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Schnellrechnendes Schwingungsmodell des rollenden Reifens

Wissenschaftler am Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein schnellrechnendes Schwingungsmodell des rollenden Reifens entwickelt. Die Beschreibung der in der Kontaktzone zwischen Reifen und Fahrbahn wirkenden Kräfte soll dadurch möglich sein. Die Forscher arbeiten grundsätzlich an einer Vision vom Automobil von morgen, das leicht und sicher, geräuscharm und emissionsneutral, energieeffizient und bezahlbar sowie leicht bedienbar ist und einen schnellen Weg zum Ziel findet, so das KIT. Ein Schwerpunkt ihrer Arbeit liege auf der Reduktion von Geräuschen.

Eine Reihe von Projekten am Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik beschäftigt sich mit fühlbaren und hörbaren Schwingungen beim Fahren - ein sowohl für den Fahrkomfort als auch für den Umweltschutz relevantes Thema. Bei der Geräuschentwicklung spielen die Reifen eine wesentliche Rolle. "Das Reifenabrollgeräusch ist vor allem bei Geschwindigkeiten zwischen etwa 40 und 150 Stundenkilometern deutlich zu hören - je unebener die Fahrbahn, desto lauter", erklärt Professor Frank Gauterin, Leiter des Instituts für Fahrzeugsystemtechnik (Fast) des KIT und wissenschaftlicher Sprecher des KIT-Zentrums Mobilitätssysteme.

Gemeinsam mit mehreren Automobilherstellern sowie einem Reifenhersteller entwickeln Forscher um Gauterin ein Schwingungsmodell des rollenden Reifens in genau dem Frequenzbereich, der für das Abrollgeräusch verantwortlich ist. "Der Reifen ist aufgrund seiner Materialeigenschaften und seiner Mechanik ein höchst komplexes Bauteil. Die Herausforderung besteht darin, ein angemessen genaues aber dennoch schnell rechnendes Simulationsmodell zu erstellen", betont Professor Gauterin. Das am KIT entwickelte Reifenmodell soll genau dies leisten. Es bezieht die Beschaffenheit der Fahrbahn mit ein und ermöglicht es, die in der Kontaktzone zwischen Reifen und Fahrbahn wirkenden Kräfte zu beschreiben, erklärt das Institut weiter.

Die Forscher verbinden das Reifenmodell mit einem Fahrwerkssimulationsmodell, um die Schwingungsübertragung im gesamten System nachzubilden. An einem Prüfstand - einem Fahrwerk, dessen Eigenschaften sich variabel einstellen lassen - überprüfen sie ihr Modell. Ihre Arbeiten leisten einen neuen Beitrag zur Simulation in der Automobilentwicklung: "Hersteller können bei Neuentwicklungen künftig das Fahrzeugmodell mit dem Reifenmodell koppeln und damit eine komplette Geräuschcharakteristik des neuen Fahrzeugs im Computer erstellen", erläutert Gauterin.

Grundsätzlich werde die Entwicklung von neuen Fahrzeugen durch eine Vielzahl elektronischer, elektrischer und mechatronischer Komponenten immer komplexer: "Diesen Entwicklungsprozess gilt es effizient, zeit- und kostensparend zu gestalten", betont Gauterin. "Zugleich geht es darum, die Eigenschaften der Fahrzeuge in Bezug auf Energieeffizienz, Fahrsicherheit und Nutzerfreundlichkeit weiter zu optimieren." An dem von Gauterin geleiteten Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik befassen sich die Wissenschaftler mit Pkw und Lkw als Gesamtsystemen in Wechselwirkung mit ihrer Umgebung sowie mit der Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug.

So entwickeln die Forscher Betriebsstrategien für energieeffizientes Fahren, die laufend aktuelle Informationen über den Betriebszustand des Fahrzeugs, über Verlauf und Beschaffenheit der Strecke und über andere Fahrzeuge einbeziehen. Sie untersuchen Nutzen und Akzeptanz von Fahrerassistenzsystemen und ermitteln beispielsweise in Probandenstudien, wie Fahrer durch verschiedene optische, akustische und haptische Signale optimal unterstüzt werden können. Studien zum Nutzerverhalten widmen sich unter anderem der Praxis der Elektromobilität. Die Fahrsicherheit wird in mehreren Arbeiten zum Fahrverhalten mit Fokus auf Reifen, Fahrbahn, Fahrwerk und Gesamtfahrzeug adressiert.

Das Zentrum Mobilitätssysteme bündelt die fahrzeugtechnischen Aktivitäten des KIT: An den methodischen und technologischen Grundlagen für die Fahrzeuge der Zukunft arbeiten derzeit knapp 40 Institute am Campus Süd und Nord des KIT mit rund 800 Mitarbeitern. Ziel ist es, energieeffiziente, emissionsarme und sichere Fahrzeuge sowie Mobilitätskonzepte zu entwickeln. Die Wissenschaftler berücksichtigen dabei das komplexe Zusammenspiel von Fahrzeug, Fahrer, Verkehr und Gesellschaft.
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