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Die Coulombsche Festkörperreibung

unterscheidet zwei Zustände: Haftreibung und Gleitreibung, wobei die Haftreibung immer größer als die Gleitreibung ist. Die Reibungszahl µ ist als Proportionalitätskonstante zwischen der Reibungskraft und der Normalkraft definiert, also:  F_R=µF_N
Auf einer schiefen Ebene stellt das µ der Haftreibung daher grade den Tangens des Winkels dar, bei dem ein Klotz zu rutschen beginnt. Verringert man darauf hin den Winkel so ergibt sich das µ der Gleitreibung grade aus dem Tangens des Winkels, bei dem der Klotz wieder stehen bleibt. Der Tangens kann mathematisch Werte zwischen -unendlich und +unendlich annehmen, wobei physikalisch nur positive Werte sinnvoll sind (sonst wäre die Energieerhaltung verletzt). Daher kann der Reibwert µ Werte zwischen 0 und +unendlich annehmen. Eine Grenze bei 1 (Winkel 45°) ist unsinnig und wird von vielen Materialen überschritten (z.B. Alu/Alu 1.05, Nickel/Nickel 5.0, etc.). Bei Alu/Alu liegt sogar die Gleitreibung bei 1.04.
Die Festkörperreibung hat folgende Eigenschaften:

• Haftreibung > Gleitreibung
• Die Reibkraft ist nur von der Normalkraft abhängig, nicht von der Auflagefläche
• Die Gleitreibung ist geschwindigkeitsunabhängig

Gummireibung

Gummi ist kein Festkörper, sondern eher eine sehr viskose (zähe) Flüssigkeit. Daher gilt die Festkörperreibung nicht. Trotzdem kann man natürlich einen Proportionalitätswert definieren, der auch als Reibbeiwert bezeichnet wird. Dieser ist aber nicht mehr konstant, sondern hängt von sehr vielen Faktoren ab. Z.B. gehen Normaldruck, Auflagefläche, Temperatur, Geschwindigkeit und einiges mehr in die Reibung ein. Die Gummireibung setzt sich aus vier Einzelkomponenten zusammen:

• Adhäsionsreibung beschreibt die molekularen Anziehungskräfte zwischen Reibpartnern. Sie stellt auf trockener Fahrbahn den dominierenden Teil dar und ist vor allem von der Auflagefläche und den Materialeigenschaften abhängig.
• Hysteresereibung beschreibt die Dämpfungsverluste durch Deformation auf rauhen Fahrbahnen. Sie ist von den viskoelastischen Eigenschaften des Gummis, der Oberflächenbeschaffenheit und der Geschwindigkeit abhängig.
• Der viskose Reibkraftanteil beschreibt die Scherung eines Zwischenmediums, wie z.B. einem Wasserfilm auf nasser Fahrbahn.
• Der Kohäsionsreibverlust stellt den Energieaufwand zur Erzeugung neuer Oberflächen (Abrieb) dar.

 
Die Adhäsionskomponente ist direkt proportional zu effektiven Berührungsfläche, die durch die Hysterese des Reifengummis jedoch verringert wird. Der Hystereseanteil hat noch einen weiteren Effekt, er bestimmt nämlich über die viskoelastischen Eigenschaften des Gummis die Kontakttiefe des Reifens und damit wiederum die Kontaktoberfläche:

Aufgrund der Federungs- und Dämpfungseigenschaften des Gummis nimmt die Kontakttiefe mit steigender Geschwindigkeit nichtlinear ab. Daher nimmt auch die Reibung mit der Geschwindigkeit ab!

Der steile Anstieg bei wenig Schlupf ist durch die Längssteifigkeit des Reifens bedingt. Man bezeichnet es als Deformationsschlupf. Noch vor Erreichen des Maximums kommen bereits Gleitanteile dazu, die dann die rückwärtige Flanke maßgeblich bestimmen. Bei 100% Schlupf ist dann der komplette Reifen im Gleiten.
T. Bachmann kam aufgrund seiner Messungen zu folgendem Fazit:

"Die Untersuchung der Interaktionen im Prozess der Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn liefert folgende Ergebnisse:

• Nur mit Hilfe der Kontaktverhältnisse zwischen Reifen und Fahrbahn lässt sich der Prozess der Reibung als Resultat der Überlagerung der beiden Effekte Adhäsion und Hysterese interpretieren. Für die Adhäsion ist die tatsächliche Kontaktfläche A zwischen Reifengummi und Oberfläche entscheidend; für die Hysterese das durch die Fahrbahnrauhigkeiten verformte Gummivolumen Q.
• Der Traganteil zwischen Reifengummi und Oberfläche beträgt meist zwischen 10 und 25%.  Der Kontakt ist dabei nicht flächig, sondern nur punktuell ausgebildet, was zu lokalen Drucküberhöhungen mit Drücken an den Kontaktstellen zwischen 100 und 700 N/cm² führt.
• Die Kontakttiefen als Maß für das Eindringen der Rauhigkeitsspitzen in den Reifen bewegen sich zwischen 0,4 und 1,6mm auf realen Fahrbahnen unter Standardbedingungen.
• Sowohl die tatsächliche Kontaktfläche A als auch das verformte Gummivolumen Q hängen über die Kontaktmechanismen von der Fahrgeschwindigkeit ab und beeinflussen so die Höhe des Reibwerts über der Geschwindigkeit.
• Der Steilaufstieg der Reibwert-Schlupf-Kurve wird ausschließlich bestimmt durch Reifeneigenschaften wie die Längssteife und die viskoelastischen Materialeigenschaften der Laufstreifenmischung. Er repräsentiert die Kraft-Verformungskennlinie des Reifens.
• In diesem Bereich dominiert der Deformationsschlupfanteil am Gesamtschlupf. Mit weiter ansteigender Kraft kommen Gleitanteile am Gesamtschlupf hinzu. Im Reibwertmaximum befinden sich etwa 3/4 aller Anteile des Reifenlatsches lokal schon im Gleiten.
• Ein Absinken des Reibwertmaximums durch Reduktion der zwischen Reifen und Fahrbahn übertragbaren Kräfte bedingt auch ein Absinken des Schlupfwerts, bei dem das Reibwertmaximum auftritt.
• Ein Zwischenmedium hat den mit Abstand größten Einfluss und betont andere Parameter in ihrer Auswirkung auf den Reibwert. Reifen- und Fahrbahnparameter haben geringeren Einfluss und überlagern sich gegenseitig.
• Das Verhältnis von Reibwertmaxima zu Blockierreibwert bleibt für einen Reifen und eine Oberfläche z.B. bei einer Variation der Profiltiefe gleich.
• Eine Veränderung der viskoelastischen Materialeigenschaften der Laufstreifenmischung durch Variation von Füllstoff, Füllgrad und Art der Polymerisation verändert zwar die absolute Höhe der Reibwert-Schlupf-Kurve, nicht aber deren Lage auf der Schlupfachse.
• Die Kombination eines hohen Anteils des Füllstoffs Silica mit durch Lösungspolymerisation hergestellten SBR-Kautschuken verspricht generell ein hohes Reibwertniveau.
• Oberflächen mit niedrigem Reibwertniveau bewerten Mischungsunterschiede von Reifen eher weniger als Fahrbahnen mit hohem Reibwertniveau.
• Das Gleitreibverhalten von Gummiproben verschiedener Mischungen wird auf rauhen Oberflächen stärker differenziert als auf glatten, Dagegen ist der Abfall der Gleitreibwerte mit wachsender Geschwindigkeit auf einer glatten Oberfläche stärker als auf einer rauhen.
• Zwischen den viskoelastischen Kenngrößen verschiedener Laufstreifenmischungen (Verlusttangens "tan d" und Verlustmodul M Scherbeanspruchung G) und dem Gleitverhalten einer Gummiprobe auf einer rauhen Oberfläche bei niedriger Geschwindigkeit besteht eine eindeutige Korrelation.
• Auch zwischen den auf trockener Fahrbahn gemessenen Reibwertmaxima von Reifen derselben Mischung und der viskoelastischen Kenngröße "tan d" lässt sich eine klare Beziehung herstellen. Daraus kann geschlossen werden, dass wie in der vereinheitlichten Gummireibungstheorie postuliert die Höhe von Adhäsions- und Hysteresekomponente von derselben viskoelastischen Eigenschaft des Reifengummis abhängt.
• Profiltiefe und Reifeninnendruck haben bei niedrigen Geschwindigkeiten eher geringen Einfluss auf den Reibwert. Auf aus Glaskugeln gebildeten Modelloberflächen hängt der mit einem Reifen gemessene Maximalreibwert bei Nässe vom verdrängten Gummivolumen und der tatsächlichen Kontaktfläche ab.
• Für einzelne Typen von Oberflächen lässt sich das Reibverhalten auf nasser Fahrbahn mit einfachen Mechanismen zur Kraftübertragung erklären. Für alle in der Realität gemessenen Fahrbahntexturen lassen sich keine klaren Abhängigkeiten angeben, doch ist für verschiedene Fahrbahnbeläge die Angabe von Streubändem möglich.
• Während die Variation von Reifenparametern keine Auswirkung auf die Form der Reibwert-Schlupf-Kurve hat, verändern Fahrbahnparameter das Aussehen der Reibwert-Schlupf-Kurve.
• Der Abfall der Reibwerte mit steigender Geschwindigkeit lässt sich mit dem negativen Gradienten des Verlustmodul-Frequenz-Verlaufs erklären.
• Für drei Oberflächen wurden Geschwindigkeits-Schlupf-Kennfelder des Reibwerts für die trockene und nasse Fahrbahn erstellt, deren Verlauf sich mit der vereinheitlichten Gummireibungstheorie begründen lässt. Der Verlauf der dreidimensionalen Diagramme ist das Ergebnis der Überlagerung der Parameter im Prozess der Reibung.
• Die Interaktion der vier Parametergruppen kann nur über die am Kraftübertragungsprozess beteiligten Mechanismen interpretiert werden."

Wie sieht's in der Praxis aus

Und nun meine Interpretation des Verhaltens:
Während der normalen Fahrt bewegt man sich immer im steilen Anstieg der Schlupfkurve. Der Reifen baut genau soviel Schlupf auf, wie er für die Kraftübertragung an Reibung benötigt. Möchte man z.B. in 4 Sekunden von 0 auf 100km/h beschleunigen, so benötigt der Reifen eine Reibung von 0,7. Er wird daher auf trockenem Asphalt etwa 4% Schlupf haben, auf Kopfsteinpflaster jedoch rund 12%. Obwohl in beiden Fällen das Reibmaximum noch nicht überschritten ist, wird man als Fahrer auf dem Kopfsteinpflaster ein schmierigeres Gefühl bekommen.
Möchte man nun stärker beschleunigen, bremsen oder schräger um die Kurve fahren, nähert man sich immer weiter dem Maximum der Kurve. Wenn man dieses überschreitet, schmiert der Reifen weg und "rutscht" auf der Kurve in Richtung des 100% Schlupfes. Je steiler die Kurve in diesem Bereich abfällt, desto plötzlicher und unkontrollierbarer schmiert der Reifen weg. Auf nassem Kopfsteinpflaster lassen sich die Drifts daher leichter beherrschen und die Haftgrenze erfahren, als auf nassem Asphalt. Allerdings rät die insgesamt niedrigere Haftung zu einen entsprechend vorsichtigem Umgang mit dem Gas.

Schlussbemerkung - Alle Theorie ist grau

Reifen haften nur gut, wenn sie warm sind und Bodenkontakt haben.
Wie gut der Reifen seine Betriebstemperatur erreicht, hängt im wesentlichen von den Umgebungsbedingungen und dem Luftdruck im Reifen ab.
Für den Bodenkontakt sind ebenfalls Reifenluftdruck und die korrekte Einstellung der Feder- und Dämpfungselemente  von entscheidendem Einfluss. Der Luftdruck beeinflusst nämlich stark die Dämpfungseigenschaften des Reifens.
Keine Straße ist eben! Es gibt überall und immer Wellen, denen das Rad möglichst folgen sollte. Das kann es aber nur, wenn Federung und Dämpfung korrekt abgestimmt sind.

Literatur

• Thomas Bachmann:
  "Wechselwirkung im Prozess der Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn"
  VDI-Verlag 1998, ISBN 3-18-336012-8

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Turbolader sind aus dem Rennsport nicht wegzudenken, und ihre Geschichte und Entwicklung haben einen großen Beitrag zum Motorsport geleistet. Ihr historischer Einfluss auf den Rennsport kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Mitte des 20. Jahrhunderts setzten sich Turbolader erstmals durch und sorgten für eine echte Revolution im Motorsport. Sie wurden zu einem Schlüsselfaktor für die Erhöhung der Leistung von Rennwagen, ohne deren Hubraum zu vergrößern. Dies verbesserte die Dynamik der Fahrzeuge und machte die Rennen für die Zuschauer spannender.

Einer der gsten Momente in der Geschichte der Turbolader war ihre Einführung in der Formel 1 in den 1960er Jahren. Dieser Schritt führte zu einer radikalen Steigerung der Geschwindigkeit und Leistung der Autos. Die Turboaufladung wurde zur Norm im Rennsport und die Teams begannen, um die Führung in diesem Bereich zu konkurrieren. Die technischen Fortschritte bei der Aufladung und ihrem Management ermöglichten es den Motoren, ihr Potenzial zu maximieren und auf der Rennstrecke beeindruckende Ergebnisse zu erzielen.

Mit dem technologischen Fortschritt wurden die Turbolader immer effizienter und zuverlässiger. Die heutigen Modelle sind mit fortschrittlichen Steuerungssystemen ausgestattet und werden aus hochwertigen Materialien hergestellt. Viele Autohersteller bauen Turbolader in die Rennversionen ihrer Fahrzeuge ein, um sie auf der Rennstrecke wettbewerbsfähiger zu machen.

Ein praktischer Leitfaden für den Einbau eines Turboladers beginnt mit der Auswahl des richtigen Modells unter Berücksichtigung der Besonderheiten Ihres Fahrzeugs. Einer der bekanntesten und zuverlässigsten Hersteller von Turboladern ist Garrett. Seine Modelle sind von hoher Qualität und Leistung, was sie beim Auto Enthusiasten und Rennteams beliebt macht. 

Bild von einem Garrett Turbolader bereitgestellt von autoteiledirekt.de

Nach der Auswahl eines Turboladers sollten Sie sich mit dem Einbau befassen. Dies kann eine komplexe Aufgabe sein, die Erfahrung und mechanische Kenntnisse erfordert. Ein unsachgemäßer Einbau kann zu schwerwiegenden Problemen mit dem Auto führen, daher ist es ratsam, einen Fachmann zu Rate zu ziehen oder einen qualifizierten Techniker zur Hand zu haben. Jedes Teil muss ordnungsgemäß verkabelt und fest angebracht werden, um spätere Pannen zu vermeiden.

Nach dem Einbau des Turboladers ist das Tuning der nächste wichtige Schritt. Die Optimierung des Ladedrucks, die Einstellungen des Reglers und andere Parameter müssen richtig abgestimmt werden, um maximale Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Das Tuning ist ein Prozess, der auch Wissen und Erfahrung erfordert, daher sollten Sie nicht zögern, einen Experten zu Rate zu ziehen. 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Turbolader aus der Welt des Motorsports nicht wegzudenken sind. Ihre historische Entwicklung und ihre technischen Fortschritte haben den Rennsport für die Zuschauer interessanter und spannender gemacht. Wenn Sie planen, einen Turbolader in Ihr Auto einzubauen, denken Sie daran, wie wichtig die richtige Auswahl, Installation und Abstimmung ist, um höchste Leistung und Sicherheit auf der Rennstrecke zu erreichen.