........................................ 4
1.2.1
Wirkflächen der Kraft- und Formschlussanteile ...................................... 4
1.2.2
Instationäre Temperaturentwicklung – thermische Kraftschlussgrenze .. 5
Experiment .......................................................................................................... 7
2.1
Messtechnik .................................................................................................. 7
2.1.1
Thermokamera........................................................................................ 7
2.1.2
Prüfstand ................................................................................................ 9
2.1.3
Reifen ................................................................................................... 11
2.2
Versuchsergebnisse .................................................................................... 12
2.2.1
Versuchsablauf ..................................................................................... 12
2.2.2
Lamelleneinfluss ................................................................................... 13
2.2.3
Fahrbahneinfluss .................................................................................. 17
3
Formelzeichen und Indizes ................................................................................ 22
4
Literatur ............................................................................................................. 23
3
1 Einleitung
1.1 Motivation
Im Vergleich zum Kraftschlussverhalten auf trockener fester Fahrbahn können vom
Reifen
auf
schneeoder
eisbedeckter
Fahrbahn
relativ
geringe
Kraftübertragungsbeiwerte erzielt werden. Forscher [19], die sich mit diesem Thema
beschäftigen, führen diesen niedrigen Reibwert u.a. auf das durch Reibwärme
bewirkte Aufschmelzen der obersten Schicht der Eis- oder Schneeoberfläche zurück.
Die entstehende Wärmeleistung lässt sich aus dem Produkt der Reibkraft und der
Gleitgeschwindigkeit ermitteln. Im Kraftübertragungsprozeß des Reifens können
durch die ungleichmäßige Schubspannungsverteilung (vgl. [3], S. 292 ff.) lokal
Gleitungen auftreten. Große Gleitgeschwindigkeiten und damit eine hohe
Reibwärmeentwicklung kann jedoch erst mit hohem Radschlupf entstehen (Abb. 19).
Die theoretische Kraftschlussgrenze bis zu der Reibkräfte ohne Aufschmelzen der
obersten Schicht übertragen werden können, liegt - wie in [9] gezeigt wird - sehr dicht
am Maximum der Kraftübertragung. Abb. 1 zeigt des weiteren wie sich die
Schneehärte auf das Kraftschlussverhalten auswirkt. Während auf Eis (Ice) und hart
gepacktem Schnee (CTI 90) ein ausgeprägtes Maximum bei niedrigen Schlupfwerten
existiert, wird auf weniger stark verdichtetem Schnee (CTI 82) ein höherer
Kraftübertragungsbeiwert auch bei hohem
Radschlupf erreicht. Diese
Laborergebnisse bestätigen Ergebnisse aus dem Fahrzeugversuch [21].
Abb. 1:
Influence of track hardness on longitudinal traction performance for one
tire on snow at same temperature (-8°C), compared to ice (-6°C) under
load (4260 N, 2.2 bar).
Im Unterschied zu lokalen Messungen der Oberflächentemperatur am Reifen auf
Schnee [1] und Eis [24] wird in diesem Artikel die Temperaturentwicklung mittels
einer Hochgeschwindigkeitsthermokamera über die gesamte Laufflächenbreite im
Reifenauslauf während der Kraftübertragung auf Eis und Schnee beobachtet. Durch
4
den Vergleich von Temperatur- und Kraftschlussmessung kann eine Aussage zum
Einfluss der Reibwärme getroffen werden.
1.2 Theorie zur Kraftübertragung auf Schnee und Eis
1.2.1 Wirkflächen der Kraft- und Formschlussanteile
Der für die Schubkraftübertragung nutzbare Kraftbeiwert besteht aus mehreren
Anteilen. Neben den von der Trockenreibung her bekannten Kraftschlussanteilen
Adhäsions- und Hysteresereibung ([10], [13], [17]) können insbesondere auf
schneebedeckter Fahrbahn die Formschlussanteile Schub- und Scherwiderstand
([7], [8], [15], [20]) wirken. Diesen Kraftanteilen können Wirkflächen zugeordnet
werden. Dazu wird im Folgenden eine Lamelle eines Reifenprofils als kleinstes
Profilsegment betrachtet.
Beim Durchlauf des Reifenprofils durch den Reifenlatsch deformiert sich eine
Lamelle infolge der Schub- und Druckbelastung. Für die tangentiale Kraftübertragung
einer Lamelle können in Abb. 2 die Wirkflächen der formschlüssigen und
kraftschlüssigen Kraftanteile lokalisiert werden. Im schubfreien Fall verdichtet die
Lamelle aufgrund der örtlichen Flächenpressung die Fahrbahn bis auf die AusgangsKontaktebene. Diese Ausgangsebene definiert die Nulllage z = 0 für die Schubphase.
Befindet sich unverdichteter Schnee oberhalb dieser Ebene wird dieser vom
Reifenprofil aufgrund des lokalen Vertikaldruckes plastisch und elastisch
komprimiert. Die Höhe des so komprimierten Schnees z0 lässt sich nach [18] mit dem
Reifenfülldruck pi und der Dichte
des unverfestigten Schnees und dessen Höhe h
nach der empirischen Formel mit Gl. (1-1) abschätzen.
(1-1)
0
lose Auflage
komprimierte
Fahrbahn
Abb. 2:
+z
h
I
z0
DzS
F
K
Sipe under normal load (0) and with tangential forces (1): resulting contact
plane z0, active surface for form closure (F) and friction (K).
Schon Abb. 2 zeigt, dass Feinschnitte im Reifenprofil (Lamellen) zu einem Anstieg
der formschlüssig übertragenen Tangentialkräfte beitragen. Die übertragbaren
5
Tangentialkräfte erreichen jedoch mit steigender Anzahl von Feinschnitten bei
gleichem Grundprofil eine Sättigung [22]. Dies wird auf das Kippen der Lamellen
zurückgeführt [15]. Dieses Kippen kann ab einer bestimmten Tangentialkraft zu einer
Verringerung der Wirkfläche des Kraftschlusses in Abb. 3 führen.
Das Eindringen
der einlaufenden Kante ist abhängig von der Steifigkeit der
Lamelle und der Fahrbahn. Der über die Wirkflächen (F) des Formschlusses
eingeleitete Kraftanteil stützt sich über ein eingespanntes Fahrbahnsegment der
Länge
ab (Abb. 3). Die Höhe der übertragbaren Formschlusskräfte ist damit
abhängig von den mechanischen Eigenschaften der Schneefahrbahn. Feinschnitte
im Reifenprofil erhöhen den Anteil der formschlüssig eingespannten Fahrbahn und
dadurch auch die übertragbaren Tangentialkräfte.
Abb. 3:
Active surfaces for form closure (F) and friction (K) between two sipes.
1.2.2 Instationäre Temperaturentwicklung – thermische Kraftschlussgrenze
Die kraftschlüssige Haftung zwischen Reifen und Eis- oder Schneefahrbahn wird
beim Erreichen einer Kontakttemperatur von 0°C durch den einsetzenden
Aufschmelzvorgang reduziert.
Als Kontakttemperatur stellt sich im frei rollenden Zustand eine mittlere Temperatur
des zumeist durch Walkwärme erwärmten Reifens und der kalten Fahrbahn ein (Abb.
4). Unter Umfangsschlupf führt die eingeleitete Reibwärme zu einem weiteren
Anstieg der Kontakttemperatur, erhöht jedoch nur innerhalb einer kleinen Schicht die
Temperatur des Reifens („in contact - sliding tire“ in Abb. 4).
Für den freirollenden Zustand genügt es, die Kontakttemperatur durch eine
stationäre Betrachtung der Wärmeleitung zu bestimmen [2], [3]. Die Übertragung von
Umfangskräften führt jedoch meist zu einem schnellen Anstieg der
Gleitgeschwindigkeiten, sodass die instationäre Wärmeleitung [4] betrachtet werden
muss. In [9] wird die Kontaktzeit eines gleitenden in der Analyse des
Reibwärmeeinflusses berücksichtigt und die Temperaturentwicklung mit Gl. (1-2)
bestimmt.
6
Abb. 4:
3 phases of temperature distribution tire tread und track, [9].
Im Reifen-Fahrbahn-Kontakt fließt über ein Fahrbahnsegment innerhalb der Zeit t T
Gl. (1-3) ein Anteil der Reibwärme ab und erzeugt dadurch eine Wärmestromdichte
Gl. (1-4). Die Kontaktzeit eines Reifensegmentes mit der Fahrbahn hingegen ist
abhängig von der Gleitgeschwindigkeit (1-5). Geht man davon aus, dass die
Verteilung der Reibwärme nur abhängig vom Temperatureindringkoeffizienten b von
Reifen und Fahrbahn ist, so verteilt sich die eingeleitete Reibwärme zu einem Anteil
(1-7) auf die Fahrbahn. Die mit Gl. (1-8) ermittelte thermische Kraftschlussgrenze
wird erreicht, wenn die Reibwärme die Kontakttemperatur auf 0°C erhöht und das
Aufschmelzen der vereisten oder verschneiten Fahrbahn an der kraftschlüssigen
Wirkfläche einsetzt.
(1-2)
(1-3)
(1-4)
(1-5)
(1-6)
(1-7)
(1-8)
7
Basierend auf Literaturangaben ist die thermische Kraftschlussgrenze für Eis und
Schnee in Abb. 5 berechnet und dargestellt. Für ein im Vollkontakt befindliches
Reifensegment setzt ein Aufschmelzen des Schneefahrbahnsegments im Vergleich
zu Eis aufgrund der unterschiedlichen Temperaturleitwerte schon bei geringerer
Reibleistung ein. Dieses Aufschmelzen verringert die über die Wirkflächen des
Kraftschlusses übertragbaren Kraftanteile zwischen Reifen und Fahrbahn. In der
Realität befindet sich der Reifengummi nur an den Rauhigkeitsspitzen der Fahrbahn
in Kontakt, [10]. Die Oberfläche einer Eisfahrbahn ist im Vergleich zu einer
Schneefahrbahn mit kristallinen Rauhigkeitsspitzen zumeist glatter, sodass auf Eis
die tatsächliche Kontaktfläche größer ist.
Abb. 5:
Thermal limiting curve for ice and snow as µ(s) function, [9].
2 Experiment
2.1 Messtechnik
2.1.1 Thermokamera
Die eingesetzte Thermokamera besteht aus einer Optik, durch die die einfallenden
Infrarotstrahlen gebündelt auf einen infrarotsensitiven Detektor gerichtet werden. Der
eingesetzte Detektor zählt zu den Quantum Detektoren, die eine schnelle und
sensitive Wärmebilderfassung ermöglichen. Um auch kleinste Änderungen der
Infrarotstrahlung schnell zu erfassen, benötigt der Detektor eine separate Kühlung
[6]. Diese Kühlung wird bei der eingesetzten Kamera durch einen Stirlingmotor
erzielt. Die gemessenen Wärmebilder werden über eine Ethernetverbindung an
einen Steuerrechner zur Speicherung und Visualisierung übertragen.
Die gemessene einfallende Infrarotstrahlung kann aus Transmission-, Reflexionsund Emissionsanteilen eines Körpers bestehen. In dieser Veröffentlichung werden
die Oberflächentemperaturen am Reifen diskutiert. Der schwarze Reifengummi wird
als schwarzer Strahler angesehen. D.h. der Reifen absorbiert die eingeleitete
Reibwärme und emittiert zu 100% die einfallende Infrarotstrahlung. Die
Emissionsrate wurde aus diesem Grund bei den analysierten Wärmebildern auf 1
8
gesetzt (Tabelle 1). Der Einfluss des Betrachtungswinkels kann aufgrund des
geringen Abstandes zwischen Reifen und Thermokamera, des hohen
Emissionsgrades des Reifens und der im Vergleich zur Reifenoberfläche niedrigeren
Umgebungstemperatur [14] als gering angenommen werden. Zur Prüfung der
Plausibilität der Wärmebilder wurden die gemessenen Oberflächentemperaturen des
frei rollenden Reifens mit der durch ein Kontaktthermometer gemessenen
Reifenoberflächentemperatur vor der Messung verglichen.
Tabelle 1: Technical data of the high speed infrared camera and settings of
presented infrared images.
Technical data
detector type :
emission rate :
Setting
InSb
0…1
1
integration time :
10…20000µs
400; 600 µs
frame rate :
up to 150 Hz
50; 100 Hz
resolution :
320x256 pixels
297x210 pixels
sensitivity :
4,13 mK
Um Oberflächentemperaturen auf Schnee mittels Wärmebildkamera zu analysieren,
ist abhängig von der Schnee bzw. Eisfahrbahn und der Wellenlänge eine
Emissionsrate zwischen 0,9 und 1 zu wählen [11], [23].
Die Integrationszeit der Thermokamera kann mit der Belichtungszeit einer
Fotokamera verglichen werden und wurde abhängig von den zu erwartenden
Temperaturerhöhungen so gewählt, dass sich ein deutliches Wärmebild darstellt.
Um ein Zusetzen der Kameralinse während der Aufnahme der Wärmebilder zu
vermeiden, wurde die Kamera leicht schräg versetzt zum Reifenauslauf positioniert
(Abb. 6). Die Betrachtung des Reifenauslaufs ermöglicht es, Oberflächentemperaturen kurz nach dem Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn zu messen.
Zur Analyse der Oberflächentemperaturen wurden bei allen untersuchten
Reifenprofilen die in Abb. 7 dargestellten 5 Bereiche und ein Pfad auf der
Reifenoberfläche ausgewählt.
Abb. 6:
High speed thermo camera focuses tires run out with a distance of 1.5 m.
Abb. 7:
Positions of discussed temperatures on tires surface at its run out.
9
2.1.2 Prüfstand
Der Innentrommelprüfstand des Lehrstuhls in Abb. 8 wurde bereits von Weber [24]
zur Untersuchung der Reifenkräfte auf Eis genutzt. Aufgrund des anhaltenden
Interesses
seitens
der
Industrie
nach
Forschungsergebnissen
zum
Kraftübertragungs- und Komfortverhalten von Reifen wurde und wird der Prüfstand
stetig weiter entwickelt. Neben Messungen auf trockener und nasser Asphalt- bzw.
Betonfahrbahn, können seit 2005 mittels einer installierten Schneeproduktionsanlage
[1] auch Messungen auf verschneiter Fahrbahn unter Laborbedingungen
durchgeführt werden. Aktuelle Forschungsthemen beschäftigen sich mit der
Schallentwicklung am Reifen und deren Einfluss auf den Fahrkomfort [5], [12]. Die
wesentlichen Kenndaten des Prüfstandes sind in der nachstehenden Tabelle
zusammengefasst.
10
Tabelle 2: Technical data of Indoor drum test rig and max. tire size on snow and ice
tracks.
drum inner diameter : 3,80 m
track surface : safety-walk, concrete, asphalt, ice,
snow
max. speed : 150 km/h
ambient temperature : -20 ... +30 °C
slip angle : -20° ... +20°
camber angle : -10° ... +20°
max. snow height : 80 mm
width of snow track : 270 mm
max. vertical, lateral, longitudinal 15 kN
force :
max. driving, overturning torque : 5500 Nm
max. aligning torque : 1500 Nm
max. tire diameter : 840 mm
max. tire width : 275 mm
Abb. 8:
Schematic view of inner drum test bench.
11
2.1.3 Reifen
Feinschnitte im Reifenprofil erhöhen zum Einen den Anteil eingespannter
Fahrbahnsegmente (Abb. 3) durch die Anzahl der Lamellen- und Blockkanten. Zum
Anderen bestimmt die Steifigkeit der Lamelle oder des Blockes die Schnitttiefe der
einlaufenden Kante und deren Kippverhalten unter Tangentialkraft.
Zur Untersuchung der Auswirkung von Feinschnitten eignen sich aufgrund Ihrer
einfachen Profilgeometrie sog. technische Profile. Für die nachfolgenden
Untersuchungen wurden aus diesem Grund die in Tabelle 3 dargestellten
Reifenprofile verwendet. Während sich die beiden Profile im Profilflächennegativ
(VOID) nicht unterscheiden, hat die Anzahl der Feinschnitte pro Block einen Einfluss
auf die Steifigkeit und den CRIFF Faktor [16]. Der CRIFF Faktor ist ein Maß für die in
Tangentialrichtung aktiven Profilkanten. Die Steifigkeitswerte zeigen, dass mit
zunehmender Anzahl von Feinschnitten die Steifigkeit abnimmt.
Die beiden Reifenprofile wurden zusammen mit 3 weiteren Profilen in einem
Testprogramm hinsichtlich der übertragbaren mittleren Traktionskräfte auf Eis und
Schnee am Innentrommelprüfstand des Lehrstuhls geprüft. Eine erhöhte
Lamellenanzahl bzw. niedrigere Profilsteifigkeit oder höherer CRIFF-Faktor führt zu
einer Steigerung der übertragbaren Traktionskräfte auf Eis und Schnee. Im Vergleich
zur Kraftübertragung auf Eis zeigen auf Schnee die Ergebnisse einen
ausgeprägteren Einfluss (Abb. 9). Dies lässt sich - aufgrund der Fahrbahnsteifigkeit auf den auf Schnee erhöhten Formschlussanteil zurückführen.
Tabelle 3: Parameter of tested tires (dimension 205/55 R16) and the test conditions:
v = 30 km/h; Fz = 4260 N; pi = 2,2 bar.
without Sipes
with 4 Sipes
VOID / %
31,8
31,8
CRIFF / 1000
0,22
4,16
Specific Footprint Stiffness Longitudinal
in N/cm³:
21,38
8,39
picture
12
Abb. 9:
Influence of number of sipes on average force transmission on ice and
snow measured on the inner drum test rig.
2.2 Versuchsergebnisse
2.2.1 Versuchsablauf
Zur Messung der übertragbaren Längskräfte auf Schnee wird der Testreifen auf die
Fahrbahn abgesetzt und mit der Prüflast bei niedriger Geschwindigkeit belastet.
Trommel und Rad werden anschliessend über den hydrostatischen Radantrieb auf
die Testgeschwindigkeit beschleunigt. Vor der eigentlichen Traktionsmessung läuft
der Reifen bei konstanter Geschwindigkeit 30 s auf der Fahrbahn, wodurch sich die
Reifen- und Fahrbahntemperatur angleichen.
Das Diagramm in Abb. 10 zeigt den Zeitverlauf der Messung. Darin sind die Größen
Umfangsschlupf sx, Umfangskraftbeiwert µx, umgesetzte mechanische Leistung Pm
Gl. (2-1) und mechanische Leistungsdichte qm Gl. (2-2) über der Zeit aufgetragen.
Als Oberflächentemperaturen sind die Mittelwerte der in Abb. 7 gezeigten Regionen
dargestellt.
(2-1)
(2-2)
Innerhalb der Messung einer Traktionskennlinie erfolgt, nach einer Abkühlphase bei
Prüfgeschwindigkeit, die Einleitung eines Bremsmomentes und anschliessend die
Einleitung einer Antriebsleistung. Diese Antriebsleistung kann bis zum
Formschlussmaximum im Wesentlichen als Traktionskraft (in Abb. 10 bei t ~ 1,3 s)
umgesetzt werden. Nach dem Maximum gleitet der Reifen mit ansteigendem Schlupf
(t = 1,25 ... 1,45 s).
13
2.2.2 Lamelleneinfluss
Blockprofil mit 0 Lamellen
Die gemessenen Oberflächentemperaturen steigen erst mit dem Anstieg des
Radschlupfes an und erhöhen sich im betrachteten Fall um 3 °C. Vor dem Anstieg
des Traktionskraftbeiwertes treten periodisch die Temperaturen des Rillengrundes
(zwischen 2 Profilblöcken) auf. Der Rillengrund besitzt aufgrund der Walkwärme und
des fehlenden direkten Kontaktes zur Fahrbahn eine um 3 °C höhere Temperatur
verglichen zur Oberflächentemperatur der Profilblöcke.
Die Wärmebilder in Tabelle 4 zeigen, dass sich in den ersten 2 Phasen (freies Rollen
und Traktionskraftaufbau) wenig Änderung in der gleichmäßig verteilten
Oberflächentemperatur ergibt. Unter hohem Schlupf („tire at high slip“ in Tabelle 4)
erreicht die Oberflächentemperatur die Temperatur des Rillengrundes.
Abb. 10: Transient data of selected surface temperatures during the transmission of
traction force coefficient of tire without sipes on hard packed snow.
Im Temperaturverlauf entlang des Profiles “path” in Abb. 11 übersteigt bei hohem
Schlupf in diesem Fall die Oberflächentemperatur die Temperatur des Rillengrundes.
Mit steigender Position entlang des Profilpfades nähert man sich dem Kontaktbereich
und blickt aufgrund der Reifenkrümmung auf unterschiedliche Positionen des
Rillengrundes bzw. der Blockflanke. Aus diesem Grund fällt die intervallmäßig
auftretende Temperatur der Rille im frei rollenden Zustand ab. In der Nähe des
Kontaktbereichs (Position 170 ... 270 in Abb. 11) steigt der Temperaturverlauf über
einem Profilblock in 2 Fällen an. Der auslaufende Bereich eines Profilblockes gleitet
über ein bereits erwärmtes Fahrbahnsegment, wodurch die Profilblocktemperatur in
diesem Bereich höher ist.
14
Tabelle 4: Selected infrared images during the transmission of traction force of the
tire without sipes on hard packed snow.
free rolling
t = 0,2 s; sx=0 %
increase of traction
t=1,2 s; sx=4 %
tire at high slip
t=1,37 s; sx=49 %
Abb. 11: Surface temperature along profile of tire without sipes on hard packed
snow (as higher position as closer to contact zone, o - lateral groove pos.).
Blockprofil mit 4 Lamellen
Die 4 Lamellen der Profilblöcke bewirken eine Erhöhung des übertragenen
Kraftübertragungsbeiwert auf µx = 0,4 (t=1,4 s in Abb. 12). Der Anstieg der
übertragenen mechanischen Leistung (Pm, qm) bedingt auch ein Ansteigen der
kraftschlüssig übertragenen Leistung, die hauptsächlich die Reibwärmeentstehung
bewirkt. So steigen die Oberflächentemperaturen in 3 von 4 Fällen um bis zu 5°C an
und übersteigen damit die Temperatur des Profilgrundes.
Die höheren Temperaturen in den Feinschnitten zwischen den Lamellen machen
diese auch in den Wärmebildern der ersten zwei betrachteten Phasen in Tabelle 5
sichtbar. Die bereits beschriebene Temperaturerhöhung bei hohem Schlupf zeigt
sich als relativ gleichmäßig über die Reifenoberfläche verteilt. In diesem Wärmebild
erkennt man jedoch auch herausgeschleuderten Schnee, der sich durch die
gestiegene mechanische Wirkung des Profils (Formschlussanteil) erklärt.
15
Der Verlauf der Temperatur über dem Reifenprofil in Abb. 13 verdeutlicht den
Anstieg der Oberflächentemperatur über die Temperatur des Rillengrundes hinaus
bei hohem Schlupf.
traction force coefficient of tire with 4 sipes on hard packed snow.
Tabelle 5: Selected infrared images during the transmission of traction force of the
tire with 4 sipes on hard packed snow.
free rolling
t = 0,2 s; sx=0 %
increase of traction
t=1,2 s; sx=0,2 %
tire at high slip
t=1,68 s; sx=60 %
Um den Anteil des Kraftschlusses an der gesamten Kraftübertragung identifizieren zu
können, wurde die im Mittel entstehende Wärmestromdichte
aus Gl. (1-4)
und (1-6) in allen 4 beobachteten Bereichen (vgl. Abb. 7) mit der mechanischen
Leistungsdichte bei maximalem Kraftbeiwert µx_max (Gl. (2-3)) ins Verhältnis gesetzt
(Gl. (2-5)). Die Verhältniszahlen rm und rh ermöglichen es den Anteil des
Kraftschlusses an der Kraftübertragung zu quantifizieren. Dafür wird angenommen,
dass die Reibwärme hauptsächlich an den Flächen des Kraftschlusses entsteht. Es
zeigt sich in Abb. 14, dass der Kraftschluss bei Profil ohne Lamellen überwiegt und
16
bei hohem Schlupf im Bereich der mechanischen Leistung liegt. D.h. alle zugeführte
Leistung wird im hohen Schlupfbereich beim Reifen ohne Lamellen überwiegend in
Reibwärme umgesetzt.
Abb. 13: Surface temperature along profile of tire with 4 sipes on hard packed snow
(as higher position as closer to contact zone, o - lateral groove pos.).
(2-3)
(2-4)
(2-5)
Abb. 14: Dependence of mechanical rate and heat rate on traction slip on hard
packed snow.
Beim Reifen mit 4 Lamellen wird im hohen Schlupfbereich (ab s x=20%) 50 bis 70% in
Reibwärme umgesetzt. Der andere Anteil der zugeführten mechanischen Leistung
kann der mechanischen Scherwirkung
Formschlusses zugeordnet werden.
des
Profils
an
17
den
Flächen
des
Bei niedrigem Schlupf liegt die entstehende Reibwärmestromdichte über der
mechanischen Leistungsdichte. Diese Überhöhung kann mit dem plötzlichen
Losbrechen des Haft- / Formschlusszustandes begründet werden, wodurch
gespeicherte potentielle Energie der Profilstollenverformung den Schlupf um einen
nicht direkt messbaren Anteil erhöht und dadurch die eingeleitete
Reibwärmestromdichte über der eingeleiteten mechanischen Leistungsdichte liegt.
2.2.3 Fahrbahneinfluss
Klassifizierung von Winter-Testfahrbahnen
Die amerikanische Norm zur Messung der Traktionskräfte auf Schnee und Eis ASTM
1805 klassifiziert Testfahrbahnen in die in Tabelle 6 aufgeführten 5 verschiedenen
Fahrbahntypen. Die Einordnung der Fahrbahn kann danach u.a. anhand des CTIPenetrometers durchgeführt werden.
Tabelle 6: Classification of snow and ice test tracks using CTI-Penetrometer,
ASTM 1805.
CTI-Penetrometer
CTI
xSRTT_20…300%
Description
50-70
0,18…0,22
Soft pack (new) snow
70-80
0,25…0,41
Medium pack snow
80-84
0,20…0,25
Medium hard pack
snow
84-93
0,15…0,20
Hard pack snow
>93
0,07…0,10
Ice-dry
Der für dieses Messverfahren verwendete Standardprüfreifen (ASTM E 1136) zeigt
sein maximales Kraftübertragungsverhalten auf medium packed snow.
Der Reifen mit 4 Lamellen wurde zur Analyse des Fahrbahneinflusses neben den
bereits gezeigten Ergebnissen auf „hard packed snow“ auch auf „medium packed
snow“ und „ice“ getestet.
Mittelfeste Schneefahrbahn (medium packed snow)
Mit Anstieg des Schlupfes in Abb. 15 erreicht der Reifen bei sx=10% ein Haft- /
Formschlussmaximum bei µx=0,487 (t = 1,38 s) und gleitet im Anschluss mit
ansteigender Oberflächentemperatur bis auf einen Schlupf von 160%. Dabei erhöht
sich die Oberflächentemperatur zuerst um 6°C und beim Anstieg von s x = 70 auf
18
160% nochmals um 6°C auf +2°C. Mit Überschreiten des Schmelzpunktes kann kein
merklicher Abfall im übertragbaren Kraftbeiwert µ x beobachtet werden. Der Reifen
mit 4 Lamellen kann auf dem hier verwendeten Fahrbahntyp „medium packed snow“
seine volle mechanische Wirkung entwickeln und den Hauptteil der Tangentialkräfte
über die Schub- und Scherkräfte übertragen.
longitudinal forces of the tire with 4 sipes on medium packed snow.
Im Gegensatz zur bisher gezeigten Prüfmethode wurde an die Messung der
Traktionskräfte auf der speziell präparierten Fahrbahn zusätzlich direkt im Anschluss
ein Bremsmanöver (t > 5,5 s in Abb. 15) durchgeführt. Beim Bremsen erhöht sich die
Kontaktzeit eines Profilelementes mit der Fahrbahn, wodurch die eingeleitete Reibwärmestromdichte eine größere Schicht des Profilblockes erwärmen kann. Dieser
Aspekt und die reduzierte Drehgeschwindigkeit des Rades führt dazu, dass die
gemessenen Oberflächentemperaturen sich unter Bremsschlupf weniger schnell
erhöhen (t=5,5 ...6s).
Durch die auf dieser Schneefahrbahn erhöhte mechanische Wirkung des
Reifenprofils wird innerhalb der Wärmebilderfassung ein Teil der Reifenoberfläche
insbesondere bei hohem Schlupf von herausgeschleuderten Schneepartikeln
verdeckt. Aus diesem Grund wurden in Abb. 15 nur 2 Temperaturen aufgetragen.
Die unterschiedlich starke Erhöhung der Oberflächentemperaturen bei s x=70% (high
traction slip I) und sx=160% (high traction slip II) ist auch in den Wärmebildern
erkennbar. Durch die hohe Raddrehzahl sind die Rillen zwischen den Profilblöcken
bei sx = 160% nicht mehr eindeutig zu lokalisieren. Zwischen Traktion- und Bremstest
läuft der Reifen eine kurze Zeit frei, reduziert dabei aber nicht die
Oberflächentemperatur. Innerhalb des Bremstests wird die Radgeschwindigkeit
soweit reduziert, dass die einzelnen Feinschnitte des Profils deutlich erkennbar
19
werden. Im Gegensatz zur Traktion sammelt sich beim Bremsen auf Schnee im Profil
viel mehr abgescherter Schnee der, wie das Wärmebild zur Bremsphase („braking“)
zeigt, in großen Teilen aus dem Profil herausfällt.
Tabelle 7: Selected infrared images during the transmission of longitudinal forces of
the tire with 4 sipes on medium packed snow.
free rolling
t = 1 s; sx=0 %
high traction slip I
t=1,64 s; sx=61 %
free rolling
t = 5 s; sx=0 %
braking
t=5,61 s; sx=-31 %
high traction slip II
t=4 s; sx=158 %
Eis
Bei einer zu den Versuchen auf Schnee vergleichbaren Umgebungstemperatur
wurden Kraftschlussmessungen auf Eis durchgeführt. Der Reifen mit 4 Lamellen
erreichte auf Eis einen maximalen Traktionskraftbeiwert von µx=0,197. Im ersten Teil
der Messung wurde die Bremskraftübertragung gemessen, worin die
Oberflächentemperatur maximal um 7°C ansteigt. Ausgehend von einer erhöhten
Oberflächentemperatur von -7°C erfolgt im Bereich der Traktionsmessung ein
Überschreiten der Schmelztemperatur von 0°C. Die Temperaturverteilung auf der
Reifenoberfläche wird für 3 Phasen in Tabelle 8 gezeigt.
20
longitudinal force coefficient of tire 4 sipes on ice at -10°C ambient
temperature.
Tabelle 8: Selected infrared images during the transmission of longitudinal forces of
tire with 4 sipes on ice at -10°C ambient temperature.
free rolling
t = 1 s; sx=0 %
high braking slip
t= 3,31 s; sx=-80 %
high traction slip
t= 5,19 s; sx=136 %
Um den Fahrbahneinfluss auf die erzeugte Wärmestromdichte unabhängig vom
erzielten Kraftbeiwert beurteilen zu können, wurden Wärmestromdichte und erzeugte
mechanische Leistungsdichte durch die Verhältniszahlen rh aus Gl. (2-4) und rm aus
Gl. (2-5) in Abb. 17 über dem Schlupf sx aufgetragen. Aus den Verläufen von rm läßt
sich der zum Kraftmaximum zugehörige Schlupf ablesen. Auf Eis und mittelfester
Schneedecke liegt das Kraftmaximum bei sx=10%. Die nach dem
Tangentialkraftmaximum übertragenen Kräfte fallen auf Eis und harter
Schneefahrbahn deutlich ab. Auf Eis wird zu einem höheren Anteil die mechanische
Leistung in Reibwärme umgesetzt. Im Vergleich dazu ist auf der mittelfesten
21
Schneefahrbahn der Anteil der Reibwärmeentwicklung mit 20% bei hohem Schlupf
im Vergleich zur mechanischen Leistung sehr gering.
Abb. 17: Mechanical and heat rate versus traction slip on different track conditions.
Der Vergleich der Wärmeleistungsdichte
mit der mechanischen Leistungsdichte
zeigt im Mittel des Schlupfbereiches 10 bis 40%, dass mit der Härte der Fahrbahn
der Anteil der Wärmeleistung ansteigt (Abb. 18) und damit der Anteil des
Formschlusses abnimmt.
Abb. 18: Average rate of developed friction heat on mechanical power on different
track conditions within the slip range 10 to 40%.
22
3 Formelzeichen und Indizes
Zeichen
Einheit
Beschreibung
Temperatureindringkoeffizient
F
P
N
Kraft
m
Höhe unkomprimierter Schnee
m
wirksame Länge des eingespannten
Fahrbahnsegmentes
Leistung
W
N/m²
Mittlere Kontaktpressung
N/m²
Reifeninnendruck
W/m²
Wärmestromdichte
r
-
Verhältniszahl
s
-
Schlupf
t
s
Zeit
v
m/s
VOID
-
Anteil Profilflächennegativ
-
Anteil des Reibwärmeflusses zur Fahrbahn
m
Höhe komprimierter Schnee
m
Eindringtiefe der einlaufenden Kante
-
Kraftübertragungsbeiwert
°C
Index
Geschwindigkeit
Temperatur
Beschreibung
h
thermisch
m
mechanisch
T
Fahrbahn
Ti
Reifen
x
Längs- o. Umfangsrichtung
z
Vertikale Richtung
23
4 Literatur
[1]
BOLZ, G.
Entwicklung eines Prüfverfahrens für Reifenmessungen auf Schnee im Labor.
Universität Karlsruhe (TH): Dissertation
Aachen: Shaker Verlag
2006.
[2]
BARNES, P.; TABOR, D.; WALKER, J.:
The Friction and Creep of Polycrystalline Ice.
Proc. Roy. Soc., London A, S. 324, 127-155,
1971.
[3]
CLARK, S. K. (HRSG.)
Mechanics of Pneumatic Tires.
U.S. Department of Transportation, National Safety Administration,
Washington D.C.: U.S. Government Printing Office,
1981.
[4]
DITTMANN, A.; FISCHER, S.; HUHN, J.; KLINGER, J.
Repetitorium der Technischen Thermodynamik.
Stuttgart: Teubner Verlag,
1995.
[5]
GAUTERIN, F.; GROLLIUS, S.; BRAUN, M.
Influence of Tangential Force, Wheel Load and Inflation Pressure on Tire Road
Noise.
3rd Dresden Workshop Tires: Road and Vehicle Interaction,
Dresden, Mai 8,
2009
[6]
FLIR AB
The Ultimate Infrared Handbook for R&D Professionals.
Boston: FLIR Systems
2010.
[7]
FUKUOKA, N.
Advanced Tecnology of the studless snow tire.
JSAE Review 15 (1994) 59-66, Elsevier Science B.V.;
1994.
[8]
GIEßLER, M.; GAUTERIN, F.; HARTMANN, B.; WIES, B.
Influencing parameters on force transmission of tires on snow tracks.
VDI – Berichte, Band 2014
Düsseldorf: VDI-Verlag
2007.
24
[9]
GIESSLER, M., GAUTERIN, F., WIESE, K., WIES, B.
Influence of Friction Heat on Tire Traction on Ice and Snow.
Philidelphia: Tire Science and Technology, TSTCA, Vol. 38, No. 1,
January – March 2010, pp. 4-23
[10] HEINRICH, G.; KLÜPPEL, M.
Rubber friction, tread deformation and tire traction.
Elsevier: Wear 265 (2008), pp. 1051–1066,
2008.
[11] HORI, M.; AOKI, T.; TANIKAWA, T.; MOTOYOSHI, H.; HACHIKUBO, A.
In-situ measured spectral directional emissivity of snow and ice in the 8–14 µm
atmospheric window.
Elsevier: Remote Sensing of Environment 100 (2006) 486 – 502
2006.
[12] KRAUSS, O.; GAUTERIN, F.; KLEMPAU, F.; LEISTER, G.
Cavity Noise of Passenger Car Tires - Influencing Factors and Optimization
Measures
chassis.tech plus 2010,
München, 8.-9.6.2010
[13] KUMMER, H.W.; MEYER, W.E.
Verbesserter Kraftschluß zwischen Reifen und Fahrbahn - Ergebnisse einer
neuen Reibungstheorie.
ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift, Jhrg. 69, Nr. 8 und 9,
August 1967.
[14] MACH, M.
Thermographie - Versuch 15 im informationselektronischen Praktikum.
Technische Universität Ilmenau
Institut für Mikro- und Nanoelektronik
Fachgebiet Elektroniktechnologie.
[15] MUNDL, R.; MESCHKE, G.; LIEDERER, W.
Kraftübertragung von Profilstollen auf Schneefahrbahnen
VDI-Verlag: VDI Berichte Nr. 1224
Düsseldorf,
1995.
[16] MUNDL, R.; FISCHER, M.; STRACHE, W..; WIESE, K.; WIES, B.; ZINKEN,
K.H.
Virtual Pattern Optimization Based on Performance Prediction Tools.
Tire Science and Technology, TSTCA, Vol. 36, No. 3, pp. 192-210
July – September 2008.
25
[17] PERSSON, B. N. J.
Nanoadhesion.
Elsevier: Wear, Volume 254, Issue 9, Pages 832-834,
May 2003.
[18] RICHMOND, P. W.
Motion resistance of wheeled vehicles in snow.
US-Army: CRREL Report 95-7
1995.
[19] SCHRAMM, J.; MUNDL, R.; WIES, B.; BECKER, A.; EBERHARDSTEINER, J.;
LAHAYNE, O.
Reibtests von Gummi auf Schnee und Eis zum Studium des Einflusses von
Profil und Mischung im Reifen-Straße-Kontakt.
VDI-Verlag: VDI Berichte Nr. 2022
Düsseldorf, 2007.
[20] SETA, E.; KAMEGAWA, T.; NAKAJIMA, Y.
Prediction of Snow/Tire Interaction Using FEM and FVM.
Philidelphia: Tire Sciences and Technology, S. 173-188, Band 31, Heft 3,
ISSN: 0090-8657,
2003.
[21] SHOOP, S.; YOUNG, B.; ALGER, R.; DAVIS, J.
Effect of test method on winter traction measurements.
Journal of Terramechanics, Volume 31, Issue 3, Pages 153-161
May 1994.
[22] STRACHE, W.; FISCHER, M; MUNDL, R.; WIES, B.; WIESE K.; ZINKEN, K.
Vorhersage von Reifeneigenschaften in der Profilentwicklung.
VDI Berichte 1912
Düsseldorf 2005.
[23] WARREN, S. G.
Optical Properties of Snow.
Reviews of Geophysics, Vol. 20, No. 1, pp. 67-89
1982.
[24] WEBER, R.
Der Kraftschluß von Fahrzeugreifen und Gummiproben auf vereister
Oberfläche.
Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe: Dissertation
Karlsruhe, 1970.

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