Grundlagen über Reifen und deren Einfluß auf das Fahrverhalten

Kraftübertragung auf die Straße

Längskräfte
Durch die Elastizität des Reifens kommt es bei Einwirkung einer Kraft zur dessen Verformung. Aus diesem Grund ist die Übertragung der Kräfte auf die Straße immer mit einer Relativbewegung der Felge zur Fahrbahn verbunden. Diese Relativbewegung, der Reifenschlupf, setzt sich aus Verformung des Reifens und aus Relativbewegung zwischen Reifen und Strasse zusammen. Im Extremfall kann es auch zur Durchdrehung des Reifens auf der Felge kommen.

Der Reifenschlupf wird als prozentuelle Abweichung der Radumfangsgeschwindigkeit zur tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit definiert. Sind beim Bremsen die Räder blockiert, oder drehen sie bei noch stehendem Fahrzeug durch, so beträgt der Schlupf 100%.

Die maximale Kraft in Längsrichtung (Antriebskraft, Bremskraft) kann bei etwa 15 bis 25% Reifenschlupf übertragen werden.

Seitenkräfte
Auch die Übertragung der Seitenkraft hat eine Verformung des Reifens zur Folge. Aus diesem Grund rutscht der Wagen bei einer Kurvenfahrt immer seitlich weg, noch bevor die Reifen zu Quietschen anfangen. So ist für gleiche Bedingungen und gleichen Lenkradeinschlagwinkel bei Erhöhung der Geschwindigkeit der Kurvenradius größer. Dieser Zusammenhang kann mit einem einfachen, ferngesteuerten Modellauto überprüft werden: Fährt das Auto im Kreis und die Geschwindigkeit wird langsam gesteigert, so wird der Wagen stabil immer größere Kreise drehen. Erst bei Überschreitung einer Grenzgeschwindigkeit kann der Kurs nicht mehr gehalten werden, das Auto fliegt raus oder dreht sich.

Wie schon erwähnt, wird eine Seitenkraft erst dann aufgebaut, wenn sich der Reifen etwas schräg zur Fahrbahn bewegt. Der Betrag der Abweichung zur Fahrtrichtung, der Schräglaufwinkel, hat einen direkten Einfluß auf die aufgebaute Querkraft. Der Schräglaufwinkel wird auf der Vorderachse durch den Lenkeinschlag verursacht, an der Hinterachse kommt er durch die Gierbewegung (Drehung um die Hochachse) des Fahrzeuges und durch das Eigenlenkverhalten der Achse zustande.

Die maximalen Kräfte werden bei Schräglaufwinkeln von etwa 10 bis 20° aufgebaut, wobei das Überschreiten der 10°-Grenze mit deutlichem Drift verbunden ist und auf öffentlichen Strassen nicht empfohlen werden kann.

 

Zusammengesetzte Kräfte
Werden gleichzeitig Seiten- und Längskräfte übertragen (es ist meistens der Fall, auch für konstante Geschwindigkeit braucht man Antriebskraft), so kann verständlicherweise nur die Resultierende aller Kräfte als maximale Kraft übertragen werden. Dies kann im Kamm’schen Reibkreis veranschaulicht werden. Obwohl die maximale Längskraft etwas größer ist als die maximale Querkraft, können sie gleichgesetzt werden, so dass ein Kreis dessen Radius dem vorhandenen Reibbeiwert oder der maximalen Kraft entspricht, gezeichnet werden kann.

Ist die Resultierende größer als die Maximale, übersteigt der Reifenschlupf die 20%-Grenze und der vorhandene Reibbeiwert nimmt ab, was die Situation noch verschlechtert.

 

Folgen

Bremsen in der Kurve
Bei zu starkem Schlupf kommt es zum Blockieren der Räder (bei richtig eingestelltem Bremskraftbegrenzer der Hinterachse zunächst die Vorderachse), das Fahrzeug wird unlenkbar. ABS reduziert rechtzeitig die Bremskraft, um genügend Seitenführung zu gewährleisten.

Zuviel Gas in der Kurve bei Frontantrieb
Bei zuviel Antriebskraft kann an der Vorderachse nicht genügend Seitenkraft aufgebaut werden, das Fahrzeug fährt im Extremfall gerade aus. Gaswegnahme wirkt stabilisierend.

Zuviel Gas in der Kurve bei Heckantrieb
Bei zuviel Antriebskraft kann an der Hinterachse nicht genügend Seitenkraft aufgebaut werden, das Fahrzeug bricht hinten aus, was zur Erhöhung des Schräglaufwinkels (vorne und hinten!) führt. Wird der Schräglaufwinkel vorne verringert, kann das Fahrzeug stabilisiert und die Fahrt so fortgesetzt werden (natürlich sind auch hier Grenzen gesetzt). Im Extremfall muß in einer Rechtskurve das Lenkrad nach links gedreht werden.

 

Verwendung anderer Rad-Reifen-Kombinationen

Die Verwendung eines breiteren Reifens führt automatisch zur Vergrößerung der Auflagefläche und Reduzierung des Anpreßdruckes bei gleicher Radnormalkraft. Dadurch können höhere Kräfte auf die Fahrbahn übertragen werden. Gleichzeitige Verwendung einer Felge mit größerem Durchmesser erfordert eine niedrigere Flankenhöhe des Reifens (Der Abrollumfang (Aussendurchmesser) muß konstant bleiben, darüber später), was dessen Steifigkeit erhöht und nochmals bessere Kraftübertragung zuläßt. Andererseits federn und dämpfen Niederquerschnittsreifen die Strassenunebenheiten viel schlechter ab als die vorgesehenen Serienreifen, was die Belastung des Fahrwerks (und der Bandscheiben) erhöht. Auch die höheren übertragbaren Kräfte an der Radaufstandsfläche werden letztendlich auf das Fahrwerk übertragen. Dazu kommen zwangsweise die höheren Lenkkräfte an der Vorderachse (vor Allem im Stand).

Der größte Vorteil einer größeren Felge mit Breitreifen ist der Spürbar kürzere Bremsweg. Eine große, gut belüftete Felge (Speichen-Design) trägt zur besseren Kühlung der Bremsanlage bei, der breitere Reifen kann höhere Bremskraft auf die Straße übertragen.

Theoretisch kann eine Bereifung mit anderem Abrollumfang verwendet werden. In diesem Fall muss der Tacho angeglichen werden. Eine Änderung des Abrollumfangs bewirkt gleichzeitig eine Änderung der Gesamtübersetzung im Antriebsstrang. Werden größere Räder eingebaut so leidet darunter die Beschleunigung und Höchstgeschwindigkeit, dafür wird der Verbrauch günstiger. Bei kleineren Rädern erreicht man bessere Beschleunigungswerte und, bei meisten Serienfahrzeugen, auch höhere Endgeschwindigkeit, dafür liegen der Verbrauch und der Verschleiß höher.

Eine Spurverbreiterung durch geringere Einpreßtiefe der Felgen oder durch Distanzscheiben kann eigentlich nur besserer Optik dienen. Die Verbesserung der Kurvenlage ist eigentlich marginal, die verschleißfördernde Wirkung auf das Fahrwerk um so größer. Der größere Lenkrollhalbmesser führt zur viel höheren Belastung der Lenkanlage, bei Frontgetriebenen Fahrzeugen sind in solchen Fällen die Antriebsfräfte am Lenkrad deutlich zu spüren. Ferner bewirkt eine Spurverbreiterung eine viel höhere Belastung der Radlager, was deren Lebensdauer drastisch verkürzt.