The Influence of Tyre Rotation on the Vertical Tyre Force Transmission and Tyre Kinematics

Die Entwicklung und Validierung sicherheitsrelevanter Fahrdynamikregelsysteme und automatisierter Fahrfunktionen erfolgt zunehmend auf Hardware- und Driver-in-the-Loop-Testsystemen wie Fahrsimulatoren. Reifenmodelle, die in diesen Testsystemen zur Anwendung kommen, müssen numerisch effizient sein. In diesem Bereich der Fahrzeugdynamik bewähren sich vor allem semi-physikalische Reifenmodellierungsansätze. Um die Übertragbarkeit des Verhaltens des Testsystems auf den realen Betrieb zu verbessern, müssen Effekte, die das Reifenverhalten beeinflussen berücksichtigt werden, wie etwa Reifentemperatur oder transientes Reifenverhalten.
Konventionelle empirische und semi-physikalische Reifenmodelle berücksichtigen den Einfluss der Rotation eines Reifens auf dessen Verhalten noch nicht vollständig. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit einer detaillierten experimentellen Untersuchung und semi-physikalischen Modellierung des Einflusses der Reifenrotationsgeschwindigkeit auf die vertikale Reifensteifigkeit, den freien unbelasteten, den statisch belasteten und den effektiven (dynamischen) Reifenradius, welche wichtige Größen für eine genaue Beschreibung der Reifenkinematik wie etwa die Schlupfberechnung und der Reifenkraftübertragung sind.
Um den Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit zu quantifizieren und die rotationsbedingten Effekte und Mechanismen zu identifizieren, wurde eine umfangreiche und detaillierte Testserie an einem Reifenprüfstand mit zwei unterschiedlichen Radialreifen durchgeführt. Das geschwindigkeitsabhängige Verhalten beider Testreifen wurde mit zwei speziell entwickelten Messmanövern in einem Bereich von 0 bis 180km/h Fahrgeschwindigkeit bei verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht. Die untersuchten Reifen zeigen ein eindeutig rotationsabhängiges Verhalten. Im Detail, einen nahezu linearen Anstieg der vertikalen Steifigkeit und einen nichtlinearen progressiven Anstieg des unbelasteten Radius mit steigender Rotationsgeschwindigkeit. Aufgrund des progressiven Verhaltens des unbelasteten Radius reagiert auch der statische und der effektive Radius progressiv.
Basierend auf dem semi-physikalischen Reifenmodell TMeasy 5 und den Ergebnissen der experimentellen Untersuchung wird ein erweiterter Modellierungsansatz vorgestellt, der in der Lage ist, das identifizierte rotationsgeschwindigkeitsabhängige Reifenverhalten auf effektive semi-physikalische und numerisch effiziente Weise zu berücksichtigen.
Eine abschließende Validierung anhand von Messdaten zeigt, dass das präsentierte erweiterte semi-physikalische Modell für die vertikale Reifenkraftübertragung und Reifenkinematik in der Lage ist, das rotationsabhängige Verhalten von Reifensteifigkeit und Reifenradien mit hinreichender Genauigkeit aus technischer Sicht anzunähern.