Im Zusammenhang mit einem Sportwagen fallen vielen Leuten ein starker Motor, große Bremsscheiben und eine steife Aufhängung, die das Fahrzeug über eine schnell überwundene Kurve versetzt, ein. Sehr oft werden die Wendigkeit und Haftung nur der Funktion von Federn und Stoßdämpfern zugeschrieben. Dieser Trend ist besonders unter Fahrern erkennbar, die ihre Autos optimieren, indem sie sie tiefer legen oder steifer machen und Ergebnisse in Form einer verbesserten Steuerung erwarten.
Reifen sind für die Haftung des Fahrzeugs entscheidend
Leider weiß kaum jemand, dass das Schlüsselelement, das auf die Steuerung des Fahrzeugs Einfluss hat, nicht die Aufhängung ist, sondern es sind nämlich Reifen. Beschleunigung, Bremsen, Zentrifugalkräfte – alles wird durch Reifen übertragen, genauer gesagt – durch ihre kleine Kontaktfläche mit der Fahrbahn.
Eine hohe Reifenhaftung bietet uns die Sicherheit.
Aufgrund der Beobachtung von Straßenrennfahrern gewinnt man den Eindruck, dass sie völlig anderer Meinung sind. Enorme Motorenleistungen, große Spoilers, die steife und tiefe Aufhängung – in diesen Elementen wird das Rezept für die Haftung gesehen. Doch sehr oft vergisst man, dass all diese Parameter, die nicht selten viel Geld kosten, tatsächlich sowieso durch das Stück Schwarzgummi übertragen werden müssen.
Was ist die Haftung?
Die Reifenhaftung ist Reibung zwischen zwei Oberflächen – Gummi und Boden. Es ist allerdings kein konstanter Wert. Er ist von der Temperatur, dem Druck und – dem allerwichtigsten – der Bodenglätte abhängig. Es ist interessant, dass das höchste Haftungsniveau bei geringem Wegrutschen von Reifen erreicht wird.
Warum ist das so? Schauen wir uns diese Erscheinung näher an. Gummi reagiert ziemlich spezifisch mit dem Boden, denn die Haftung wird durch die Adhäsion beeinflusst. Die Adhäsion erfolgt dann, wenn Gummimoleküle einen unmittelbaren Kontakt mit dem Boden haben. Gummi ist ein Polymer und Asphalt hat eine Kristallstruktur. Wenn die beiden Strukturen bei einer hohen Geschwindigkeit aufeinander stoßen, werden Gummimoleküle verformt. Die einen Verbindungen platzen, die anderen entstehen – der Prozess wiederholt sich regelmäßig beim Überziehen einer Oberfläche über eine andere Oberfläche. Das Reißen und Pressen der molekularen Verbindungen absorbiert Energie, die Adhäsionskraft genannt wird. Diese Kraft erreicht ihren maximalen Wert, wenn die Geschwindigkeitsdifferenz im Bereich 0.03-0.06 Meter pro Sekunde liegt.
Die beste Haftung an der Rutschgrenze
Wenn die Geschwindigkeitsdifferenz höher ist, lässt sich die Adhäsion in bedeutendem Masse durch die Hysterese – Ableitung der Verformung der Reifenoberfläche – ersetzen. Infolge dieses Prozesses werden die einen Gummibereiche komprimiert, andere müssen sich zueinander bewegen. Der Prozess muss durch Reibung, die eine Erhitzung des Reifens verursacht, begleitet werden. Dieser Prozess absorbiert Energie, die der Adhäsion sehr ähnlich ist, doch diesmal wird sie als innere Reibung bezeichnet.
Wann ist die Haftung am höchsten? Ideale Haftung erreichen wir, wenn wir an der Rutschgrenze (sogar bei geringer Überschreitung) fahren. Die Gummimischung ist weich, der Boden ist glatt und seine Temperatur ist hoch. Auf der Kontaktfläche herrschen Adhäsionskräfte vor, die für den Effekt der Haftung von Gummi auf dem Asphalt verantwortlich sind.
Praktische Sicht
Nehmen wir noch einmal das eine Kurve schnell überwindende Fahrzeug. Je schneller es fährt, desto größere Zentrifugalkräfte wirken auf das Fahrzeug ein. Durch Federn und Stoßdämpfer, die heftige Bewegungen dämpfen, überträgt das Fahrzeug sein Gewicht auf Reifen und steigert damit den Druck auf den Boden. Die Haftung ist grundsätzlich ein Produkt der Reifenreibung am Boden und des Drucks. Wir steigern den Druck bei Kurven – dafür sorgt ja die Zentrifugalkraft, die das Gewicht des Fahrzeugs auf äußere Reifen überträgt. Doch um ein wirklich gutes Ergebnis zu erzielen, muss der Koeffizient der Reibung zwischen dem Reifen und Asphalt ebenso hoch sein. Besonders deswegen, weil alle Zentrifugalkräfte durch die Haftung der postkartengroßen Fläche (so groß ist die Fläche des Kontaktes eines Reifens mit dem Boden) angeglichen werden müssen.
Haftung von Rennreifen
Wie groß die Bedeutung der Haftung ist, wissen am besten die Rennfahrer, die in Reifen mehrfach eine Chance für bessere Rundenzeiten sehen. Es gibt Meinungen, dass Reifen 75% der Vorbereitung des Autos für die Rennfahrt ausmachen. Erst danach wird auf Einstellungen der Aufhängung, Bremsbalance oder Schaltgetriebeübersetzungen hingewiesen. Was sind Leistung und Geschwindigkeit, die man nicht über Kurven „übertragen” kann?
Die Reifenhersteller sind sich dessen bewusst und versuchen Gummimischungen zu entwickeln, sodass ihre Produkte unter bestimmten Bedingungen bestmögliche Parameter erzielen. Jeder Parameter ist natürlich das Ergebnis eines Kompromisses, denn eine gute Haftung geht mit einer guten Lebensdauer nicht einher. Zum Beispiel: harte Reifen zeichnen sich durch eine lange Leistung, ohne ausgetauscht werden zu müssen, aus, doch die Haftung ist dadurch schlechter. Ein gut haftender Reifen mit einer sehr weichen Gummimischung verschleißt sich sehr schnell und erfordert zusätzlich Bearbeitung bei hoher Temperatur (von daher spricht man in der F1 oft, dass Fahrer Reifen erhitzen müssen). Man darf dabei nicht vergessen, dass die Hersteller der für den Sportbetrieb vorgesehenen Reifen eine erleichterte Aufgabe haben, weil die Arbeitsbedingungen bei einem solchen Reifen genau bestimmt sind – jede Gummimischung hat einen optimalen Temperaturbereich, außerhalb dessen sie entweder sofort zerstört wird oder sie keine Haftung bietet. Die voranstehend beschriebene Abhängigkeit zwischen der Lebensdauer und der Haftung ist auch selbstverständlich. Niemand macht Vorwürfe, dass ein besser haftender Reifen sich schneller verschleißt. Wenn es regnet, lassen Rennfahrer sofort Regenreifen (wet) montieren. Und wenn es nicht so stark regnet, verwenden sie Übergangsreifen (intermediate).
Haftung von Zivilreifen
Viel schwerer haben es dagegen Hersteller von Zivilreifen, denn sie müssen die durch Benutzer erwartete hohe Haftung mit möglichst hohen Leistungen in Einklang bringen. Darüber hinaus sollte sich ein Reifen durch gutes Verhalten im Regen sowie durch einen umfangreichen Bereich der Arbeitstemperaturen auszeichnen. Um Kundenerwartungen gerecht zu werden, entwickeln Ingenieurstäbe jahrelang Gummimischungen und Profilgestaltungen, die ein Kompromiss zwischen den vorher genannten Eigenschaften sind. In der Praxis gibt es keinen ideal universellen Reifen, der für alle Bedingungen geeignet ist. Deswegen wird sich ein Sportreifen, der bei bisschen höheren Temperaturen als Normaltemperatur, z.B. bei 10 °C viel schlechter benehmen, wo ein Universalreifen immer noch korrekte Fahreigenschaften bieten wird. Zahlreiche Appelle der Hersteller, die zur Verwendung von Winterreifen aufrufen, sind gar nicht unbegründet. Die Entwicklung eines Reifens, der in einem so umfangreichen Temperaturbereich (von +60 °C bis -20 °C) gleich gut funktioniert, ist einfach nicht möglich. Die Grenztemperatur für die korrekte Arbeit eines Reifens beträgt ca. 7 °C, unter dieser Temperatur verliert Sommerreifen schnell seine Eigenschaften der Adhäsion mit dem Boden.
Reifenhaftung und die Fahrsicherheit
Skeptiker berufen sich zwar auf die Tatsache, dass es vorher Schnee und tiefe Temperaturen auch gab und die Leute damit irgendwie zurechtkamen. Bis zu einem bestimmten Grad entspricht das der Wahrheit. Doch man darf nicht vergessen, dass die Technologien der Herstellung von Gummimischungen begrenzt waren und ihre schlechten Parameter bei tiefen Temperaturen einfach alle betrafen. Mit einem Wort: jeder Verkehrsteilnehmer verfügte über eine schlechte Reifenhaftung. Und heute?
Es reicht, sich nur vorzustellen, dass das an uns vorfahrende mit Winterreifen ausgestatte Auto plötzlich zu bremsen beginnt. Sein Fahrer besitzt besser haftende Reifen als unsere Allwetterreifen oder – was noch schlimmer ist – Sommerreifen. Es kann sehr leicht zu einem Unfall kommen. Vorsichtige Fahrt, sichere Abstände von vorfahrenden Fahrzeugen nützen nichts, denn in die große Lücke ein Besitzer von Winterreifen plötzlich hineinfahren kann...