Sonntag, 19. Januar 2020
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Sonstiges
23.12.2019

Technik-Feature: Ohne Reifen fährt kein Rennwagen

Der Reifen spielt im Motorsport eine wichtige Rolle. Obwohl die meisten Rennserien vorgeben, welcher Reifen gefahren wird und auch wie viele Sets den Teams für die einzelnen Sessions zur Verfügung stehen, ist das Thema Reifen nicht so einfach, wie gedacht. Das Zusammenspiel aus Temperatur, Reifenbeschaffenheit sowie Fahrzeugkonzept ist komplex. Wir haben uns dem Thema angenommen und zusammen mit Falken Motorsport die wichtigsten Fakten zusammengefasst.

Von außen betrachtet ist ein Reifen schwarz und rund. Schneidet man ihn jedoch auseinander wie einen Kuchen und legt dann am besten noch ein Mikroskop darüber, wird deutlich, dass viel mehr in einem Reifen steckt, als auf den ersten Blick zu erkennen ist. Stefanie Olbertz, Motorsportverantwortliche von Falken, klärt auf: „Die Bestandteile eines Rennreifens sind ähnlich wie bei einem Straßenreifen: Kautschukbestandteile in unterschiedlichen Mischungen, Festigkeitsträger wie Stahl oder Nylon, Füllstoffe, zum Beispiel Ruß und Silica. Hinzu kommen verschiedene Öle, Chemikalien wie Weichmacher und Alterungsschutz.“ 

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Eine der wichtigsten Eigenschaften des Reifens ist die Viskoelastizität. Das bedeutet, dass er immer wieder in seine Ausgangsform zurückkehrt. Vergleichbar mit einem Haushaltsgummi: Zieht man diesen auseinander – es wirkt also eine Kraft (Zug) – verformt sich der Gummi. Er wird länger. Verschwindet die Kraft, zieht sich der Gummi wieder in seine Ausgangsposition zurück. Die Elastizität geht dabei aber nicht ins unendliche. Anfangs spricht man noch vom elastischen Verhalten. Dieses geht bei zunehmender Kraft ins plastische Verhalten über. Der Gummi kann sich nicht mehr zurückziehen (ausgeleiertes Haushaltsgummi) und bricht bei weiterer Belastung. Ähnlich verhält es sich beim Reifen auch. Diese Eigenschaft bekommt der Reifen durch ein thermisches Verfahren, welches „Vulkanisation“ genannt wird. In diesem Prozess, in dem Zeit, Druck und Hitze ins Spiel kommen, lagern sich Schwefelverbindungen an die Polymerketten ab und bilden Verbindungsbrücken. Wenn sich jetzt die Polymerketten verschieben (Auseinanderziehen des Gummis), können sie nicht reißen, da die Verbindungsbrücken diese zusammenhalten. Nach der Entspannung kehren diese in ihre Ausgangsposition zurück.

Jeder Reifen ist allerdings unterschiedlich. So gibt es zum Beispiel Unterschiede im Gummimaterial. Einige Reifen sind härter, andere weicher. Dies kann mithilfe des Elastizitätsmoduls (Verhältnis zwischen einwirkender Spannung und Verformung) klassifiziert werden. Vergleichsweise mit einer Feder, die unterschiedlich starke Rückstellmomente besitzen Federkonstante c. 


Rennsportreifen versus Straßenreifen

Was unterscheidet jetzt aber ein Rennreifen von einem normalen Reifen am PKW? Die Erklärung der Falken-Expertin: „Es gibt einige Faktoren. Rennreifen gibt es auch als profillose Variante – Slicks. Außerdem sind unsere Rennreifen im Normalfall weicher als Straßenreifen und auch deutlich leichter. Sprich: Die Materialien, die verwendet werden, sind deutlich leichter als bei Straßenreifen. Auf der Rennstrecke will man vor allem Grip aufbauen, um schnelle Rundenzeiten zu erreichen. Bei einem Straßenreifen stehen beim Verbraucher eher Sicherheit und Langlebigkeit im Fokus.“ Vor allem der letzte Punkt sollte den Unterschied der beiden Reifentypen am deutlichsten aufzeigen: Während ein Straßenreifen bis zu 50.000 Kilometer durchhält, schafft es ein Slick-Reifen in der GT3-Klasse der VLN (SP9) gerade mal einen Stint lang. Also rund sieben bis neun Runden, das entspricht einer Distanz von gerade mal 200 Kilometern. Das entspricht damit nicht mal einem Prozent der Straßenreifen! Dazu muss man allerdings sagen, die Langlebigkeit spielt auch im Motorsport eine gewisse Rolle. Es gibt Rennserien, die verlangen, dass ein Reifen zwei Stints hält. Außerdem ist es im Kundensport aus Kostengründen relevant, die Reifen so lange wie möglich bei gleich bleibender Performance nutzen zu können. Die Langlebigkeit spielt also immer eine Rolle, wenn auch auf verschiedenen Ebenen.

Beim Blick auf die Bestandteile, zeigen sich auch hier Unterschiede. Werden beim Straßenreifen hauptsächlich Silica verwendet, setzt man beim Rennreifen mehr auf Ruß, der in puncto Temperaturstabilität überzeugt. Bei hoher Belastung bleibt der Reifen also stabiler. Im Straßenbereich gibt es Sommer- und Winterreifen. Ein Reifen muss mit fast allen Witterungsbedingungen zurechtkommen. Der klassische Sommerreifen funktioniert daher zwischen sieben und vierzig Grad ohne Probleme. Der Rennreifen hingegen ist spezialisierter auf seine Umgebung abgestimmt. So unterscheidet man im Motorsport schon alleine zwischen Reifen für trockene Bedingungen (Slicks) und Reifen für nasse Verhältnisse (Wets). Ein Slick Reifen beginnt erst bei ca. 70 Grad in seine Wohlfühltemperatur zu kommen, während der Straßenreifen mit deutlich niedrigeren Temperaturen zurechtkommen muss. „Ein Reifen im Straßenbetrieb ist an alle Wetterbedingungen wie trockene oder nasse Fahrbahn angepasst“, so Stefanie Olbertz. „Im Rennbetrieb ist das nur durch einen Reifenwechsel möglich.“


Temperatureinfluss auf die Reifen

Was man im Motorsport immer wieder sieht, sind Heizdecken oder Heizzelte für die Reifen. Vor allem in höheren Rennsportklassen wie der Formel 1 oder in der WEC. In den kleineren Klassen oder in Rennserien, in denen diese Hilfsmittel meist aus kostentechnischen Gründen verboten sind, wissen sich Ingenieure und Mechaniker anderweitig zu helfen: Vor den Sessions legen sie die Reifen zum Erhitzen in die Sonne. Wie sehr beeinflusst die Temperatur den Reifen tatsächlich? Zur Erinnerung: Ein Reifen fängt erst zu Arbeiten an bei einer Betriebstemperatur von 70 bis 120 Grad. Bei tiefen Temperaturen hat der Reifen ein relatives hohes E-Modul und verliert an Grip. Er kann also nicht mehr so gut auf dem Asphalt haften. Bei hohen Temperaturen ist das E-Modul deutlich niedriger. Der Reifen ist elastischer und klebt förmlich auf der Fahrbahn. 

Dennoch: Haftung ist ein Zusammenspiel von Straße und Reifen. Die Verbindung zwischen diesen beiden Parametern entsteht durch das Gleiten des Reifens über die Fahrbahn – der sogenannte „Schlupf“. Schlupf entsteht, wenn die Radumfangsgeschwindigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit abweicht. Beim Beschleunigen gilt daher: Raddrehzahl (km/h) - tatsächliche Geschwindigkeit (km/h) geteilt durch tatsächliche Geschwindigkeit (km/h).

Schlupf ist Reibungsarbeit. Durch diese Arbeit wird die Haftung und dementsprechend die Temperatur erhöht. Um optimale Haftung aufzubauen, braucht es diesen Schlupf. Bei kalten Temperaturen muss der Luftdruck erhöht werden, da sich der Reifen aufgrund der Außentemperaturen nur schlecht selbst aufheizt. Bei warmen Temperaturen dagegen hilft ein niedrigerer Reifendruck. Das ist auch einer der Gründe, warum in den Einführungsrunden Schlangenlinien gefahren werden: Die Reifen müssen auf Betriebstemperaturen gebracht werden. Das gelingt dem Fahrer durch diese schlängelnden Bewegungen und der daraus entstehenden Reibungsarbeit. Was genau sagt „Grip“ aus? Grip ist der Zusammenhang von Straße und Reifen. Die Straße ist beeinflusst durch Wittering, Alterung, kleine Risse, Mikropartikel oder auch Öl und anderes. Während der Fahrt deformiert sich der Reifen aufgrund seiner Elastizität und passt sich der Fahrbahn an. Er drückt sich in den Asphalt. Der Reifen, der nie komplett rund ist, sondern eine Aufstandsfläche (Latsch) bildet, nimmt dabei die Partikel der Straße auf. Nach einem Rennen ist das gut zu beobachten an den abgefahrenen Rennreifen: Im Slick-Reifen sind kleine Steinchen der Straße deutlich zu sehen. Mit zunehmender Geschwindigkeit hat die Aufstandsfläche allerdings nicht mehr genügend Zeit, um sich den Bedingungen anzupassen. Der Grip sinkt somit bei zunehmender Geschwindigkeit. Dem muss entgegengewirkt werden. Das passiert beispielsweise durch Aerodynamik. Das Fahrzeug muss stärker in den Asphalt gedrückt werden. Der Latsch ist aber nicht nur abhängig von der Reifenlast, sondern auch vom Luftdruck.

Aufstandsfläche A ist gleich Reifenlast F geteilt durch Luftdruck P – aus mathematischer Sicht: Je höher der Reifendruck, desto kleiner der Latsch.


Reifendruck und Abnutzung

Dank der mathematischen Formel für die Aufstandsfläche könnte man jetzt davon ausgehen, dass ein höherer Luftdruck besser für den Grip ist. Aber der Rennsport ist ja meist komplexer, als man denkt. So verhält es sich auch mit den beiden Parametern der Aufstandsfläche und des Luftdrucks. Der Luftdruck ist grundsätzlich eines der wichtigsten Tools für Mechaniker und Ingenieure. Denn der Reifendruck beeinflusst die Reifentemperatur, die Aufstandsfläche, den Verschleiß und schlussendlich auch den Grip. Dabei sind Faktoren wie die Außentemperatur aber auch die Asphalttemperatur entscheidet. Denn immerhin ist ein Reifen kein adiabates System (Thermodynamisch: Adiabat = keine Wärmeaustausch mit der Umgebung). 

Der Druck ist vor allem entscheidend für die Abnutzung der Reifen. Bei zu hohem Druck verformt sich der Reifen zu einer Art Schale. Nur die mittlere Schicht wird dann beim Befahren der Strecke abgenutzt. Die äußeren Seiten bleiben unbenutzt oder wenig abgenutzt. 

Aber: Der eingestellte Luftdruck ist nicht der gleiche Druck, der sich im Betrieb ergibt. Denn: Die Temperatur erhöht sich beim Fahren. Damit erhöht sich auch der Druck im Reifen. Um den „perfekten“ Wert für den Luftdruck bestimmen zu können, bedarf es also vieler Testarbeiten, um das Zusammenspiel aller Parameter bestimmen zu können.


Die Entwicklung eines Reifens bei Falken

Die Einflussfaktoren auf Reifen sind unzählbar. Kräfte, Witterungsbedingungen, Gewicht des Fahrzeugs, Temperaturen, usw. Um den optimalen Reifen zu finden, bedarf es einer langen Entwicklungszeit. Wie wird ein Reifen für den Straßenfahrzeuggebrauch entwickelt und warum spielt der Motorsport dabei eine bedeutende Rolle? Stefanie Olbertz klärt auf: „Ähnlich wie auch im Rennsport muss ein Straßenreifen unter verschiedenen Bedingungen erprobt und geprüft werden. Die Kriterien, die dabei eine Rolle spielen, sind vergleichbar mit den Reifentests in gängigen Auto-Magazinen. Je nach Produkt und Ziel des Einsatzgebietes werden die Schwerpunkte auf die verschiedenen Kriterien verteilt. Die Erprobung im Rennsport spielt insofern eine Rolle, dass die oftmals innovativeren Materialien, die dort verwendet werden, zum Teil einen Vorteil in der Straßenreifen Entwicklung bieten können.“

Für die Erprobung im Motorsport hat man sich bei Falken für die VLN entschieden. Hauptsächlich aus einem Grund: „Falken ist leider im Betätigungsfeld eingeschränkt, da es nur noch wenige „offene“ Rennserien gibt. Wir fahren aktuell ausschließlich Rennen auf der Nordschleife. Daher macht es am meisten Sinn auch dort zu testen. Zusätzlich entwickeln wir die Reifen aber außerhalb der Saison auch auf anderen Rennstrecken weiter.“ Bei der Fahrzeugwahl hat man sich für einen Porsche und einen BMW GT3 entschieden. „Beide Falken Fahrzeuge sind sehr unterschiedlich im Bezug auf Gewichtsverteilung und Motorkonzept. Daher muss das auch bei den Reifen berücksichtigt werden. Die unterschiedlichen Fahrzeuge nutzen wir, um unsere Technologie möglichst breit aufgestellt entwickeln zu können.“ 

Ein Testeinsatz im Rennsport und auch bei Straßenreifen läuft im Normalfall so ab, dass man verschieden Optionen zum erproben entwickelt. Diese werden dann von Testfahrern gefahren und subjektiv bewertet. Die Ingenieure erfassen parallel über verschiedene Sensoren die Daten von Reifen und Fahrzeug und werten diese aus. Am Ende des Tests wird eine Option ausgewählt, die subjektiv und objektiv am besten die gewünschten Eigenschaften erfüllt. Bei Bedarf gibt es im selben Procedere noch weitere Entwicklungsschleifen, oder das Produkt kommt auf den Markt.


Text: Jennifer Falkner