Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Den perfekten Reifen berechnen

20.05.2015

Jülicher Forscher verbessern Theorie, um die Reibung von Gummireifen vorherzusagen

Den optimalen Reifen wünschen sich nicht nur Formel-1-Fahrer. Rutschsicher, abriebfest und langsam im Verschleiß – das sollen die Gummimischungen leisten. Gleichzeitig darf der Rollwiderstand aber nicht zu groß sein, um den Spritverbrauch niedrig zu halten.

Der Jülicher Forscher Dr. Bo Persson arbeitet seit gut 20 Jahren daran, das Phänomen der Reibung von Gummi theoretisch zu erklären. Im Fachmagazin "Journal of Chemical Physics" berichten er und seine Kollegen nun über einen weiteren Effekt, der dabei eine Rolle spielt.

"Bisher berücksichtigen Reifenhersteller bei Vorhersagen zur Reifenhaftung hauptsächlich einen Aspekt: die Viskoelastizität. Das ist die Verformung des Reifens, verursacht durch Unebenheiten des Straßenbelags", sagt Persson vom Jülicher Peter Grünberg Institut, Bereich Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1), "aber diese Vorhersagen spiegeln nicht die Realität wider."

Persson hat daher in sein theoretisches Modell zur Gummireibung einen weiteren Aspekt mit einbezogen, die sogenannte Scherung. Sie wirkt dort, wo der Gummi direkten Kontakt mit der Oberfläche hat und beeinflusst ebenfalls die Reibung.

Auf molekularer Ebene können verschiedene Prozesse zu ihr beitragen: Gummimoleküle, die kurzfristig an der Oberfläche haften, harte Füllstoffe in der Gummimischung – zum Beispiel Ruß oder Silikate – die über die Oberfläche schleifen, aber auch Risse und Abnutzungen im Reifenmaterial.

"Wir haben zunächst die Bindung der Gummimoleküle berücksichtigt", sagt Persson, "dieser Prozess sollte aus unseren Erfahrungen den größten Einfluss bei der Scherung haben." Für drei Gummimischungen testeten die Forscher ihr erweitertes Rechenmodell: die typische Mischung eines Sommer-, eines Allwetter- und eines Winterreifens.

Kleine Blöcke dieser Materialien zogen sie über zwei verschiedene Arten von Asphalt und Sandpapier mit einer Geschwindigkeit von maximal einem Millimeter pro Sekunde. "Durch die langsame Bewegung haben wir ausgeschlossen, dass die Reibungswärme unser Ergebnis beeinflusst", sagt Persson. "Gummireibung ist sehr komplex, daher wollten wir die neue Theorie zunächst unter sehr einfachen Bedingungen testen."

Für verschiedene Zuggeschwindigkeiten und Temperaturen beschreibt das neue Modell die experimentell beobachtete Reibung sehr gut. "Das stützt unsere Annahme, dass die kurzzeitige Haftung der Gummimoleküle auf molekularer Ebene entscheidend zur Scherkraft beiträgt", sagt Persson.

Bei Kontakt des Gummiblocks mit der Oberfläche haften die zunächst verknäulten Gummimoleküle dort. Wird der Gummiblock weitergezogen, dehnen sich die Moleküle ähnlich einem Gummiband, das man an einem Ende festhält – bis sie schließlich wieder abreißen, zu einem Knäuel zusammenschnurren und erneut haften können.

Dieser Mechanismus wird auch bestätig durch die Abhängigkeit der Scherung von Temperatur und Zuggeschwindigkeit: Bei hoher Temperatur oder kleiner Zuggeschwindigkeit haften die Gummimoleküle kaum – der Scherbeitrag zur Reibung ist gering.

Gleiches gilt für sehr niedrige Temperaturen oder hohe Zuggeschwindigkeit. Der Grund dafür ist die thermische Bewegung der Gummimoleküle, also ihre mikroskopische Beweglichkeit in der nach außen hin festen Gummimischung.

Bei hohen Temperaturen bewegen sich die Moleküle zu stark, um an der Oberfläche zu haften, bei niedrigen Temperaturen bewegen sie sich zu langsam. In beiden Fällen ist die Zeit, in der sie Kontakt mit der Oberfläche haben, zu kurz, um anzuhaften.

"Natürlich gelten unsere Ergebnisse zunächst für idealisierte Bedingungen, also trockene, saubere Oberflächen", sagt Persson. Bei nassen Straßen sollte die Scherkraft beispielsweise nur eine geringe Rolle spielen, da der Wasserfilm den Kontakt der Gummimoleküle mit der Asphaltoberfläche verhindert.

"Aber das Modell zeigt den Weg, welche Faktoren bei der Vorhersage der perfekten Gummimischung eine Rolle spielen können und was auf molekularer Ebene bei der Reibung passiert."

Originalpublikation:

B. Lorenz, Y.R. Oh, S. K. Nam, S. H. Jeon, B. N. J. Persson, Rubber friction on Road Surfaces, J. Chem.Phys., 142, 194701 (2015), http://dx.doi.org/10.1063/1.4919221

Weitere Informationen:

Pressemitteilung des American Institute of Physics (in Englisch)

Peter Grünberg Institut, Bereich Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)

Ansprechpartner:

Dr. Bo Persson, Telefon: 02461 61-5143,
E-Mail: b.persson@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Barbara Schunk, Telefon: 02461 61-8031
E-Mail: b.schunk@fz-juelich.de

Annette Stettien, Telefon: 02461 61-2388
E-Mail: a.stettien@fz-juelich.de

www.fz-juelich.de

Dr. Barbara Schunk | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Mikroplastik in Meeren: Hochschule Niederrhein forscht an biologisch abbaubarer Sport-Kleidung
18.09.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Flexibler Leichtbau für individualisierte Produkte durch 3D-Druck und Faserverbundtechnologie
13.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie