Der für die Automobilindustrie wichtige Aspekt der Fahrsicherheit spielt auf winterlichen und insbesondere auf eisbedeckten Fahrbahnen eine ausgeprägte Rolle. Der dominierende Reibmechanismus zwischen Winterreifen und Eis ist dabei viskose Reibung, die aus der experimentell nachgewiesenen Existenz eines dünnen Wasserfilms auf Eis resultiert. Zur Vorhersage der Gummi-Eis-Reibung wird daher ein theoretisches physikalisches Modell für die zeitliche Veränderung der Wasserhöhe entwickelt, aus der sich schließlich der Reibkoeffizient über die Scherspannung im Wasserfilm ergibt. Die Höhe des Wasserfilms ist zunächst durch das thermodynamische Gleichgewicht zwischen der viskosen Reibenergie und der Wärmeabfuhr in das Eis sowie die für den Phasenübergang des Aufschmelzens von Eis benötigten Energie gegeben. Desweiteren wird angenommen, dass die Gummioberfläche des Reifens rau im Vergleich zur Eisoberfläche ist. Diese Annahme führt zu den zusätzlichen hydrodynamischen Effekten des Ausquetschens von Wasser und schließlich der Sättigung der rauen Gummioberfläche. Das resultierende System von Differentialgleichungen wird numerisch gelöst, um die Höhe des Wasserfilms und damit den Reibkoeffizienten vorherzusagen. Es zeigt sich, dass die mit dem Modell simulierten Reibkoeffizienten mit den experimentell gemessenen Reibkoeffizienten aus dem Labor übereinstimmen. Insbesondere lassen sich der Einfluss von Druck, Geschwindigkeit und Eistemperatur auf den Reibkoeffizienten abbilden. Schließlich wird das Modell zur Vorhersage von Reibkoeffizienten auf Eis im Labor für viskoelastische Materialien mit unterschiedlichen Steifigkeiten verwendet. Basierend auf den Erkenntnissen können innovative Ansätze für die Profil- und Mischungsgestaltung von Winterreifen abgeleitet werden.
The very important aspect of safety is even more important for the automotive industry under wintry and especially icy road conditions. The dominating friction mechanism for winter tires on ice is viscous friction within a small liquid layer on top of the ice surface, whose existence is experimentally proven and makes the ice so slippery. To predict the rubber ice friction a theoretical physical model to describe the time dependent change of the height of this liquid layer will be developed. By this the resulting shear force of a sliding rubber block on ice and hence the friction coefficient can be determined. At first the height of the liquid layer is given by the thermodynamical equilibrium between viscous friction within the liquid layer and heat transfer to the ice surface as well as the latent heat, which is needed for the phase transition from solid ice to water. Additionally we will assume the rubber surface to be rough compared to the smooth ice surface. This assumption leads to hydrodynamical effects like squeeze out of water below asperities and also to saturation, in case that all volume within the rough rubber surface is filled up with water. The resulting differential equations to describe these effects will be solved numerically to determine the height of the liquid layer and therefore the friction coefficient. The results of this simulation show a good agreement with experimentally determined friction coefficients. Particularly, the influence of nominal pressure, sliding velocity, and ice temperature can be represented. Finally the model is used to predict friction coefficients of different rubber compounds with different stiffness. Based on these results innovative concepts for new tread pattern and compounds of winter tires can be developed in future.
Viscous Friction Model for Rubber-Ice-Friction of Winter Tires
Viskoses Reibmodell der Gummi-Eis-Reibung für Winterreifen
2013
12 Seiten, Bilder, 5 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Englisch
Viscous friction model for rubber ice friction of winter tyres
Kraftfahrwesen | 2013
|Rolling friction of pneumatic tires
Engineering Index Backfile | 1939
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