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Fahrzeugtechnik - Schwallwiderstand

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Fahrzeugtechnik

Schwallwiderstand

In unseren Breiten kommt es nicht selten zu Niederschlägen, weshalb dementsprechend häufig Wasser auf den Straßen steht. Trotz nasser Fahrbahn muss der Reifen in der Lage sein, einen Kraftschluss zwischen ihm und der Fahrbahn herzustellen. Dies geschieht, indem der Reifen das Wasser verdrängt. Dies geschieht einerseits durch Hohlräume, die durch die Reifenprofilierung gegeben sind, welche das Wasser aufnehmen und nach außen abführen sowie andererseits durch das Wegspritzen des Wassers im Reifeneinlauf hin zur Außenseite des Reifens.

Reifen auf nasser Fahrbahn
Reifen auf nasser Fahrbahn

 

Hydrodynamische Kräfte

Damit das Wasser überhaupt in Bewegung versetzt wird, d. h. beschleunigt wird, müssen hydrodynamische Kräfte auftreten. Beziehen wir uns gedanklich auf den vorangegangenen Text, dann steht jetzt die Resultierende senkrecht zur Reifenoberfläche. Die hydrodynamischen Kräfte entstehen nur im Reifeneinlauf, wodurch sich eine auf den Reifen wirkende Resultierende ergibt, die schräg nach oben und entgegensetzt zur Fahrtrichtung zeigt. Zu besseren Verständnis folgt die entsprechende Abbildung. Um dieser Widerstandskraft entgegenzuwirken muss die Kraft FWRS aufgebracht werden.

Schwallwiderstand infolge von Wasserverdrängung_c
Schwallwiderstand infolge von Wasserverdrängung

Die Formel zur Bestimmung des Schwallwiderstands ist experimentell ermittelt worden. Sie zeigt den empirischen Zusammenhang zwischen Schwallwiderstand, Reifenbreite, Geschwindigkeit und Wasserfilmhöhe.

Methode

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Schwallwiderstand [empirisch]: $ F_{WRS} = \frac {B}{10} \cdot ( \frac { \omega }{N(H)})^{E(H)} $

mit:

$ B $ = Reifenbreite [cm]

$ \omega $ = Drehgeschwindigkeit [km/h]!

$ H $ = Wasserfilmhöhe [mm]

$ N(H) $ = empirische Kenngröße als Funktion der Wasserfilmhöhe H [km/h]

$ E(H) $ = empirische Kenngröße als Funktion der Wasserfilmhöhe H

Du erkennst, dass in der Formel die Kraft der Radlast FRadl. nicht enthalten ist. Dies zeigt, dass der Schwallwiderstand nicht von FRadl. abhängig ist. Gleiches gilt für die Reifenbauart und den Reifeninnendruck.

 

Die Abhängigkeit der empirischen Kenngrößen N und E von der Wasserfilmhöhe H ist im folgenden Diagramm abgebildet. Die exakten Werte können in Tabellenwerken nachgeschlagen werden. Beachte bitte, dass die Drehgeschwindigkeit nicht in $ \frac {rad}{s} $, sondern in km/h angegeben wird!

Abhängigkeit der Kenngrößen N und E von der Wasserfilmhöhe H
Abhängigkeit der Kenngrößen N und E von der Wasserfilmhöhe H [1]

 

Problemfall Aquaplaning

Aquaplaning
Aquaplaning

 

Hat der vordere Bereich des Reifens keinen Kontakt mehr zur nassen Fahrbahn, so spricht man von partiellem Aquaplaning. Dieses entsteht, wenn mit zu hoher Geschwindigkeit gefahren wird oder die Wasserfilmdicke auf der Fahrbahn zu groß ist. 

Obwohl in diesem Szenario die Reifenaufstandskraft in der Kontaktzone abnimmt, bleibt der Rollwiderstand bestehen, vorausgesetzt das Rad dreht sich weiter, da der Reifen durch die hydrodynamischen Kräfte im gleichen Maß einfedert. 

Sobald eine komplette Wasserschicht zwischen Reifen und Fahrbahn vorliegt, spricht man von einem vollständigen Aquaplaning. Jetzt bewirkt der Wasserwiderstand, dass das Rad stehen bleibt und weder Rollwiderstand noch eine Seitenführung vorliegen. Stattdessen besteht ein besonders hoher Schwallwiderstand FWRS