Mobile Prüfstandstechnik zur Messung von Reifen-Fahrbahn-Reibwerten

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    17-Mar-2017

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  • Der Geschftsbereich Fahrwerk der Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen (fka) und das Institut fr Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University haben gemeinsam zwei mobile Prfstnde entwickelt, welche die Erfassung von Reifencharakteristiken auf realen Fahrbahnoberflchen erlauben. Sie ergnzen die bereits seit lngerem verfgbaren Auentrommelprfstnde zur Messung von Reifeneigenschaften unter Laborbedingungen.

    MobILE PRFSTAnDSTEcHnIK zUR MESSUnG von REIFEn-FAHRbAHn-REIbWERTEn

    Dipl.-ing. Thomas hsemann

    ist Leiter des Geschfts-bereichs Fahrwerk bei der Forschungsgesell-schaft Kraftfahrwesen

    mbH Aachen (fka).

    Dipl.-ing. ChrisTian BaChmann ist Teamleiter Reifen-

    technologie im Geschfts-bereich Fahrwerk bei der Forschungsgesellschaft

    Kraftfahrwesen mbH Aachen (fka).

    Dipl.-ing. (Fh) susanne WinTer

    ist Wissenschaftliche Mitarbeiterin im

    Geschfts bereich Fahr-werk bei der Forschungs-

    gesellschaft Kraftfahr-wesen mbH Aachen

    (fka).

    Dipl.-ing. Dirk henriChmller ist Wissenschaftlicher

    Mitarbeiter im Geschfts-bereich Fahrwerk des Instituts fr Kraftfahr-zeuge (ika) der RWTH

    Aachen University.

    AUToREn

    ForsChung REIFEn

    504

  • 1 einleiTung

    Die Kraftbertragung zwischen Fahrzeug und Fahrbahn findet ein-zig ber die vier Aufstandsflchen der Reifen statt. Somit wird die gesamte Fahrdynamik eines Fahrzeugs mageblich durch die Eigen-schaften seiner Reifen bestimmt. Aufgrund dieser hohen Bedeutung des Reifens beschftigt sich im Geschftsbereich Fahrwerk bei der Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen (fka) und dem Institut fr Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University ein ei-genes Team mit diesem Thema. Das Arbeitsgebiet dieser Gruppe umfasst die Messung von Reifeneigenschaften sowie ihre simulati-onstechnische Abbildung durch geeignete Reifenmodelle. Weitere Schwerpunkte sind die Konzeption, Entwicklung sowie der vollstn-dige Aufbau von Reifenprfstnden. Neben den beiden bereits seit lngerem verfgbaren Auentrommelprfstnden zur Messung von Reifeneigenschaften unter Laborbedingungen werden seit kurzem zwei selbstentwickelte mobile Prfstnde eingesetzt, welche die Er-fassung von Reifencharakteristiken auf realen Fahrbahn oberflchen erlauben.

    2 aussenTrommel-reiFenprFsTnDe im laBor

    Zur messtechnischen Erfassung der statischen, quasistationren und dynamischen Kraftbertragungseigenschaften aller gngigen Reifen fr Motorrder, Pkw, Leicht-Lkw und schwere Nfz mit einem maxima-len Raddurchmesser von 1300 mm sowie bis in einem Radlastbe-reich von 40 kN sind bei ika und fka zwei Auentrommelprfstande

    im Einsatz. Es handelt sich um den Nutzfahrzeug-Reifenprfstand NuReP [1] mit einem Trommeldurchmesser von 2,54 m sowie um den Motorrad- und Pkw-Reifenprfstand MoReP [2, 3] mit einer 1,59-m-Trommel, 1. Die Oberflchen der beiden Auentrommelfahr-bahnen sind mit dem Schleifmittel Korund P80 beschichtet. Diese beiden Prfstnde sind bei ika und fka entwickelt und aufgebaut wor-den. Sie werden seitdem stetig weiterentwickelt und kontinuierlich auf dem aktuellen Stand der Mess- und Prftechnik gehalten.Die auf den beiden Prfstnden durchgefhrten Reifenmessun-

    gen werden in einem standardisierten Prozess aufbereitet und in das Messdatenformat Tydex [4] umgewandelt, damit sie den Soft-warewerkzeugen zur Parameteridentifikation aller gngigen Reifen-simulationsmodelle wie FTire [5, 6] oder Magic Formula [7] zuge-fhrt werden knnen.

    3 moBile reiFenprFsTnDe zur messung von reiFen-FahrBahn-reiBWerTen

    Fr bestimmte Anwendungsflle ist es bei der Messung von Reifen-eigenschaften erforderlich, das Kraftschlussverhalten der Reifen auch auf verschiedenen realen Straenoberflchen sowie bei unter-schiedlichen Fahrbahnzustnden zu erfassen. Insbesondere durch Zwischenmedien wie Wasser, Schnee, Eis oder Verschmutzungen wird das maximale Kraftschlusspotenzial eines Reifens deutlich re-duziert. Aber selbst als trocken eingestufte Straenoberflchen knnen sehr unterschiedliche maximale Kraftschlusspotenziale auf-weisen [8, 9, 10]

    3.1 FAHRENDER REIFENPRFSTANDUm die Kraftbertragungseigenschaften von Reifen fr Motorrder, Pkw, Leicht-Lkw und schwere Nfz auch auf Fahrbahnoberflchen ffentlicher Straen und Prfgelnden messen zu knnen, ist bei ika und fka der fahrende Reifenprfstand FaReP entwickelt und aufgebaut worden [11, 12]. Das Konzept dieses mobilen Prfstands erlaubt die Ermittlung der Reifencharakteristiken sowohl auf realen Fahrbah-nen als auch unter Laborbedingungen auf der 2,547-m-Auentrom-

    1 Labor-Reifenprfstnde bei ika und fka: nutzfahrzeug-Reifenprfstand nuReP (links) sowie Motorrad- und Pkw-Reifenprfstand MoReP (rechts)

    1 EINLEITUNG

    2 AUSSENTROMMEL-REIFENPRFSTNDE IM LABOR

    3 MOBILE REIFENPRFSTNDE ZUR MESSUNG VON

    REIFEN-FAHRBAHN-REIBWERTEN

    4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLIcK

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  • mel des Nutzfahrzeug-Reifenprfstands mit identischer Messausrs-tung, 2. So kann bei der Bewertung des Reifenverhaltens unter Au-en- und Laborbedingungen ein mglicher Einfluss der Messtechnik ausgeschlossen werden. Es knnen prinzipiell alle Fahrzeug reifen mit Auendurchmessern von 560 mm bis 1240 mm untersucht werden.Beim mobilen Reifenprfstand handelt es sich um einen Auflie-

    ger, welcher von einer Sattelzugmaschine bewegt wird. Es sind Fahrgeschwindigkeiten von maximal 100 km/h mglich. Der Auf-lieger selber verfgt ber zwei mitlenkende beziehungsweise aktiv lenkbare Hinterachsen, um etwaige Schwimmwinkel des Anhn-gers whrend des Messbetriebs kompensieren zu knnen. Der ei-gentliche Reifenprfstand ist in der Mitte des Aufliegers zwischen den Hinterachsen und der Antriebsachse des Zugfahrzeugs in der Nhe des Gesamtschwerpunkts des Zugs positioniert. Durch diese Anordnung haben die vom Messreifen erzeugten Krfte den insge-samt geringsten Einfluss auf das Fahrverhalten des 22 t wiegen-den Gesamtfahrzeugs. Die Bewegungseinheit des Reifenprfstands stellt den zu untersuchenden Reifen whrend des Messbetriebs mit der erforderlichen Radlast und den gewnschten Schrglauf-, Sturz- und Bremsschlupfvorgaben auf die Fahrbahn. Die Sollwert-vorgaben fr die zu messenden Reifenbetriebszustnde sind frei konfigurierbar und werden computergesteuert an die Aktuatorik des Prfstands bermittelt: Die Reifensturz- (bis = 10) und Schrg-laufwinkelverlufe (bis = 15) werden hydraulisch aktuiert. Der Lngsschlupf wird ber eine hydraulisch angesteuerte Scheiben-bremse mit einem maximalen Bremsmoment von zirka 24 kNm ein-gestellt. Die Radlast von bis zu 50 kN fr den Messreifen wird ber eine Luftfederung, kombiniert mit einem Hydraulikzylinder, einge-regelt. Diese aktive Regelung erlaubt die Kompensation niederfre-quenter Radlastschwingungen, welche durch Fahrbahnanregungen und Aufbaubewegungen induziert werden knnen. Die erforderli-che hydraulische Leistung von 17 kW und die elektrische Leistung von 2,5 kW zur Energieversorgung des Reifenprfstands und sei-ner Messtechnik werden durch ein sogenanntes Powerpack zur Ver-fgung gestellt. Dieses besteht aus einem Dieselmotor, welcher ei-ne Hydraulikpumpe und einen elektrischen Generator antreibt und

    darber hinaus noch das Druckluftnetz mit 10 bar Systemdruck ber eine entsprechende Pumpe speist. Die Erfassung der Reifen-krfte und -momente erfolgt ber eine von der Firma Kistler in Zu-sammenarbeit mit ika und fka entwickelten Fnfkomponenten-messnabe. Der Messbereich erstreckt sich bis 50 kN fr die Ras-last sowie bis je 50 kN fr Lngs- und Seitenkrfte. Hauptaufga-bengebiete fr den fahrenden Reifenprfstand sind sowohl die cha-rakterisierung des Kraftschlussverhaltens verschiedener Reifenty-pen auf realen Fahrbahnoberflchen als auch eine Ermittlung und Bewertung dieser Eigenschaften im Bezug auf die heute im Stra-enbau verwendeten Fahrbahndecken bei unterschiedlichen Wit-terungsbedingungen. Ferner erlaubt der FaReP die fr das Reifen-Labelling erforderlichen Kraftschlussmessungen auf nasser Fahr-bahn. Mit geeigneter Zusatzmesstechnik sind ebenso vergleichen-de Akustikmessungen auf entsprechenden Fahrbahnen denkbar. Auch alle gngigen Reifensimulationsmodelle profitieren von den Messdaten des fahrenden Reifenprfstands.

    2 Mobiler Reifenprfstand FaReP auf der Auentrommel im ika-Labor sowie im Messeinsatz auf der Teststrecke des Aldenhoven Testing centers (ATc) in der nhe von Aachen

    3 Konzept des Linearzug-Reibwertprfstands LiReP

    ForsChung REIFEn

    506

  • 3.2 LINEARZUG-REIBWERTPRFSTANDMit dem Linearzug-Reibwertprfstand LiReP [12], 3, ist bei ika und fka ein weiteres Prfgert im Einsatz, um die Kraftschlusspotenziale verschiedener Reifen-Fahrbahn-Kombinationen zu untersuchen. Es ermglicht die Messung vollstndiger Reibwertkennfelder von ein-zelnen Laufstreifenprofilstollenproben separat vom gesamten Reifen auf verschiedensten Fahrbahnoberflchen. Ein typisches Reibwertkenn-feld stellt dabei die lokalen Haft- und Gleitreibwerte der Kombination Laufstreifengummi und Fahrbahnoberflche in Abhngigkeit der Be-triebsparameter lokaler Anpressdruck sowie Gleit- beziehungs-weise Verfahrgeschwindigkeit dar. In Einzelfllen kommt als weite-re Betriebsgre die Fahrbahn- beziehungsweise Gummitemperatur hinzu. 4 zeigt typische Reibwertkennfelder, die mit dem LiReP auf verschiedenen Fahrbahnoberflchen ermittelt worden sind.Kernstck des Linearzug-Reibwertprfstands ist sein Linearaktua-

    tor, der als elektromechanischer Kugelumlaufspindel-Gewindetrieb ausgefhrt ist. Er zieht einen gewichtsbelasteten Messschlitten mit definierter Geschwindigkeit ber die Fahrbahnoberflche. Eine dem Laufstreifen des zu untersuchenden Reifens entnommene Gummi-probe der Gre 60 mm x 60 mm wird auf einer Trgerplatte appli-ziert und in den Messschlitten eingespannt. Mithilfe von Belastungs-

    gewichten zwischen 3 kg und 60 kg knnen je nach Gre der Auf-standsflche des Probenkrpers Anpressdrcke zwischen 0,3 bar und 3,5 bar erzeugt werden. Whrend der Versuchsdurchfhrung wird der eingespannte und vertikal belastete Laufstreifenprobenkr-per mit konstanter Verfahrgeschwindigkeit aus dem Stillstand her-aus ber die betreffende Fahrbahnoberflche gezogen. Es knnen dabei Verfahr- beziehungsweise Gleitgeschwindigkeiten im Bereich von zirka 0,001 m/s bis 1,2 m/s erreicht werden. Smtliche auf den Probenkrper whrend des Versuchs einwirkenden Krfte werden von einem ebenfalls im Messschlitten installierten 3D-Kraftsensor auf-genommen. Dieser Sensor erfasst kontinuierlich die auf den Lauf-streifengummi einwirkende Vertikallast, die Zugkraft (beziehungs-weise Reibkraft) und die Querkraft. Zustzliche Weg- und Geschwin-digkeitssensoren vervollstndigen die Messtechnikausstattung. Dar-ber hinaus ist eine mobile Klimakammer verfgbar, welche eine Un-tersuchung des Temperatureinflusses auf die Reibwertkennfelder er-laubt. Da es sich um eine mobile Prfeinrichtung handelt, ermg-licht diese die Messung der Reibwertkennfelder von Profilstollenpro-ben sowohl auf realen Fahrbahnen (beispielsweise ffentliche Stra-en und Teststrecken) als auch auf den Oberflchen von Reifenprf-standslaufbahnen (wie Auentrommeln oder Flachbahnen), 5.

    4 Mit dem Linearzug-Reibwertprfstand ermittelte Reibwertkennfelder der knstlichen Fahrbahnoberflche Korund P80 (rechts) sowie verschiedener realer Asphalt-beton-Fahrbahnen des ATc (links und Mitte); vorgehen zur Reibwertkennfeldermittlung (oben)

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  • Die vom Linearzug-Reibwertprfstand gemessenen Reibwertkenn-felder erlauben neben einer Bewertung des Kraftschlussverhaltens von verschiedenen Laufstreifengummimischungen auch die charak-terisierung unterschiedlicher Fahrbahndecken bei allem mglichen Umgebungszustnden. Darber hinaus knnen die Messdaten di-rekt zur Parametrierung komplexer 3D-Reifensimulationsmodelle wie FTire [5, 6] herangezogen werden.

    4 zusammenFassung unD ausBliCk

    Neben den beiden klassischen Auentrommelprfstnden zur Mes-sung von Reifeneigenschaften unter Laborbedingungen sind bei ika und fka zwei mobile Prfeinrichtungen im Einsatz, welche eine cha-rakterisierung des Kraftschlussverhaltens von Reifen auf unter-schiedlichen realen Fahrbahnoberflchen ermglichen. Whrend der fahrende Reifenprfstand FaReP die Messung von Reifenkennfel-dern fr Quer- und Lngsschlupf auf Teststrecken und ffentlichen Straen erlaubt, werden mit den Linearzug-Reibwertprfstand Li-ReP die lokalen Reibwertkennfelder einzelner Laufstreifengummi-

    proben separat vom gesamten Reifen auf eben diesen Fahrbahnen gemessen. ika und fka sind daher mit der erforderlichen Prfein-richtung ausgestattet, um detaillierte ganzheitliche Untersuchun-gen der Kraftbertragungseigenschaften im Reifen-Fahrbahn-Kon-takt unter verschiedensten Umgebungsbedingungen durchzufhren.

    liTeraTurhinWeise[1] Heiing, b.; Miksch, H.: Ein neuer Prfstand fr nutzfahrzeugreifen. In: ATz (80), 1978, nr. 3[2] Khn, P.; Holdmann, P.: Moderne Prfstandstechnik fr das Fahrwerk. In: ATz 100 (1998), nr. 9[3] Holdmann, P.; Khn, P.: Einsatzmglichkeiten des neuen dynamischen ika-Reifenprfstands. 7. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 1998, Aachen, oktober 1998[4] Unrau, H.-J.; zamow, J.: TYDEX-Format Description and Reference Manual. TYDEX-Workshop, www.kfzbau.uni-karlsruhe.de/de/inhalt/gruppen/kfzbau/ forschung/tydex/TydexnoFrame.html, Karlsruhe 1997[5] Gipser, M.: FTire Ein physikalisch basiertes, anwendungsorientiertes Reifenmodell fr alle wichtigen fahrzeugdynamischen Fragestellungen. 4. Darmstdter Reifenkolloquium 2002, Dsseldorf: vDI, 2002[6] Gipser, M.: Reifensimulation mit FTire: Stand und Ausblick. 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2006, Aachen, oktober 2006[7] Pacejka, H. b.; bakker, E.: The Magic Formula Tyre Model. 1st Interna tional colloquium on Tyre Models for vehicle Dynamics Analysis, IAvSD, Delft, okt. 1991[8] Roth, J.: Untersuchungen zur Kraftbertragung zwischen Pkw-Reifen und Fahrbahnen unter besonderer bercksichtigung der Kraftschlusserkennung im rotierenden Rad. Darmstadt, Technische Universitt, Dissertation[9] bachmann, T.: Wechselwirkungen im Prozess der Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn. Darmstadt, Technische Universitt, Dissertation[10] Fischlein, H.: Untersuchung des Fahrbahnoberflcheneinflusses auf das Kraftschlussverhalten von Pkw-Reifen. Karlsruhe, Technische Hochschule, Dissertation[11] bachmann, c.: neuartiger mobiler Reifenprfstand. In: commercial vehicle cluster cvc news, 2009, nr. 3[12] Hartweg, c.; Hsemann, T.; bachmann, c.: Entwicklung von Prfstands-technik zur Erfassung von verschiedenen Reifen-Fahrbahn-Reibwerten. Tagung Reifen Fahrwerk Fahrbahn, Hannover, oktober 2009

    5 Mobiler Linearzug-Reibwertprfstand: Gesamt-ansicht mit Sttzrdern fr Messstellenwechsel (rechts oben), Messbetrieb auf der ATc-Teststrecke (unten links) sowie Messbetrieb mit Klimakammer (oben links); vergleich der Rauigkeiten von Asphalt-beton und Korund P80 (unten rechts)

    Die verfasser bedanken sich beim Direktor des ika, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz

    Eckstein, der die Erstellung dieses Artikels erst ermglicht hat. neben den

    anfangs erwhnten Autoren stammen auerdem wichtige beitrge zum In-

    halt des Artikels von Dipl.-Ing. christian Hartweg, der bei Entwicklung und

    Aufbau des fahrenden Reifenprfstands whrend seiner Ttigkeit bei...

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