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g Silika - Industrieruß - ung - Kontaktfläche - a f t s toffersparnis K r d n u - tellud ngDsproezessr - MRikroeschliufpf eKonntaktfläche - n a t s r e ungsmessung - d Anregungsfrequenz - Stickoxid i w l l o R E Adhäsion - Rollwiderstand Kohlendioxid - fe - Atmospäre - und Kraftstoffersparnis - U Tank - Elastomer - Messfläche - Energie - Last Schadstoffe - Polymere - k - Vulkanisation - Verza g - Mischung - Computer - Reibfläche - Der Reifen Rollwiderstand und Kraftstoffersparnis Wie Reifen Kraftstoffverbrauch und Emissionen senken können © Société de Technologie Michelin, F-Clermont-Ferrand ISBN 2-06-711658-4 Deutsche Erstauflage 2005 Layout: Artice / Japa Fotos: Archiv Michelin Übersetzung und redaktionelle Bearbeitung: Dirk Vincken, Köln Nachdruck, auch auszugsweise, verboten. Kein Teil dieses Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Urhebers in irgendeiner Form reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Herausgeber der deutschen Fassung: Michelin Reifenwerke KGaA Öffentlichkeitsarbeit Michelinstraße 4 76185 Karlsruhe www.michelin.de ©Michelin 2005 I n h a l t Rollwiderstand und Kraftstofferparnis 7 Vorwort II Reifen und Kraftstoffverbrauch 23 I Rollwiderstand Kraftstoffverbrauch 9 und Fahrwiderstände 24 II.1 WIE DER REIFEN DEN FAHRWIDERSTAND MITBESTIMMT 10 I.1 EINFÜHRUNG DES BEGRIFFS ROLLWIDERSTAND 10 ■ Wie entsteht Rollwiderstand? 11 ■ Wie sich Rollwiderstand in der Praxis bemerkbar macht 29 II.2 KRAFTSTOFFVERBRAUCH UND WIRKUNGSGRAD 13 ■ Ausdrucksformen des Rollwiderstands EINES MOTORS 13 ■ Der Rollwiderstandskoeffizient 31 ● Kraft, Arbeit und Leistung 32 ■ Wirkungsgrad eines Motors 15 I.2 FAHRWIDERSTÄNDE 32 ■Motorkennfeld Ein kleiner Exkurs in… 34 den Kraftstoffverbrauch eines Pkw 15 ■ Aerodynamische Kräfte bei 100 km/h 17 ■ Innere Reibungskräfte 18 ■ Einfluss der Schwerkraft 19 ■ Trägheitskräfte 35 II.3 DER ANTEIL DES REIFENS AM KRAFTSTOFF- Ein kleiner Exkurs in… 21 Trägheitskräfte und VERBRAUCH effektive Massen Ein kleiner Exkurs in… 36 die Berechnung des Anteils der Fahr- 22 Rollwiderstand und Fahrwiderstände: widerstände am Kraftstoffverbrauch das Wichtigste in Kürze 37 II.4 DAS SPRITSPARPOTENZIAL BEIM EINSATZ ROLLWIDERSTANDSARMER REIFEN 37 ■Verbrauchsvorteil durch den Wechsel von "schwarzen" auf "grüne" Reifen 39 ■Weiteres Sparpotenzial durch Anpassung der Übersetzung Ein kleiner Exkurs in… 40 die Optimierung der Übersetzung ©Michelin 2005 Seite 33 41 II.5 KRAFTSTOFFERSPARNIS UND 56 III.2 QUELLE DES ENERGIEVERLUSTS – SCHADSTOFFREDUZIERUNG DER ABGASE VISKO-ELASTIZITÄT UND VERFORMUNG 41 ■Kraftstoff und CO2 – weltweites Verbesserungspotenzial 56 ■ Elastische Materialien 42 ● CO2-Emissionen 56 ■ Viskose (zähfließende) Stoffe 45 ■ Die Selbstverpflichtung der europäischen Automobilhersteller 57 ■ Visko-elastische Materialien 46 ■ Luftverschmutzung in Europa – Entwicklung seit 1970 57 ■ Verformung des Reifens während des Abrollens 47 ● Emission von Luftschadstoffen: Tendenz rückläufig 58 III.3 EINFLUSSGRÖSSEN DES ENERGIEVERLUSTS 48 II.6 GRÜNE REIFEN UND DER UMWELTSCHUTZ 58 ■Modul und Energieverlust 49 ● Analyse des Lebenszyklus 59 ■ Lastfrequenz 50 Reifen und Kraftstoffverbrauch: das Wichtigste in Kürze 59 ■Betriebstemperaturen 60 ■Dehnungsgrößen 61 ■ Adsorption und Desorption 61 ■Einfluss der innermolekularen Füllstoffabstände auf das Energieverlustverhalten 62 III.4 WIE SICH ENERGIEVERLUST REDUZIEREN LÄSST III Visko-elastische Materialien und 53 62 ■ Auswahl von Polymeren mit niedriger Hysterese Energieverlust 63 ■ Vergrößerung des Partikelabstands 64 ■ Sonderfall Silika 67 Visko-Elastizität und Energieverlust: das Wichtigste in Kürze 54 III.1 DIE GUMMIMISCHUNGEN EINES REIFENS 54 ■ Polymere 54 ■ Verstärkerfüllstoffe 55 ■ Schwefel Seite 4 ©Michelin 2005 I n h a l t 81 IV.3 WIE DIE ROLLWIDERSTANDSKRÄFTE IV Die physikalischen Ursachen des 69 IN DER KONTAKTFLÄCHE WIRKEN Rollwiderstands 81 ■ Messung der Kräfte in der Kontaktfläche 82 ■ Kräftegleichgewicht am Reifen 83 IV.4 WIE ÄUSSERE EINFLÜSSE DEN ROLLWIDERSTAND 70 IV.1 ZWEI NEBENURSACHEN: BEEINFLUSSEN MIKROSCHLUPF UND LUFTWIDERSTAND 83 ■ Einfluss des Reifenfülldrucks 70 ■ Mikroschlupf 84 ■ Einfluss der Radlast Ein kleiner Exkus in… 70 ■ Luftwiderstand des Rades 84 den Einfluss von Fülldruck und Radlast auf den Rollwiderstand 85 ■ Einfluss hoher Geschwindigkeit 71 IV.2 HAUPTURSACHE: 86 ■ Einfluss der Umgebungstemperatur VERFORMUNGEN IM BEREICH DER KONTAKTFLÄCHE 87 ■ Einfluss der Fahrtzeitdauer 71 ■ Von Biegung, Stauchung und Scherung 87 ■ Einfluss der Straßenrauigkeit 72 ■ Bestimmungsgrößen der Reifenverformung 88 ● Rauigkeit von Straßenbelägen 89 ■ Einfluss der Reifendimension 73 IV.2.1 Biegung des Reifenscheitels in der Kontaktfläche 90 Die Ursachen des Rollwiderstands: das Wichtigste in Kürze 74 ■Dehnungsmaß bei Biegung Ein kleiner Exkurs in… 76 die Berechnung der Längsdehnung der Lauffläche 76 IV.2.2 Stauchung der Lauffläche in der Kontaktfläche 76 ■Verformungsmaß durch Stauchung Ein kleiner Exkurs in… 77 die Mechanismen der Profilblock- Stauchung innerhalb der Kontaktfläche 78 IV.2.3 Scherung der Lauffläche in der Kontaktfläche 79 ■Dehnung durch Scherung Ein kleiner Exkurs in… 79 die Berechnung der Scherung der Profilblöcke beim Kontaktdurchlauf ©Michelin 2005 Seite 5 104 ■Europäischer Fahrzyklus 91 V Messung und Simulation 105 ■Fahrzyklen in den USA 107 ■Fahrzyklen in Japan 92 V.1 MESSUNG DES ROLLWIDERSTANDS VON REIFEN 108 V.3 MESSUNG DER KRAFTSTOFFERSPARNIS 92 V.1.1 Messungen nach Vorschriften der ISO-Normen BEI LASTKRAFTWAGEN 8767 und 9948 108 ■ Testverfahren 92 ■Messverfahren Ein kleiner Exkurs in… 108 die vergleichende Verbrauchsberechnung 92 ■Messung der Verzögerung Ein kleiner Exkurs in… 93 die Messung der Verzögerung nach ISO-Standard 109 V.4 COMPUTERBERECHNETE VERBRAUCHSVORTEILE 94 ■Messung der Bremskraft an der Radnabe ROLLWIDERSTANDSARMER REIFEN 94 ■Messung des Drehmoments an der Prüftrommelnabe 95 ■Messung der elektrischen Leistungsaufnahme des Trommelmotors 96 ■Korrekturgleichung der Trommelkrümmung 96 ■Berechnung des Rollwiderstandskoeffizienten Anhang 111 97 ● Wie die Temperatur vor Messbeginn stabilisiert wird 98 V.1.2 Messungen nach Vorschriften der SAE-Normen 111 Anhang 1: Motorkennfelder und das Willans-Modell 98 ■SAE-Norm J1269 115 Anhang 2: Zahlenwerte und Umrechnungen 98 ■SAE-Norm J2452 A, B, C… 99 V.2 PRÜFSTANDSMESSUNGEN DER EMISSIONEN UND 117 Sachwort-Register DES VERBRAUCHS VON PKW UND LEICHT-LKW 100 ■ Testprozeduren 101 ■ Einrichtung des Rollenprüfstands 102 ■Bestimmung des Verbrauchs nach der Kohlenstoff-Bilanz-Methode Literaturverzeichnis 120 102 ■Kohlenstoff- und Kohlendioxid-Emission pro verbrauchtem Liter Kraftstoff Ein kleiner Exkurs in… 103 die Kohlenstoff-Bilanz-Methode Seite 6 ©Michelin 2005 Rollwiderstand und Kraftstoffersparnis Vom Rollwiderstand zur Verbrauchsreduzierung Vom physikalischen Traumbild eines Perpetuum Kostenminderung und Umweltschutz Gleichzeitig drängten immer mehr Fahrzeuge auf mobile einmal abgesehen, ist jede noch so kleine Zu den verbrauchsbestimmenden Fahrwiderstän- den Markt und unsere Straßen. Heute verbraucht Bewegung auf dieser Erde mit Energieverbrauch den, die das Fahrzeug überwinden muss, nämlich ein Automobil rund fünfzehn Prozent weniger als verbunden. Wind, Hangneigung und Massenträgheit, zählt vor fünfzehn Jahren und stößt zwanzig mal weni- Kraftfahrzeuge beziehen ihre Energie aus der auch der Rollwiderstand. ger Schadstoffe aus. Verbrennung von Kraftstoff. Eine Reduzierung des Rollwiderstands bedeutet Ökologische Zwänge, die der Entwicklung mensch- Mit der aus Benzin, Diesel oder anderen Kraftstof- somit eine unmittelbare Kostenminderung und – licher Aktivitäten im Allgemeinen und dem Trans- fen gewonnenen Energie treibt der Verbrennungs- dank des geringeren Triebstoffkonsums – eine portbedürfnis im Besonderen entstammen, erfor- motor die Räder an und das Fahrzeug kann sich Entlastung der Umwelt durch die verminderte dern weitere Fortschritte. Die kontinuierliche fortbewegen. Schadstoffbelastung. Zu den gesunkenen Kilometer- Reduzierung des Rollwiderstands kann einen wert- Mit jeder Radumdrehung verformt sich der Reifen kosten gesellt sich somit eine messbare Verbes- vollen Teil dazu beitragen. bei der zwangsläufigen Abflachung auf der serung der Luftqualität. Straßenoberfläche. In dieser lokalen Kontaktfläche werden sämtliche Beschleunigungs-, Brems- und Seit Erscheinen der ersten Reifen vor über hundert Verständnis der Wirkprinzipien Lenkkräfte übertragen. Darüber hinaus absorbiert Jahren hat sich der Rollwiderstand um den Faktor der Reifen einen Großteil der Unebenheiten der drei verringert. Während der auf die Fahrzeugmasse Um den Rollwiderstand um den Faktor drei zu ver- Fahrbahnoberfläche. Kurz, durch seine außeror- bezogene Rollwiderstandsanteil der Reifen im Jahre kleinern, bedurfte es eines umfangreichen Wissens dentliche Flexibilität verfügt der Reifen sowohl 1895 umgerechnet noch 25 Kilogramm je Tonne um die Vorgänge im sich verformenden Reifen und über Haftungs- als auch Komforteigenschaften. betrug, führte die 1992 eingeführte Technologie der Materialeigenschaften. Auch mussten des "grünen" Reifens, auch Green X genannt, zu Methoden entwickelt werden, die den Werten von 8 kg/t – ohne Einbußen in punkto Verbrauchsvorteil der rollwiderstandsoptimierten Visko-Elastizität, die Rollwiderstandsquelle Haftungseigenschaften oder Verschleißverhalten. Reifen nachhaltig belegen konnten. Dieses Wissen vermittelt Ihnen dieser dritte Band Reifengummi verhält sich visko-elastisch. Von ents- Zur gleichen Zeit erlebte die Automobiltechnik aus unserer Enzyklopädie-Reihe Der Reifen. cheidender Bedeutung für die Haftungsmecha-nis- ebenfalls enorme Fortschritte (Motorentechnik, men des Reifens, verursacht diese Visko-Elastizität Aerodynamik), und auch der Straßenbau trug bei jeder Reifenverformung physikalisch bedingt durch den Einsatz höherwertiger Fahrbahnbeläge einen Energieverlust in Form von Wärme. Das Maß zur Energiebedarfsreduzierung bei. dieses Energieverlusts bestimmt die Höhe des Rollwiderstands. Rollwiderstand und Kraftstoffersparnis I Rollwiderstand und Fahrwiderstände Den von den Reifen verursachten Rollwiderstand nimmt der Fahrer nicht unmittelbar wahr. In diesem Kapitel versuchen wir, das Phänomen dieses Widerstands anschaulich zu illustrieren. Und der Vollständigkeit halber betrachten wir sämtliche Kräfte, die der Fortbewegung des Fahrzeugs entgegenwirken. ©Michelin 2005 Seite 9