»Auf dem Weg zur virtuellen Reifenentwicklung«
Bevor ein Auto vom Band rollt, testen die Hersteller die Fahrzeug-Designs
virtuell. Besonders schwierig ist die Simulation der Reifen, weil sie beim
Fahren durch Schlaglöcher und über Bodenwellen extrem beansprucht werden.
Mit der Reifenmodellierungs-Software »CDTire« bieten Fraunhofer-Forscher
ein Simulationswerkzeug an, das Räder realitätsnah darstellt und die
Automobilindustrie in zahlreichen Analyseszenarien unterstützt.
Wie die
neue Software außerdem hilft, Kosten zu sparen und aufwändige Testfahrten
von der Versuchsstrecke in den Fahrzeugsimulator zu verlegen, erklären Dr.
Manfred Bäcker und Dr.-Ing. Christoph Burkhart vom Fraunhofer ITWM.
Warum stellt die Simulation von Reifen eine so große Herausforderung dar?
Dr. Manfred Bäcker: Weil Reifen sich komplex und nichtlinear verhalten.
Beim Fahren entsteht Wärme, die die Eigenschaften der Reifen verändert,
was eine präzise und gleichzeitig schnelle Berechnung schwierig macht.
Daher bedarf es hochentwickelter Modelle, die sowohl die thermischen
Effekte als auch die nichtlineare Dynamik des Reifens auf der Straße
berücksichtigen, was eine rechenintensive Aufgabe darstellt.
Wie gelingt es Ihnen, eine gute Balance zwischen Rechenzeit und
Genauigkeit zu erreichen?
Dr.-Ing Christoph Burkhart: CDTire ist eigentlich eine Familie von
Reifenmodellen mit unterschiedlicher Modellierung von Gürtel, Seitenwand
und Lauffläche, um für verschiedene Anwendungen eine optimale Mischung aus
Genauigkeit und rechnerischem Aufwand anzubieten. Ziel ist die
realitätsnahe Abbildung bei gleichzeitig schneller Berechnung. Das umfasst
auch Echtzeitmodelle.
Wie treibt CDTire die virtuelle Reifenentwicklung voran?
Dr. Manfred Bäcker: In der Automobilindustrie werden Reifenmodelle in
Fahrzeugsimulationen integriert, um das Fahrverhalten virtuell zu testen
und zu optimieren. Diese Simulationen berücksichtigen komplexe Faktoren
wie Wärmeentwicklung, Reifenverformung und Materialeigenschaften, die sich
auf das Fahrverhalten auswirken. Fahrzeughersteller nutzen Reifenmodelle,
um im Entwicklungsprozess früh Aussagen über Komfort, Betriebsfestigkeit
und fahrdynamische Eigenschaften eines Entwicklungsstandes zu erhalten.
Diese Reifenmodelle waren anfangs, etwa vor 15 Jahren, noch sehr
reduziert, während Reifenhersteller schon damals ausgefeilte Reifenmodelle
verwendeten, die aber wegen ihres hohen Rechenzeitbedarfs in der
Gesamtfahrzeug-Simulation nicht anwendbar waren. Mit CDTire konnten wir
die Brücke zwischen Reifen- und Automobilherstellern schlagen. Unser Tool
fungiert quasi als Austauschformat zwischen beiden Industrien. Die
Reifenindustrie nutzt es in der Vorentwicklung, die Automobilindustrie im
Gesamtfahrzeugkontext. Anpassungen für OE-Reifen (Original-Equipment-
Reifen), die speziell für die Erstausrüstung eines Fahrzeugs entwickelt
werden, lassen sich mit CDTire sehr schnell umsetzen.
CDTire ist also ein häufig verwendetes Reifenmodell geworden?
Dr. Manfred Bäcker: Ja, fast alle namhaften Fahrzeug- und Reifenhersteller
zählen zu unseren Kunden. Da CDTire virtuelle Testfahrten in
Fahrzeugsimulatoren erlaubt, sparen sich die Unternehmen in der
Entwicklungsphase aufwändige reale Testfahrten und die Produktion teurer
prototypischer Reifen. Je nach Anwendung lassen sich unsere Reifenmodelle,
die in Echtzeit rechnen, in den Simulator einklinken. Mit unserer
Entwicklung haben wir den Schritt weg von der Teststrecke hin zum
Fahrzeugsimulator ermöglicht. Unser Ziel ist es, die Bewertung eines
Reifens primär durch professionelle Testfahrende am Fahrzeugsimulator
durch virtuelle Reifen- und Fahrzeugprototypen zu erledigen, damit
idealerweise nur noch die Endabnahme des Prototypen auf der realen
Teststrecke erfolgen muss.
Mit CDTire können Sie den kompletten Entwicklungsprozess der Reifen
abbilden. Wie geht das?
Dr.-Ing. Christoph Burkhart: Mit CDTire erhalten Entwicklungsingenieure
und -ingenieurinnen ein Reifenmodell für fast alle Analyseszenarien. Unser
besonderes Augenmerk auf die Gürteldynamik und Interaktion mit 3D-
Fahrbahnoberflächen erlaubt eine gute Vorhersagegenauigkeit, auch deutlich
außerhalb des Bereichs, der im Rahmen von Messungen zur Bedatung des
Modells abgedeckt wird. Während der Reifensimulation werden die
Radnabenkräfte und -momente auf jedes Rad, sowie die Kontaktkräfte auf die
Fahrbahn berechnet.
Welche besonderen Erweiterungen bzw. Funktionalitäten bietet die aktuelle
Version der Software?
Dr. Manfred Bäcker: Mit CDTire/3D haben eine Art Multi-Physics-Tool
geschaffen, das z.B. die Temperaturentstehung und -entwicklung und durch
die Integration eines dynamischen Innenluftmodells auch die Innenluft des
Reifens simulieren kann sowie seit neustem auch den Abrieb. Die
Innenluftschwingungen übertragen sich über die Karosserie auf den
Fahrzeuginnenraum, was zur Vibration von Lenkrad und Armaturenbrett führt
und das Komfortempfinden der Fahrzeuginsassen beeinträchtigt – sie sind
vor allem aber auch akustisch wahrnehmbar. Insbesondere in
Elektrofahrzeugen werden die Schwingungen als störend wahrgenommen.
Darüber hinaus können wir mithilfe unseres neuen flexiblen Felgenmodells
den Reifen in Kombination mit der Felge als Gesamtrad bewerten, was den
Modellbereich und die Möglichkeiten deutlich erweitert.
Inwiefern spielen Ihre Simulationen auch für die Reichweite von
E-Fahrzeugen eine Rolle?
Dr.-Ing. Christoph Burkhart: Mit CDTire sind wir jetzt auch in der Lage,
den Rollwiderstand präzise zu simulieren und unter unterschiedlichen
Betriebsbedingungen vorherzusagen. Der Rollwiderstand von Reifen ist die
Folge von Energieverlusten. Er ist Teil des EU-Reifenlabels, das ihn in
Effizienzklassen von A bis E einteilt. Ein geringerer Rollwiderstand
verbessert den Kraftstoffverbrauch und dementsprechend auch die
Energieeffizienz. Die Praxis sieht jedoch anders aus, wodurch die
Effizienzklassen im Alltag durch viele Kurzstrecken mit kalten Reifen
nicht erreichbar sind. Gerade für E-Fahrzeuge ist dies jedoch von
Bedeutung, da es die Reichweite beeinflusst. Wir haben CDTire so
weiterentwickelt, dass es nun auch innere Reibungsverluste berücksichtigt.
Durch Kopplung der inneren Reibung mit dem Temperaturmodell ist eine
realitätsnahe Simulation des Rollwiderstands möglich.
Wollen Sie mit Ihrer Technologie den Transfer in die Wirtschaft wagen?
Dr. Manfred Bäcker: Ja, 2026 gehen wir in Kaiserslautern mit unserer
Ausgründung Virtual Tire Technologies (VTT) an den Start. Wir werden aber
weiterhin mit dem Fraunhofer ITWM zusammenarbeiten und in engem Austausch
bleiben.
