Der Reifen ist die einzige Verbindung zwischen dem Auto und der Fahrbahn. Ihm kommen essentielle Aufgaben zu: Haftung, Sicherheit und Komfort. Dazu kommt Langlebigkeit und nicht selten soll er auch optisch gefallen. Im Gelände muss er seine Aufgaben zudem unter erschwerten Bedingungen erledigen. Ganz schön viel für so einen Reifen und nach dem Lesen habt ihr bestimmt einen anderen Blick auf sie.
Reifen müssen uns über zehntausende Kilometer sicher auf der Fahrbahn oder dem Gelände halten. Sie sollen bei Regen und Schnee sicher packen und uns den Berg ohne Rutschen herauf und herunter bringen. Gut aussehen sollen sie auch noch. An einen Reifen werden sehr viele Ansprüche gestellt. Aber wer weiß schon genau, wie sie überhaupt funktionieren?
Kammscher Kreis
Am Reifen greifen unterschiedliche Kräfte aus verschiedenen Richtungen an. Die für uns in diesem Rahmen wesentlichen sind die Umfangskraft beim Beschleunigen oder Bremsen und die Seitenkräfte beim Lenken. Alle diese Kräfte müssen über die Reifenaufstandsfläche (Latsch), möglichst zu jeder Zeit auf die Fahrbahn übertragen werden. Im Motorsport heißt es, bevor ihr überhaupt an Leistungssteigerungen oder Fahrwerke denkt, müsst ihr die Funktion des Reifens verstanden haben und die richtigen Reifen fahren. Reifen wird dort eine extreme Aufmerksamkeit geschenkt. Von der Art, über Temperatur und Luftdruck bis zur Gummimischung werden alle Parameter penibel gesetzt und überprüft. Da es den Universalreifen der alles perfekt kann nicht gibt, bedeutet gerade letzteres viel Aufwand und Kosten, denn für jede Strecke und jedes Wetter werden im Sport spezielle Reifen gewählt.
Für den Normalfahrer darf es natürlich weniger Aufwand sein, ganz klar. Das trifft auch auf den Otto-Normal-Geländefahrer zu. Aber dennoch ist die Wahl des richtigen Reifens essentiell und sollte der Fahrzeugnutzung entsprechen. Habt ihr einen Reifen gewählt, solltet ihr zudem wissen wo seine Schwächen sind, damit ihr das beim Fahren berücksichtigen könnt. Als bekanntes Beispiel können da MT-Reifen herhalten, die in Dreck und Schlamm gut funktionieren, auf nassem Kopfsteinpflaster, bei Regen und Schnee dafür oftmals sehr schlecht abschneiden. Um diese Umstände solltet ihr wissen.
Um den Rahmen zu verstehen, in dem jeder Reifen arbeitet, hilft der Kammsche Kreis. Solange der Reifen nicht rutscht oder blockiert gelten dessen Gesetzmäßigkeiten.
Worauf der Grip basiert
Der Grip, also die Haftung eines Reifens wird durch die Radlast und den Reibbeiwert µ bestimmt. Die Radlast ist das Gewicht, das auf dem Reifen lastet. Das sind nicht nur das Fahrzeuggewicht, sondern auch die dynamischen Lasten, die sich ständig der Fahrsituation entsprechend ändern. Der zweite Faktor ist der Reibbeiwert. Er wird durch das Reifenmaterial und dem Untergrund auf dem er läuft bestimmt.
Der Reifen hat Grip und haftet auf der Fahrbahn solange die Umfangs- und Seitenkräfte den Wert aus Radlast multipliziert mit dem Reibbeiwert nicht übersteigen. Genau das ist aus dem Kammschen Kreis abzulesen. Solange sich der Reifen innerhalb des Kreises befindet, gibt er Haftung. Befindet er sich beispielsweise sehr weit seitlich auf der y-Achse (starkes Einlenken) kann er nur noch wenig Umfangskräfte durch Beschleunigen übertragen, bis er aus dem Kreis heraus ist, also den Grip verliert. Muss er gerade hohe Umfangskräfte übertragen, läuft es nicht so gut mit den Seitenkräften.
Um die Kraft zu übertragen nutzt der Reifen drei Mechanismen. Vorherrschend ist die Adhäsion, die nur auf trockenem Asphalt voll zum Tragen kommt. Sie macht dann gut zwei Drittel der Haftung aus. Der zweite stark wirkende Mechanismus ist Deformation (Verzahnung), verantwortlich für ein Drittel der Haftung. Auf nasser Fahrbahn, auf losem Untergrund wie Sand, Geröll, Schlamm usw. kommt fast nur noch dieser Mechanismus zum Einsatz. Der dritte Mechanismus, den wir hier vernachlässigen können, sind Verschleißwiderstände.
Reifen haften durch Adhäsion
Bei der Adhäsion gehen Reifen und Untergrund eine klebende Verbindung ein. Das passiert auf molekularer Ebene und erneuert und löst sich ständig. Hierbei wirken die Van-der-Waals-Kräfte.
Gute Adhäsion bedarf einer rauen, trockenen und staubfreien Fahrbahnstruktur. Die Adhäsionskräfte sind proportional zu der Kontaktfläche. Die Kontaktfläche wird durch den Latsch und die Oberflächenstruktur der Fahrbahn gebildet. Weitere Faktoren sind die Temperatur, das Material und der Druck, sprich die aktuelle Radlast. Je mehr Druck auf dem Reifen lastet und je weicher sein Profil ist, desto mehr Kontaktfläche kann aufgebaut werden, da sich das Gummi in die kleinsten und feinsten Strukturen des Asphalts hineindrückt.
Ein weiterer entscheidender Faktor für die Adhäsion ist Rutschen. Das klingt zunächst wie ein Widerspruch, aber so verhält es sich.
Guter Grip kommt erst durch Schlupf
Essentiell für die Adhäsion ist der Schlupf. Schlupf kann vereinfacht als Durchrutschen bezeichnet werden. Fachlich ausgedrückt: Als Schlupf wird die unterschiedliche Geschwindigkeit zweier Reibpartner bezeichnet.
Beim Reifen entsteht der Schlupf zwischen dem Latsch und der Fahrbahn. Schlupf bedingt, dass eine Seite einen Geschwindigkeitsunterschied anstrebt. Beim Beschleunigen dreht der Reifen schneller als das Fahrzeug fährt. Beim Bremsen ist es umgekehrt. In beiden Fällen entstehen im Material Scherkräfte, die zur Erwärmung des Reifens beitragen.
Zuerst entsteht Pseudo-Schlupf, insbesondere bei profilierten Reifen. Beschleunigt das Auto, setzt bildlich ein Profilstollen auf die Fahrbahn auf, verbiegt sich zunächst und erzeugt so bereits einen Schlupf, der im Material selbst entsteht. Danach rutscht der Profilstollen über den Untergrund, der echte Schlupf entsteht. Das ist als wenn ihr eine Bürste leicht aufsetzt und etwas schiebt. Zunächst stellen sich alle Borsten krumm, die Bürste bewegt sich zwar, aber die Borsten stehen immer noch auf der gleichen Stelle. Erst wenn ihr die Bürste noch weiter schiebt, reiben die Borsten über die Oberfläche.
Je neuer das Profil und je weicher die Gummimischung ist, desto mehr Pseudo-Schlupf hat der Reifen.
In Folge dreht der Reifen schneller, als er über die Fahrbahn abrollt. Durch das elastische Gummi entstehen Scherkräfte im Material. Das Material was näher an der Felge ist, ist schon weiter gedreht als das Material auf der Fahrbahn. Dadurch verformt sich der Latsch und es entsteht eine Aufstandsfläche vor dem Reifen beim Beschleunigen und hinter dem Reifen beim Rollen und Bremsen. Diese zusätzliche Aufstandsfläche ist Teil des Rollwiderstandes.
Reifenschlupf-Diagramm
Ist der Schlupf zu groß, nimmt die Haftung wieder ab. Dieses Verhalten wird durch die Schlupfkurve beschrieben, die für jeden Reifentyp ermittelt wird. Sie unterscheidet sich erheblich je nach Fahrbahn und Reifenzustand (Temperatur, trocken, nass, Schnee, Eis, usw.).
Das Diagramm zeigt einen Reifen, der im Geradeauslauf ist. Ihr könnt sehen, dass er erst mit Schlupf höhere Kräfte übertragen kann und das wenn der Schlupf größer wird, diese auch Fähigkeit auch wieder abnimmt.
Der normale Bereich des Schlupfs liegt bei Werten von 5% bis 15%. ABS-Systeme versuchen die Räder in einem Bereich von 8% bis 10% zu halten. Am anderen Ende der Skala stehen 100% Schlupf. Dieser Zustand entsteht beim Blockieren des Rades oder wenn es durchdreht und mindestens doppelt so schnell dreht, wie das Fahrzeug fährt.
Das gilt auch für die Seitenkräfte beim Lenken. Sie können nur übertragen werden, wenn der Reifen ein wenig Schlupf hat, also über den Asphalt rutscht. Die Abweichung von der Richtung in die der gelenkte Reifen rollen soll und der Richtung in die er tatsächlich inklusive Rutschen rollt wird als Schräglaufwinkel bezeichnet. Im folgenden Diagramm könnt ihr sehen, dass auch hier wieder der Schlupf für mehr übertragbare Seitenkräfte sorgt. Wie bei einer vorgespannten Feder entstehen hier auch Rückstellkräfte, die das Lenkrad wieder gerade stellen wollen.
Die Fähigkeit Seitenkräfte zu übertragen nimmt ab, wenn der Schlupf größer als sein optimaler Bereich wird. Deshalb neigen frontgetriebene Fahrzeuge zum Untersteuern. Der Wagen folgt nicht genau den eingelenkten Reifen und rutsch etwas zum Kurvenäußeren, da die angetriebenen Vorderräder auch Umfangskräfte übertragen müssen. Heckgetriebene Fahrzeuge neigen zum Übersteuern, da die gelenkten Räder keine Umfangskräfte übertragen müssen, der Schlupf daher nicht ansteigt und sie deshalb nicht an Seitenführung verlieren.
Im Gelände, auf losem Schotter, Staub und im Schlamm, spielt die Adhäsion keinerlei Rolle mehr. Hier kommt vornehmlich nur noch die Deformation und die Verzahnung zum Tragen.
Deformation
Der zweite wichtige Faktor für guten Grip ist Deformation oder auch Verzahnung. Deformation ist das, was wohl die meisten bei einem Reifen unter Grip verstehen. Bei der Deformation legt sich das Gummi des Reifens um die Unebenheiten des Untergrunds. Das Reifenprofil unterstützt dabei, da es den Profilblöcken besser erlaubt sich zu verformen. So können sie sich mit dem Untergrund besser verzahnen, als wenn das Gummi, wie bei Slicks (profillose Rennreifen), nur eine Fläche wäre. Bei Asphalt bohren sich die kleinen Spitzen des Fahrbahnbelags, die Mikrorauigkeiten, gut 0,5 bis 1,5 Millimeter in das Gummi. Immerhin lasten mehrere hundert Newton pro Quadratzentimeter auf der Aufstandsfläche.
Beim Abrollen von diesen Asphaltspitzen drückt sich der Reifen dann gegen die ablaufende Fläche der Erhebungen, Grip entsteht. Je höher die Radlast ist, desto tiefer dringen die Unebeneheiten in den Reifen ein. Hier kommt der Hysterese-Effekt zum Tragen, den das viskoelastische Material des Gummis bietet. Dabei passt sich das Gummi der Fahrbahnstruktur an, kehrt aber erst mit Verzögerung in seine ursprüngliche Form zurück. Der Effekt ist, dass ein Reifen mit höherer Viskoelastizität viel später in seine Form zurückkehrt. Dadurch hat er mehr Kontakt zu der Seite der Mikrorauigkeiten auf der er abläuft und der ganze Druck muss sich auf dieser Seite abstützen, was den Grip in Drehrichtung erhöht.
Wer gerne Autorennen schaut wird vielleicht bemerkt haben, dass die Fahrer bei nasser Fahrbahn eine andere Linie fahren als bei trockener Oberfläche und sie wechseln von profillosen Slicks auf Profilreifen. Das ist einfach zu erklären. Wenn die Fahrbahnoberfläche nass ist, muss die Deformation alleine übernehmen. Die Adhäsion lebt von möglichst viel Fläche die reibt (Schlupf). Diese Voraussetzungen sind bei Nässe nicht mehr gegeben und Slicks können nicht genug Wasser verdrängen, sie schwimmen auf.
Bietet die durch viel Nutzung abgeschmirgelte Asphaltoberflächen der Ideallinie auf der Rennstrecke den Slicks einen hervorragenden Klebepartner, fehlt dort Rauigkeit, die die Deformation braucht, um ausreichend wirken zu können. Der Fahrer weicht nun mit seinem Profilreifen auf weniger befahrene und rauere Bereiche der Fahrbahn aus.
Grip auf nasser Fahrbahn
Wie unter Adhäsion beschrieben, wirkt diese nur auf trockener Asphaltbahn. Bei Nässe bleibt also nur Deformation und Verzahnung. Sofern das Wasser nicht anderweitig verschwindet, arbeitet sich der Reifen in drei Stufen durch das Wasser durch.
Zuerst greifen die hydrodynamische Vorgänge. Das Wasser wird beim Abrollen des Reifens zur Seite und nach vorne verdrängt. Wenn dieser Mechanismus nicht mehr funktioniert, entsteht Aquaplaning. Mit anderen Worten, der Reifen schwimmt auf, gleitet auf der Wasserschicht und kann diese nicht mehr durchbrechen um Grip zu finden.
Die zweite Stufe ist das Ableiten des Wassers durch die Profilrillen. Diese bilden regelrechte Kanäle, durch die das Wasser zur Seite befördert wird und Wasser welches in den Rillen verbleibt wird beim Rollen weggeschleudert. Um sich die Dimensionen vorstellen zu können, ein normaler Reifen nimmt bei gut 80 km/h und 3 Millimeter Wasser auf der Fahrbahn ca. 10 Liter pro Sekunde nur in seinem Profil auf.
Zuletzt wird der Rest an Wasser durchbrochen und der Reifen findet wieder den Kontakt zur Fahrbahn. Dazu braucht es möglichst viele Profilkanten, die durch das Abrollen schräg wie ein Keil stehen. Sie durchschneiden das Wasser, bis sie mit ihrer ganzen Fläche aufsetzen. Jetzt ist es wichtig, dass auch das letzte Restwasser weg kann. Dabei helfen wieder die Profilrillen und beim Winterreifen die Lamellen. Dort kann das restliche Wasser bis zum Abschleudern hin.
Grip auf Schnee und Eis
Winterreifen haben viele Profilrillen und Lamellen. Der Grund dafür ist, das so möglichst viele Profilblöcke mit ihren Kanten zuerst den Schnee durchdringen, dann vollflächig aufsetzen und so Bodenkontakt herstellen. Im Gegensatz zu Sommerreifen, die eher härtere Gummimischungen haben, haben Winterreifen eine weichere Mischung, die das verbiegen und Schrägstellen der Profilblöcke besser ermöglichen. Das Prinzip ist das gleiche wie bei Nässe. Die schrägen Profilkanten wirken wie ein Keil und können leichter durch den Schnee schneiden. An diesen zahlreichen Kanten entstehen Druckspitzen, die das Verzahnen mit der Fahrbahnoberfläche unterstützen.
Bei Schnee greift noch ein weiterer Effekt. Der Schnee, der in den Profilrillen und Lamellen liegt sorgt zusätzlich für Gleitreibung auf Basis von Kohäsionskräften. Das sind Kräfte, die ein Material zusammenhalten, in dem Fall den Schnee.
Reifen im Gelände
Sind wir mit dem Offroader im Gelände unterwegs, haben wir es mit wesentlich mehr Schlupf zu tun, der nicht zur Haftung beiträgt, sondern zum Durchrutschen. Auf diese Weise „schaufelt“ sich der Reifen mit seinem groben Profilblöcken durch losen Untergrund durch, bis er auf festen Boden trifft und dort wieder per Deformation und Verzahnung Grip aufbauen kann.
Jetzt wird auch klar, warum es im Schlamm oft nicht weitergeht. Hört das Schaufeln nicht mehr auf, weil der Reifen keinen ausreichenden festen Untergrund trifft, gleichzeitig der Widerstand gegen die Bewegung durch weiteres Absinken in den Schlamm zunimmt, geht es nicht mehr voran. Der Reifen kann sich nirgendwo abstützen und die Umfangskraft zum Vortrieb nutzen. Dann kann es passieren, dass das Fahrzeug immer weiter einsinkt, da der Schaufeleffekt immer mehr Material unter dem Reifen wegbefördert.
Das grobe Profil von Geländereifen
Wenn wir von Geländereifen reden, geht es zumeist um AT- oder MT-Reifen. Der AT-Reifen wird üblicherweise mit 50%-Straßentauglichkeit und 50%-Geländetauglichkeit beschrieben. Er soll den besten Kompromiss zwischen Straßen- und Geländenutzung bieten. Er kann beides nicht so gut wie Reifen die für den jeweiligen Zweck optimiert sind. Dennoch ist er die beste Wahl, wenn ihr viel Straße aber auch Gelände fahrt.
Sein Profil weist mehr positive Anteile (Profilblöcke) als ein MT-Reifen auf. Er hat mehr Fläche für Adhäsion und Profilkanten zur Verzahnung und Nässehaftung zur Verfügung. Die einzelnen Profilblöcke sind zudem noch durch weitere Rillen durchbrochen. Manche AT-Reifen haben sogar Winterlamellen, wie beispielsweise der Pirelli Scorpion AT Plus. Das hat ihm auch das gesetzlich geforderte Winterreifensymbol 3PMSF (Berg mit drei Spitzen und Schneeflocke, 3 Peak Mountain Snow Flake) eingebracht.
Die folgenden Bilder zeigen den General Grabber AT2 (links) und AT3 (rechts). Beide haben ebenfalls das 3PMSF-Symbol und zu normalen Reifen vergleichsweise grobe Lamellen. Es ist gut zu sehen, dass der AT3 mehr positives Profil hat, als der AT2.
MT-Reifen haben ihren Schwerpunkt im Gelände. Das ist beim Fahren auf der Straße auch zu spüren. Sie haben einen großen Anteil an negativen Profil, das sind die Zwischenräume zwischen den gröberen Profilblöcken. Das hilft im Gelände beim „schaufeln“ und es bietet bessere Verzahnungsmöglichkeiten bei grobem und losem Untergrund. Dreck, der das Profil zusetzt findet weniger Halt und kann leichter durch Fliehkraft und Walken abgeschüttelt werden.
Seine geringe positive Profilfläche und die oftmals fehlenden Lamellen erschweren eine gute Haftung per Adhäsion und Verzahnung auf Asphalt. Bei Regen, Schneematsch und Eis geraten sie schnell ins Rutschen, da eine höhere Anzahl an Profilkanten zum Verzahnen und zum Durchschneiden des Wassers fehlt. Der große negative Anteil am Profil, lässt zwar viel Raum für Wasser, aber wenn es darum geht, dass der einzelne Profilblock Kontakt bis zum Untergrund aufbaut, fehlen die Kanäle zur Aufnahme des Restwassers.
Bei dem General Grabber MT X3 ist gut zu erkennen, dass die wesentlich weniger dafür aber größeren Profilblöcke den Negativanteil ansteigen lassen.
Grip im Gelände verbessern
Die einfachste und effizienteste Maßnahme um im Gelände die Traktion bzw. den Grip zu verbessern ist den Luftdruck zu reduzieren. Während auf der Straße der richtige Luftdruck entscheidend ist, darf er bei dem im Gelände üblichen niedrigen Geschwindigkeiten deutlich abgesenkt werden.
Durch die Reduzierung verändert sich der Latsch. Er wird länger und der Reifen liegt mit mehr Fläche auf. Zum einen wird so das Gewicht besser verteilt, da es sich auf eine größere Fläche abstützen kann. Das hilft beispielsweise im Wüstensand, die härtere obere Kruste nicht so schnell zu durchbrechen und im weicheren Sand darunter stecken zu bleiben. Zum anderen steigen bei Schlamm und losem die Verzahnungsmöglichkeiten und auch die Vortriebskraft kann sich auf mehr Fläche verteilen.
Mit weniger Luftdruck walkt der Reifen stärker. Als Walken wird die Verformung der Lauffläche bezeichnet. Beim Auftreffen auf den Untergrund drückt sich der Reifen ein um sich beim Abrollen wieder zurück zu formen. Diese Bewegung der Lauffläche unterstützt die Reinigung des Profils von Schlamm und Dreck. Bei der nächsten Umdrehung steht dann wieder ein freies Profil bereit.
Diese Verformung erzeugt aber auch Wärme im Material. Deshalb darf mit abgesenktem Luftdruck nur langsam gefahren werden. Vergesst ihr den Luftdruck auf Asphalt wieder anzuheben, kann der Reifen so warm werden, dass er zerreißt. Die Flanken guter Geländereifen sind so robust, dass starke Verformungen dem Material nichts anhaben, solange sie nicht durch schnelles Fahren zu warm werden.
Sie bleiben dann auch noch sicher auf der Felge, wenn eingelenkt wird. Gerade bei scharfen Abwärtskurven, die beispielsweise in Sanddünen oft vorkommen, kann die seitliche Belastung bei zu wenig Luftdruck zum Abspringen von der Felge führen. Gute Reifen widerstehen dem.
Schadensbilder der Reifen
Im nächsten Artikel über die Fahrwerksgeometrie gehen wir auf verschiedene Verschleißbilder von Reifen ein und was sie Euch sagen. Dieses Thema passt besser zur Fahrwerksgeometrie, da diese für diesen Verschleiß mit Ausnahme des falschen Luftdrucks, verantwortlich ist.