Der Reifenrollwiderstand von Nutzfahrzeugen -

Wie korrelieren die Werte bei unterschiedlichen Messverfahren?

Dipl.-Ing. (TU) Matthias Bode, IPW automotive GmbH, Isernhagen;
Dr.-Ing. Otto Bode, IPW automotive GmbH, Isernhagen;
Dr.-Ing. Klaus-Peter Glaeser, BASt, Bergisch Gladbach;
Dr.-Ing. Joachim Neubauer¹⁾, Michelin Reifenwerke AG & Co.KGaA
Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Pflug²⁾, vormals Daimler AG, Stuttgart

1. Obmann FAT-AK4 “Dynamische Achslasten und Straßenbeanspruchung“

2. FAT-Clusterleiter “Transportsysteme Nutzfahrzeuge“ Text, Obmann FAT-AK9
    

Kurzfassung

Bei einem 40t-Lastzug im europäischen Fernverkehrseinsatz entfällt etwa 15% des gesamten Energiebedarfs auf den Reifenrollwiderstand. Vor dem Hintergrund der aktuell weltweit geführten Diskussion über die Reduzierung der CO₂-Emissionen speziell auch im Transportsektor steht u.a. das Reduktionspotenzial des reifenspezifischen Bewegungswiderstandes im Fokus des FAT-Projektes "Energieeffizienter Lastzug". Deshalb wurden von der Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT) und der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Rahmen eines Gemeinschaftsprojektes in einer breit angelegten Untersuchung zunächst die Sensitivität eines Messverfahrens und die Wechselwirkung zwischen Lkw-Reifen und Fahrbahnoberfläche untersucht.

 

Im Rahmen dieses Beitrags wird eine Versuchsmethode vorgestellt, die es erlaubt, den Reifenrollwiderstand eines Lkw-Reifens unter natürlichen Umgebungsbedingungen auf realen Fahrbahnen praxisnah zu ermitteln. Damit können bei realistischem Reifen-Bodenkontakt und den zugehörigen bilateralen Verformungen diejenigen Einflüsse auf den Rollwiderstand ermittelt werden, die sich aus bestimmten Fahrbahneigenschaften ableiten, wie z.B. den der Fahrbahntextur.

Eine besondere Abrundung der Erkenntnisse ist durch Gegenüberstellung der "Outdoor-Messergebnisse" und "Indoor-Prüfungen" gegeben. Welche Erkenntnisse über den Rollwiderstand von Nutzfahrzeugreifen bei methodisch unterschiedlicher Vorgehensweise feststellbar waren, diese interessanten Erfahrungen werden am Beispiel eines Trailerreifens der Dimension 385/65 R 22.5 ausführlich vorgestellt.

1. Einleitung

Der Anteil des Straßengüterverkehrs hat in Europa ständig zugenommen, allein in den letzten 2 Jahrzehnten um 80%. Auch für die nächste Dekade ist mit weiterem Wachstum zu rechnen, die Prognosen hierfür liegen bei 20%.

Dieser Zunahme des Güterverkehrs auf der Straße stehen heute zunehmend intensivierte Umweltanforderungen gegenüber, die im Kern zwei Ziele verfolgen: Eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs und eine Verminderung von Schadstoffemissionen.

Im Bemühen, die zunehmende Emission von klimaschädlichen Treibhausgasen einzudämmen, ist das Abkommen von Kyoto (1997) ein bemerkenswerter Eckpunkt; denn seither ist die Politik weltweit gezwungen, sich mit diesem Thema verantwortungsbewusster auseinanderzusetzen. Vor diesem Hintergrund sind seitdem in allen wesentlichen Weltmärkten langfristige CO₂-Einsparziele in Form von Flottengrenzwerten für Pkw gesetzlich festgelegt worden. In Gang gesetzt ist damit eine Diskussion, bei der nun auch das schwere Nutzfahrzeug im Fokus einer kritischen Betrachtung steht.

Um eine zielorientierte, herstellerübergreifende und vorwettbewerbliche Untersuchung möglicher Kraftstoffeinsparpotentiale zukünftiger Nutzfahrzeuge zu ermöglichen, ist von der Forschungsvereinigung Automobiltechnik das Projekt "Energieeffizienter Lastzug" angelegt worden. An diesem Projekt sind verschiedene FAT-Arbeitskreise mit unterschiedlichen Schwerpunktthemen beteiligt. Der Arbeitskreis 4 hat sich dem Komplex “Reifenrollwiderstand“ zugewandt und in 2010 zusammen mit der Bundesanstalt für Straßenwesen eine interessante Rollwiderstandsuntersuchung initiiert, über die im Folgenden ausführlich berichtet wird.

2. Stand der Technik

2.1 Bedeutung

Eine einfache Merkregel veranschaulicht den beim Lkw vermeintlich durch Rollwiderstand generierten Kraftstoffverbrauch in wenigen Worten: "Jede dritte Tankfüllung geht zu Lasten des Rollwiderstands". Geht man dieser verbreiteten Aussage indes genauer nach, bestätigt sich diese Einschätzung nicht, sie ist sogar falsch. Denn nach aktuellem Wissensstand entfallen bei einem 40t-Lastzug im europäischen Fernverkehrseinsatz nur etwa 15% des Kraftstoffverbrauchs auf den Reifenrollwiderstand [1]. Allerdings, und das ist die Verwechslung in der zitierten Aussage, tragen die Reifen zu den äußeren Fahrwiderstandskräften einen Anteil von über 30 % bei. Eine Quote, die natürlich vom Einsatzprofil (Topologie, Beladung, Verkehrsfluß, Fahrweise etc.) abhängig ist.

Fällt der dargestellte Zusammenhang im Ergebnis deutlich anders aus, wenn als Referenzfall eine stationäre Fahrt auf ebenem Terrain als weniger komplexer Zustand herangezogen wird? Unter Vernachlässigung von Wind bestimmt in dieser Situation allein die Fahrgeschwindigkeit den zu überwindenden Luftwiderstand, während das Fahrzeuggewicht den Rollwiderstand prägt. Basierend auf diesen Rahmenbedingungen lässt sich am Beispiel einer von IPW gemessenen Fahrwiderstands- und Verbrauchskurve eines schweren Sattelzuges (Bild 1) leicht ablesen, dass bei einer Fahrgeschwindigkeit von konstant 80 km/h nur rund 46% der äußeren Fahrwiderstandskräfte auf den Luftwiderstand entfallen und 54 % auf den Reifenrollwiderstand. Es bleibt die Frage, welchen Verbrauchsanteil des mit ca. 27l/100km festgestellten Kraftstoffverbrauchs kann man dem Rollwiderstand zuweisen? Die Antwort darauf muß sich einer Annahme des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors bedienen: Ausgehend davon, dass näherungsweise nur etwa 44% der im Kraftstoff verfügbaren Energiemenge als mechanische Energie an der Kurbelwelle des Dieselmotors bereitstehen, wovon dann auch noch Triebstrang- und Nebenaggregatbedarfe in Abzug gebracht werden müssen, verbleiben für die Abdeckung des Luftwiderstandes ca. 19% der eingespeisten Kraftstoffenergie, während ca. 22% auf den Reifenrollwiderstand entfallen. Als Hinweis sei ergänzt, dass dieser Verbrauchsanteil natürlich im Falle einer Teilbeladung bzw. bei Leerfahrt auf einem niedrigeren Level angesiedelt ist, da hierbei der aerodynamische Widerstand überwiegt. Als Abschätzung für das Kraftstoffsparpotential durch Rollwiderstandsoptimierung im Fernverkehr läßt sich formulieren:

Ein um 10 % verbesserter Reifenrollwiderstand leistet ca. 2% Kraftstoffeinsparung - und vermindert dementsprechend auch die CO₂ Emission.

2.2 Entstehung

Es ist eine Grundeigenschaft des elastischen Luftreifens, dass der Torus seine gleichmäßige runde Form verliert, sobald er belastet wird. Vorrangig wird die lastabhängige Verformung nahe der Bodenkontaktzone sichtbar, so auch an der Ausprägung des Reifenlatsches. Aber nicht nur dieser auf den ersten Blick erkennbar beanspruchte Reifensektor (Bild 2), sondern auch die nicht im direkten Fahrbahnkontakt stehenden Gebiete unterhalb des Reifenzenits reagieren mit Formänderungen gegenüber dem lastfreien Zustand. An Lauffläche, Seitenwand und Schulter tritt dieses Verhalten als äußere Konturänderung in Erscheinung, aber natürlich reagieren auch die verdeckten Reifenkonstruktionsteile inner- und außerhalb der Karkasse bei Lastübernahme mit Formänderungen.

Der Bewegungswiderstand, den das belastete Rad beim Abrollvorgang der Bewegungsrichtung entgegensetzt, ist die Folge eines fortwährenden Energieverlustes. Dieser fällt beim Abrollen durch Verrichtung der anfallenden Verformungsarbeit an. Bei diesem Prozess findet ständig eine Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme statt, die das Reifenmaterial und die eingeschlossene Gasfüllung aufheizt, die aber auch im gegenseitigen Austausch an die Umgebung abgeführt wird.

Auf Grund der visko-elastischen Eigenschaften der beteiligten Materialien werden Verformungen des Reifens zwar zurückgebildet, jedoch müssen die unvermeidlichen hysteresebedingten Energieverluste permanent von außen gedeckt werden. Dieser Sachverhalt begründet schließlich die Rollwiderstandskraft.

Neben dem dominierenden Verlustanteil durch Walkarbeit in der bodennahen Reifenregion gibt es auch kleine Verlustkomponenten, die durch Schlupfbewegungen hervorgerufen werden. Einer dieser Nebeneffekte ist als 'Scheuern' im Bereich des Wulst-Felgensitzes bekannt. Zudem spielen dissipative Wechselwirkungen zwischen Reifenprofil und Fahrbahn eine Rolle. Das auch als Mikroschlupf bezeichnete Verlustphänomen beeinflusst den Rollwiderstand allerdings in nur geringem Maße, denn etwa 90 % sind nach veröffentlichten Angaben allein auf den Walkprozess zurückzuführen. Da die Bewegungen und Verformungen der im direkten Fahrbahnkontakt stehenden Profilblöcke jedoch von der Textur der Fahrbahnoberfläche mitbeeinflußt sind, unterliegt der Reifenrollwiderstand grundsätzlich auch dieser peripheren Einwirkung.

2.3 Prüfmethoden

Angaben zum Rollwiderstand von Reifen basieren im Normalfall auf verbindlichen Prüfergebnissen, die unter den Bedingungen eines spezifizierten Prüfverfahrens entstanden sind. Zu den etablierten Verfahren gehören 'Indoor'-Messungen auf speziellen Trommelprüfanlagen, reguliert in Standards, wie z.B. nach ISO 28580 [3]. In dieser sind 2 Verfahrensweisen deklariert: a) der Ausrollversuch und b) der Prüfbetrieb mit v=constant. Für die überwiegend anzutreffende Variante b stehen die Messprinzipien Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung zur freien Auswahl. In jedem Fall rollt hierbei der Prüfreifen unter definierter Belastung auf einer Endlosfahrbahn, die als Außentrommel mit einem Mindestdurchmesser von 1,7m spezifiziert ist. Unabhängig von der Reifengröße gilt dieser Zahlenwert gleichermaßen für Pkw- als auch Bus- und Lkw-Reifen. Da bekanntermaßen das Verhältnis der Krümmungsradien zwischen den Kontaktpartnern Trommel/Reifen das Rollwiderstandsmessergebnis beeinflusst, wird mittels einer Korrekturformel nachträglich ein einheitlicher Bezug auf den Referenzwert von 2m Durchmesser hergestellt.

Im Gegensatz zu ‘Outdoor‘-Messverfahren bietet allein die ‘Indoor‘-Methode die grundlegenden Voraussetzungen, um unter stabilen und vor allem definierten Umgebungsbedingungen zu prüfen. Die Lufttemperatur der Umgebung ist in der genannten Norm wie üblich mit 25°C spezifiziert, tolerierte Abweichungen (±5°C) von diesem Referenzwert werden auch hier nachträglich in das Messresultat eingerechnet. Mit einer vorangestellten Warmlaufphase von bis zu 3 Stunden Dauer soll erreicht werden, dass der Reifen sein individuelles thermisches Gleichgewicht erreicht, denn nur dann liegt der Rollwiderstand auf einem konstanten Niveau.

Zwar schließt die Norm raue Laufflächen nicht generell aus, jedoch sollte die Stahltrommel eine glatte Oberfläche aufweisen, ansonsten muß diese Abweichung vermerkt werden.

Der sogenannte Ventilationswiderstand des Rades geht in das am Ende stehende Prüfresultat nicht ein, da dieser Effekt - ebenso wie andere parasitäre Verluste - durch den Aufbau des Versuchsprozesses eliminiert wird.

Innerhalb der Norm ist nur eine Geschwindigkeitsstufe für den Test vorgesehen. Für Reifen mit einem Lastindex kleiner 121 sind 80 km/h festgelegt, oberhalb von LI=121 ist ein Wert von 60 km/h vorgesehen, wenn der Speedindex die Klasse 'J ' nicht überschreitet.

Die Prüfung nach ISO 28580 wird u.a. dazu verwendet, die quantitativen Feststellungen zum Rollwiderstand von Reifen zu treffen, welche im Rahmen der vom Europäischen Parlament verabschiedeten Kennzeichnungsverordnung ab 2012 zwingend erforderlich sein werden. Auf Basis dieses Verfahrens steht somit für die verpflichtende Einteilung in Rollwiderstandsklassen ein Zahlenwert pro Reifen zur Verfügung, dessen Angabe sich, wie zuvor beschrieben, auf die Überprüfung nur eines Betriebspunktes bezieht – festgelegt durch Geschwindigkeit, Last und Fülldruck. Für Lkw- und Busreifen ist eine Radlast von 85% der maximalen Tragfähigkeit definiert.

2.4 Aussagekraft

Wenn auch die Rollwiderstandsermittlung nach einem festen Prüfablauf mit geregelten Vorgaben erfolgt, so ist damit nicht sichergestellt, dass die Wiederholung einer Reifenprüfung auf einem konzeptionell anderen Prüfstand auf identische Werte führt. Selbst bei technischer Baugleichheit besteht keine Gewähr hierfür. Diese praktische Erfahrung ist in der Vergangenheit bei sogenannten Round-Robin-Tests wiederholt gewonnen worden, siehe hierzu beispielhaft Bild 3, weshalb man diesem für ein 'Labeling' problematischen Unsicherheitsaspekt auch besondere Beachtung schenken muß. Was von den Beteiligten u.a. auch durch gemeinsame Abgleichmaßnahmen getan wird: Korrekturfaktoren für Prüfeinrichtungen und ‘Virtuelles Labor‘ seien als Schlagworte genannt.

Verfahrensunsicherheiten, Ergebnisstreuungen und Nivellierungsanstrengungen bei den Prüfeinrichtungen stehen NICHT im Focus der hier berichteten Untersuchung, sondern die treibende Motivation war und ist allein in der beabsichtigten Klärung einer ganz zentralen Frage begründet: Wie hoch sind die Differenzen bei großen Nutzfahrzeugreifen zwischen dem tatsächlich auf der Strasse wirksamen und dem im Labor auf einer glatten Stahltrommel normkonform gemessenen Reifenrollwiderstand?

3. Vorgehensweise

3.1 Meßmethode 'Rollwiderstand auf echter Fahrbahn'

Das besondere Interesse an einer Feststellung des Reifenrollwiderstandes auf echten Straßen lässt sich über Jahrzehnte hinweg an der Veröffentlichung einiger bemerkenswerter Spezialfahrzeuge verfolgen [5]. Viele der hiermit in der Kategorie “Pkw-Reifen“ gewonnenen praktischen Erfahrungen sind publiziert worden, aber auch die Stärken und Schwächen einzelner Lösungsvarianten sind auf diese Weise dem kritischen Betrachter näher gerückt.

Diesen und eigenen Erkenntnissen folgend, ist bei IPW in 2009 ein Rollwiderstandsmessanhänger mit Spurverstellmöglichkeit für Pkw-Reifen entstanden [6]. Dessen bewährte Funktion und Zuverlässigkeit hatte dazu angeregt, das benutzte Messverfahren auf einen konventionellen 18to-Anhänger umzusetzen. Die aktuelle Ausführung des Kraftmessgliedes geht aus Bild 4 hervor. Es ist zwischen Koppelmaul und Deichselkopf eines Wechselbrückenzuges installiert. Besondere Merkmale sind die spielfreie mechanische Anbindung, Robustheit und eine hohe Messempfindlichkeit bei minimaler Drift.

Hochauflösend gemessen wird die Fahrtrichtungskomponente der Koppelkraft, die im Weiteren als Deichselkraft F_D bezeichnet wird. F_D beinhaltet die Summe der am Anhänger wirksamen Fahrwiderstände, welche aus 4 Teilwiderständen besteht:

• Radwiderstand F_R

• Luftwiderstand F_L

• Beschleunigungswiderstand F_B

• Steigungswiderstand F_H

Eingeschlossen im Radwiderstand ist der zu identifizierende Rollwiderstand Fro, der von Nebenwiderständen überlagert wird. Ihr störendes Auftreten ist möglich, wenn Effekte wie

• Spurfehler

• Lagerreibung

• Radventilation

• Bremseneingriff

• Kurvenfahrt

• Wasserverdrängung (Fahrbahn nass)

nicht ausgeschlossen werden. Die Auflistung der möglicherweise beteiligten Widerstandskomponenten soll verdeutlichen, dass die Messglied-Eignung zwar eine fundamentale Voraussetzung für eine erfolgreiche Erfassung des Fahrwiderstandes ist, dass aber der gesuchte Rollwiderstandsanteil der 4 Räder letztlich nur in Kombination mit einer ausgeklügelten Versuchsdurchführung zielführend separiert werden kann.

Die diesbezüglich zu erfüllenden Rahmenbedingungen bzw. Streckenvoraussetzungen etc. sind in einer Strategieanweisung verankert, die auszugsweise in Bild 5 wiedergegeben ist. Drei Notwendigkeiten seien an dieser Stelle hervorgehoben:

• Konstanz der Fahrgeschwindigkeit

• Kompensation von Hangabtriebskräften

• Minimierung aerodynamischer Störeinflüsse.

Die Versuche werden bevorzugt mit einer niedrigen Fahrgeschwindigkeit von nur 15 km/h durchgeführt, um in Kombination mit einer geringen frontalen Schattenfläche des Anhängers einen möglichst marginalen aerodynamischen Fahrwiderstand zu generieren. Er ist bei der gegebenen Zugkonfiguration in der Tat vernachlässigbar niedrig, wenn überlagerte Windstörungen vermieden werden.

Unerwünschte Trägheitskräfte ließen sich durch Realisierung einer gleichförmigen Fahrt ausschließen, was in der Praxis jedoch bestenfalls nur über kurze Abschnitte gelingen kann. Um diesem Idealzustand möglichst nahezukommen, übernimmt eine geeignete Geschwindigkeitsregelanlage diese Aufgabe.

Mit dem in Bild 5 skizzierten Rundkurs, der in beiden Richtungen befahrbar ist, soll darauf hingewiesen werden, dass ein zuverlässiges Endergebnis grundsätzlich auf mindestens zwei Teilergebnissen von gegenläufigen Fahrten auf ein- und demselben Fahrbahnabschnitt basiert (Paarbildung!). Mit dieser Prozedur kann ein nicht konstantes Höhenprofil der Meßstrecke so ausgeglichen werden, dass die Hangabtriebskraft den unbedingt anzustrebenden Paarmittelwert 'null' erreicht. Mehrere Wiederholmessungen ermöglichen eine Kontrolle der Ergebnisstabilität, sowohl der Einzelversuche als auch der Paarmittelwerte, zudem sichern sie das resultierende Ergebnis statistisch ab.

3.2 Versuchsprogramm

Im Mittelpunkt steht allein die Reifendimension 385/65 R22.5. Acht neue Fernverkehr-Trailerreifen mit dem typischen Rillenprofil standen als Versuchsobjekte zur Verfügung, hiervon vier Stück mit Vollprofil und vier auf ein Restprofil von 4mm Höhe abgeraute. Allesamt aus einer Herstellcharge, Serienprodukte aus dem Hause Michelin. Wie in Bild 6 angedeutet, wurden die Reifen sowohl auf verschiedenen Prüfständen als auch im Fahrversuch untersucht. Für die ‘Outdoor‘-Rollwiderstandsmessungen wurden zwei Prüfgelände mit unterschiedlichen Fahrbahnbelägen aufgesucht. Um die Rautiefen der dort befahrenen Teilstrecken zu dokumentieren, war ein spezielles Messfahrzeug der BASt vor Ort im Einsatz.

4. Ergebnisse

4.1 Außentrommelmessung – Basiswerte

Das bei der “Deichselkraftmeßmethode“ auf Grund der überlagerten Rollwiderstände von gleich vier Radpositionen ein höheres Zugkraftniveau besteht, ist ein messtechnischer Vorteil. Er ist nutzbar, da bekanntermaßen die individuellen Unterschiede zwischen einzelnen Exemplaren einer Produktionscharge sehr gering ausfallen. Diese Aussage wird durch die in Bild 7 vorgestellten Einzelprüfergebnisse für beide Reifensätze bestätigt. Es wird zugleich deutlich, dass sich mit abnehmender Profiltiefe der Rollwiderstand verringert. Hier hat ein Delta von 12 mm Profiltiefe zu einer drastischen Verbesserung von ca. 27% geführt. Folgerichtig läßt sich aus den dann vorhandenen niedrigeren Warm-Luftdruckwerten ein geringeres Wärmeaufkommen ableiten. Anders als bei einer Laborprüfung nach ISO 28580 liegt die für den Fahrversuch definierte Geschwindigkeit bei nur 15 km/h statt 60 km/h – aus verfahrenstechnischen Gründen. Diese Beschränkung ist keinesfalls nachteilig, was die in Bild 8 vorgestellte, von v_prüf weitgehend unabhängige Konstanz des Rollwiderstandes anzeigt. Wie bei diesem Objekt, so ließ sich ebenfalls bei zwei weiteren, auf einer anderen Prüfeinrichtung untersuchten großen Lkw-Reifen keine Geschwindigkeitsabhängigkeit feststellen.

4.2 Messungen auf echten Fahrbahnen

Ebenso wie bei der Prüfstandsprozedur muß der Reifen vorab über eine definierte Warmlaufphase thermisch konditioniert werden - nachdem zuvor der Fülldruck auf den kalt vorgesehenen Wert eingestellt wurde. Der Betriebspunkt der Messung bei 15km/h verlangt ein Warmfahren mit genau dieser Fahrgeschwindigkeit, da sich nur auf diese Weise das zugehörige individuelle stationäre Temperaturgleichgewicht zur Umgebung einstellen kann. Unter konstanten Umgebungsbedingungen mittlerer Temperatur liegt der erforderliche stationäre Zustand bereits nach einer Stunde Warmfahrt vor, siehe Bild 9. Die dargestellte Fahrwiderstandskraft beschreibt den Radwiderstand aller Räder, inklusive dem unbekannten Anhänger-Luftwiderstand von weniger als 30 N. Der festgestellte Mittelwert wird unmittelbar mit der sorgfältig kontrollierten Gewichtskraft des Anhängers ins Verhältnis gesetzt, woraus sich unter möglicher Vernachlässigung der als unbedeutend eingestuften Rad-Nebenwiderstände ein Durchschnittsergebnis für den Rollwiderstandsbeiwert der beteiligten 4 Reifen ergibt. Die offensichtlich geringe Streuung der Paarmittelwerte bestätigt sich in einer rel. Standardabweichung von < 2,1%.

Wird der Reifentest im Abstand von Tagen oder gar Wochen auf dem gleichen Gelände wiederholt, können sich unter den jeweiligen Versuchsbedingungen erhebliche Abweichungen einstellen, siehe Bild 10. Zurückführen lassen sich diese vorrangig auf unterschiedliche Temperaturbedingungen, sowohl Umgebungsluft und Fahrbahn betreffend als auch das Reifenmaterial (z.B. Kerntemperatur). Auch Intensitätsunterschiede der solaren Strahlung spielen hierbei eine Rolle. Während bei der Prüfstandsprozedur über eine Temperaturkorrektur der Umgebungsluft – im Fenster von 20-30°C – ein einheitlicher Bezug möglich ist, gibt es für die Testsituation ‘Strasse‘ keine verbindliche, fundierte Regelung. Hier besteht zukünftig noch Eruierungsbedarf. Momentan wird auf einfache Weise nur auf die Temperatur der Fahrbahnoberfläche referenziert. Die drei in Bild 10 nebeneinander gestellten Fälle bestätigen die auch in der Übergangsphase (Bild 9) sichtbare Erfahrung, dass der kalte Reifen einen höheren Rollwiderstand aufweist. Diese Aussage darf nicht verwechselt werden mit dem Phänomen, dass ein unter gleichen Testbedingungen weniger Wärme produzierender, demzufolge kälterer Reifen einen geringeren Rollwiderstand aufweist als das wärmere Pendant.

Die von Untersuchungen an Pkw-Reifen her bekannte Eigenschaft eines von der Fahrbahntextur beeinflussten Rollwiderstands (Bild 11) deutet sich auch bei der hier untersuchten großen Reifendimension an. Eine harte Betonfahrbahn, die mit einem niedrigen MPD-Wert von 0,1 sehr glatt ausgeführt ist, zeigt den geringsten Rollwiderstand. Tendenziell steigt er mit Zunahme der mittleren Textur-Profiltiefe (MPD) an. Bei dem mit ISO 10844 bezeichneten Fahrbahnbelag handelt es sich um eine bei Geräuschmessstrecken vorgeschriebene Asphaltdeckschicht, die auch im Parallelversuch auf dem großen Innentrommelprüfstand der BASt die gegenüber glattem Stahlbelag höheren Rollwiderstandswerte erzeugt hat. Der in Bild 11 vorgestellte, noch unvollständig abgesicherte Zusammenhang wird zur Zeit um weitere Fahrbahnen ergänzt. Insbesondere deutlich rautiefere Beläge stehen hierbei im Blickfeld.

4.3 Gegenüberstellung ‘Indoor vs. Outdoor‘

Die zu Projektbeginn auf einer glatten Stahltrommel von 2,7m Durchmesser festgestellten Rollwiderstandswerte erreichen ein höheres Werteniveau, wenn zwecks Standardisierung die hierfür geforderte Referenzbildung auf einen Trommeldurchmesser von 2m erfolgt (Bild 12). Aus der Krümmungs-Korrekturformel nach [3] ergibt sich ein Faktor von K_r= 1,095, so dass der hinsichtlich Temperatur und Durchmesser normierte Rollwiderstandsbeiwert des Reifens 4,73 Promille beträgt. Wird die Korrekturformel benutzt, um das Prüfstandsergebnis auf eine reale, unendlich gekrümmte Fahrbahn zu transformieren, ergibt sich eine scheinbar sinnfällige Reduzierung des Rollwiderstandsbeiwertes, allerdings ist der entstandene Zahlenwert offensichtlich unrealistisch niedrig angesiedelt. Daraus läßt sich schließen, dass die Korrekturformel tatsächlich nur innerhalb eines begrenzten Radienfensters für diesen Zweck anwendbar ist. Interessant ist, dass der Ausgangswert von 4,73 Promille nach 1-jähriger Alterung der Reifen, jedoch geringer Laufleistung (< 10Tkm), sich nur wenig vermindert hat. Der rechts in Bild 12 aufgeführte Kontrollversuch, der kürzlich auf einer 2m-Stahltrommel (glatt) stattfand, hat diesen erwarteten Trend mit einem Wert von 4,68 Promille bestätigt. Ebenso auch aktuelle Fahrversuche, die in der Grafik nicht dargestellt sind. Im Vergleich zu dem im Labortest auf glatter Stahloberfläche ermittelten Referenzwert (4,73 Promille) liegen die auf einer ungekrümmten echten Fahrbahn festgestellten Reifenrollwiderstandswerte darunter, wenn als Kontaktpartner des Reifens eine harte, wenig raue Betonfahrbahn beteiligt ist. Die bisher bei der Durchführung befahrenen Aspalt- und Betondecken können nicht als übermäßig rau qualifiziert werden. Dennoch läßt sich eine charakteristische Zunahme des Reifenrollwiderstandes über der mittleren Texturtiefe feststellen. Die in der Legende (Bild 12) als “rau“ bezeichnete Fahrbahn weist keine ungewöhnliche mittlere Rautiefe auf. Trotzdem liegt hier das Reifenrollwiderstandsniveau mit 4,71 Promille erkennbar höher. Es entspricht weitestgehend dem des Labortests. Diese Feststellung soll nicht darüber hinwegtäuschen, dass die in Bild 12 angedeutete Beeinflussung durch den Versuchsparameter “Temperatur“ nach wie vor eine offene Herausforderung darstellt. Einerseits organisatorisch, weil die optimalen Wetterbedingungen kaum anzutreffen sind. Vor allem aber ist es die noch nicht verifizierte Temperatur-Korrekturfunktion, die eine Unsicherheit des Verfahrens darstellt. Es erscheint fraglich, ob allein die Fahrbahntemperatur als einfach zugängliche Messgröße bei der Definition eines Referenzzustandes ausreichen wird.

5. Fazit

Wenn sich die Vorstellungen des europäischen Fahrzeugherstellerverbands ACEA, realitätsnahe, fahrzeugbezogene CO₂-Abgaswerte für Nutzfahrzeuge durch standardisierbare, simulationsbasierte Verfahren bestimmbar zu machen, umsetzen lassen sollen, dann ist es zur Bestimmung der Fahrwiderstände unerlässlich, neben dem aerodynamischen Einfluss auch den Reifenrollwiderstand aufgrund seines hohen Beitrags am Energieverbrauch eines Lastzugs genau zu kennen. Dieser Wert lässt sich in der späteren praktischen Umsetzung einer Simulationsumgebung letztlich sicherlich zwar nur auf Basis normierter Trommelmessungen herleiten, aber zuvor ist die Korrelation zwischen den im realen Betrieb vorzufindenden Werten und den Trommelwerten bei Nutzfahrzeugreifen unterschiedlichster Dimensionen genauestens aufzuzeigen.

Dazu gilt es, wie der vorliegende Beitrag anschaulich aufgezeigt hat, noch einige grundlegende Zusammenhänge bei Nutzfahrzeugreifen zu erarbeiten:

• Einfluß der Straßentextur auf unterschiedliche Reifengrößen und Profilformen

• Abhängigkeit der Trommelkrümmung auf den Rollwiderstand bei Nfz-Reifen (“Nutzfahrzeugreifen-spezifische Korrekturwerte Trommel – Straße“)

• Zusammenhänge von Temperaturen (z. B. der Umgebungsluft, Straßenoberfläche, Reifen) und Rollwiderstand (“Temperatur-Normierungsverfahren“)

Da sich bei Versuchen auf realen Straßen die zeitveränderlichen Umweltbedingungen nicht konstant halten lassen, sind vordringlich Normierungsverfahren zu erarbeiten, die die Straßenmessungen untereinander unmittelbar vergleichbar machen und den Vergleich mit standardisierten Trommelmessungen erlauben.

Erst wenn die oben aufgeführten Handlungsbedarfe umgesetzt sind, können realitätskonforme Reifenrollwiderstände “flächendeckend“ in gesetzesrelevante Simulationsumgebungen einfliessen.

6. Literatur

[1] Holloh, K.-D., Krukenberg, R., Pflug, H.-Chr., Schuckert, M.: CO₂-Emissionen von schweren Nutzfahrzeugen – Braucht auch diese Fahrzeugklasse eine CO₂-Regulierung? 11. Intern. Fachtagung Nutzfahrzeuge 2011, Steyr, 19-20. Mai 2011, VDI-Berichte Nr. 2128 (2011)

[2] Société de Technologie Michelin (Hrsg.): “The tyre – Rolling resistance and fuel savings“, F-Clermont-Ferrand (2003)

[3] ISO: Passenger car, truck and bus tyres – Methods of measuring rolling resistance - Single point test and correlation of measuring results.

ISO 28580 (2009)

[4] Glaeser, K.-P.: Rolling Resistance of Tyres on Road Surfaces – Procedures to Measure Tyre Rolling Resistance.

Energy Efficient Tyres, IEA, Paris, 15-16. Nov. 2005

[5] Krehan, P.; Körper, W.: Messung des Rollwiderstands auf der Strasse.

Automobiltechnische Zeitschrift, ATZ 93; Nr. 10 (1991)

[6] Bode, M.: Realisierung einer mobilen Prüfeinrichtung zur Ermittlung des Vorspur- und Rollwiderstands auf echten Fahrbahnen.

TU Braunschweig, ILF, Diplomarbeit 2009