Viskoses Reibmodell der Gummi-Eis-Reibung fuer Winterreifen

Der fuer die Automobilindustrie wichtige Aspekt der Fahrsicherheit spielt auf winterlichen und insbesondere auf eisbedeckten Fahrbahnen eine ausgepraegte Rolle. Der dominierende Reibmechanismus zwischen Winterreifen und Eis ist dabei viskose Reibung, die aus der experimentell nachgewiesenen Existenz eines duennen Wasserfilms auf Eis resultiert. Zur Vorhersage der Gummi-Eis-Reibung wird daher ein theoretisches physikalisches Modell fuer die zeitliche Veraenderung der Wasserhoehe entwickelt, aus der sich schliesslich der Reibkoeffizient ueber die Scherspannung im Wasserfilm ergibt. Die Hoehe des Wasserfilms ist zunaechst durch das thermodynamische Gleichgewicht zwischen der viskosen Reibenergie und der Waermeabfuhr in das Eis sowie die fuer den Phasenuebergang des Aufschmelzens von Eis benoetigten Energie gegeben. Des Weiteren wird angenommen, dass die Gummioberflaeche des Reifens rau im Vergleich zur Eisoberflaeche ist. Diese Annahme fuehrt zu den zusaetzlichen hydrodynamischen Effekten des Ausquetschens von Wasser und schliesslich der Saettigung der rauen Gummioberflaeche. Das resultierende System von Differentialgleichungen wird numerisch geloest, um die Hoehe 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 uebereinstimmen. 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 fuer viskoelastische Materialien mit unterschiedlichen Steifigkeiten verwendet. Basierend auf den Erkenntnissen koennen innovative Ansaetze fuer die Profil- und Mischungsgestaltung von Winterreifen abgeleitet werden. (A) ABSTRACT IN ENGLISH: 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 thermo-dynamical 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 the rubber surface is assumed to be rough compared to the smooth ice surface. This assumption leads to hydro-dynamical 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 l 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. (A)