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Reifenrollgeräusche - Strömungs- und Druckschwankungen im Bereich der Aufstandsfläche

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Das Reifenrollgeräusch wird im zunehmenden Maße zur wichtigsten Verkehrslärmkomponente, da die Antriebsgeräusche der Kraftfahrzeuge immer wirksamer bekämpft werden.
Der Reifenlärm entsteht hauptsächlich am Rand der Kontaktfläche zwischen Reifen und Straße. Während ein ideal glatter Reifen auf glatter Fahrbahn praktisch geräuschlos abrollt, erzeugen Abweichungen von diesem stationären Rollvorgang Schall. Ganz allgemein sind Ungleichmäßigkeiten bei der Luftverdrängung durch den rollenden Reifen die Lärmursache. Nach der sog. Air-Pumping-Theorie entsteht der Schall hauptsächlich durch die Luftverdrängung
aus Hohlräumen, z.B. indem beim Aufsetzen des Reifens die Hohlräume im Reifenprofil zusammengedrückt und beim Abheben wieder aufgeweitet werden. Nach einer anderen Theorie entsteht der Lärm besonders durch Schwingungen der Reifenoberfläche,
z.B. beim Auftreffen auf ein Hindernis oder beim Ausschnappen von Profilklötzen.
Untersuchungen sollen Aufschluß geben, welche dieser Theorien zutrifft. Beobachten wir einmal die Reifenkontaktfläche beim Abrollen auf der Fahrbahn und die dabei verursachten Strömungen. In einem Modellversuch wählen wir als Strömungsmedium Wasser.
Im Wasser lassen sich die Strömungen mit Hilfe von Schwebeteilchen problemloser als in Luft sichtbar machen. Wir beobachten den Rollvorgang durch eine im Boden des Versuchskanals eingelassene Glasscheibe
und einen darunter aufgestellten Spiegel.
Um mit angemessenem technischen Aufwand eine ausreichende zeitliche Auflösung zu erhalten, wird die Untersuchung bei kleinen Rollgeschwindigkeiten durchgeführt.
Es sind hier ungefähr 1/2 m/s. Dies entspricht unter gewissen Einschränkungen 30 km/h in Luft. Ein Serienreifen rollt über die Glasscheibe. Man sieht, wie das Profil in der Kontaktfläche zusammenschrumpft.
Mit 17facher Zeitdehnung werden Einzelheiten deutlich. Zum Vermessen der Aufstandsfläche ist ein Maßstab an der Radführung befestigt. Jetzt kommt er ins Bild. In den seitlichen Querrillen zeigen die Teilchen starke instationäre Strömungen an.
Vor der Kontaktfläche werden schnelle Auswärtsströmungen in Gang gesetzt,
die plötzlich stoppen, wenn die Querrillen auf die Fahrbahn aufsetzen.
Hinter der Kontaktfläche wird beim Abheben des Reifens das Strömungsmedium in die Rillen eingesaugt. Es geht deutlich langsamer.
Nach der Air-Pumping-Theorie erwartet man jedoch, daß der Pumpprozeß im Ein- und Auslauf gleichschnell verläuft.
Im folgenden Experiment wird gezeigt, daß diese Strömungsunsymmetrie
zwischen dem Aufsetzen und dem Abheben des Reifens nicht durch die Pumpbewegung des Profils erzeugt wird; sie ist bereits bei einem glatten Reifen, der stationär umströmt wird, vorhanden. Der für diesen Versuch speziell angefertigte profillose Reifen angefertigte profillose Reifen hat den gleichen inneren Aufbau wie ein
Unebenheiten auf der Lauffläche wurden abgeschliffen. Unmittelbar vor dem rollenden Reifen strömt das Medium mit hoher Geschwindigkeit zur Seite.
An den Ecken der Kontaktfläche reißt die Strömung ab und folgt nicht der seitlichen Reifenkontur.
Deshalb kann hinter der Kontaktfläche das Medium nicht mehr von der Seite her eingesaugt werden. Ein Beobachter, der sich mit der Reifen-Aufstandsfläche mitbewegt, sieht die Umströmung der Aufstandsfläche wie die Umströmung eines festen Hindernisses.
Vor der Aufstandsfläche bildet sich zwischen Reifen und Fahrbahn ein keilförmiger Zwischenraum.
Das in diesen Raum einströmende Medium muß wegen der keilförmigen Verengung frühzeitig zur Seite ausweichen. Dabei werden Geschwindigkeiten erreicht, die doppelt so groß sind wie die Anströmungsgeschwindigkeit. Beim seitlichen Ausstoß aus dem keilförmigen Zwischenraum reißt die Strömung ab und folgt nicht mehr der seitlichen Reifenkontur. Die dabei entstehende Verwirbelung setzt sich bis ins Totwasser hinter der Aufstandsfläche fort.
Nun wird die Umströmung der Kontaktfläche durch eine Fahrbahnunebenheit gestört. Dazu sind zwei zusammenhängende Schwellen auf der Fahrbahn aufgeklebt. Die Teilchen in der Rille zwischen den Schwellen werden wie bei der glatten Fahrbahn zur Seite gedrängt
und abrupt gestoppt, wenn der Reifen den Raum zwischen den Schwellen abschließt.
Der Einsaugprozeß beim Abheben des Reifens ist wieder deutlich langsamer. Besonders stark ausgeprägt ist die Beschleunigung der seitlichen Strömung und ihre plötzliche Abbremsung
vor der ersten und hinter der letzten Schwellenkante. An diesen Stellen wird der gleichmäßige Rollvorgang stark gestört.
Der genaue Ablauf dieser Störungen wird anhand von Druckmessungen in realen Reifenabrollversuchen geklärt.
Dazu rollte ein PKW mit profillosen Reifen bei 80 km/h über die hier überhöht dargestellten Schwellen und eingebauten Mikrophone A, B, C.
Beim Überrollen werden durch die Mikrophone diese zeitlichen Luftdruckverläufe registriert. An der vom Mikrophon A aufgenommenen Druckkurve interessieren besonders drei charakteristische Ereignisse. In Position 1 ist der Reifen nur noch wenige Millimeter von der Kante der ersten Schwelle entfernt. Der Luftstau vor der Schwelle führt zu diesem Zeitpunkt t1 zu einer Überdruckspitze und entsprechend starker seitlicher Strömungsbeschleunigung vor der Schwelle. Kaum eine Millisekunde später schlägt bei Position 2 bzw. im Zeitpunkt t2 die Reifenoberfläche auf die Schwellenkante auf. Die resultierende Einwärtsbeschleunigung der Reifenoberfläche verursacht eine tiefe Unterdruckspitze. Dadurch wird in dem keilförmigen Hohlraum zwischen Reifen und Fahrbahn die eingeschlossene Luft in Schwingungen versetzt. In Position 3 hebt der Reifen vom Boden vor der Schwelle ab. Kurz davor weitet sich der Querschnitt des keilförmigen Hohlraums. Beim Öffnen des Hohlraums wirft der resultierende Unterdruck eine sog. Helmholtz-Resonanz an. Diese Resonanzschwingung ist hier nur schwach zu erkennen. In allen 3 Positionen sind die großen Luftdruckschwankungen durch den nichtstationären Rollvorgang verursacht. Das beweist der Druckverlauf bei glatter Fahrbahn und glattem Reifen.
Er wird nur noch durch den geringen Staudruck der stationären Strömung bestimmt.
Die Druckverläufe an den Mikrophonen B und C lassen sich ähnlich erklären. Am Mikrophon B sind die Druckschwankungen wesentlich kleiner, denn der Rollvorgang wird durch die Vertiefung zwischen den Schwellen weniger gestört als durch die Stufen am Anfang und Ende der Doppelschwelle. Für das Aufsetzen des Reifens gilt also folgendes: Die Unterdruckspitze beim Abbremsen der Lauffläche ist größer als der Überdruck durch die Luftverdrängung. Also hat der Air-Pumping-Effekt beim Aufsetzen nur zweitrangige Bedeutung. Beim Abheben des Reifens dagegen ist der Unterdruck ein reiner Air-Pumping-Effekt.
Ähnliche Strömungen und Druckverläufe wie in der Rille zwischen den Schwellen treten auch in einer in den Reifen geschnittenen Querrille auf. Es kommt jedoch ein weiterer Störfaktor hinzu. Die Rille wird beim Durchlauf durch die Kontaktfläche verformt.
Der Rillenquerschnitt verengt sich beim Aufsetzen und weitet sich beim Abheben des Reifens.
Die allmähliche Aufweitung der Rille beim Auslauf aus der Kontaktfläche bewirkt nur eine geringe seitliche Verschiebung der Schwebeteilchen.
Ein zusätzlicher Prozeß beim Aufsetzen des Reifens ist ein Verharren der Kontaktfläche an der Rille. Die Lauffläche im Rillenbereich ist nämlich etwas stärker nach außen gewölbt
und muß beim Aufsetzen der Rille erst wieder eingedrückt werden.
Die Untersuchungen haben gezeigt, daß schon bei idealisierten Straßenunebenheiten und Reifenprofilen
die schallerzeugenden Prozesse durch pauschale Theorien wie Air-Pumping und Reifenschwingungen nur ungenau beschrieben werden. Beim Einlauf in die Kontaktzone führen unterschiedliche Ursachen zur ungleichmäßigen Abbremsung der Reifenoberfläche.
Eine eindeutige Zuordnung zu einer der beiden Theorien ist nicht möglich. Nur der Überdruckstoß vor dem Aufsetzen kann als Air-Pumping bezeichnet werden. Beim Abheben des Reifens wird entsprechend der Air-Pumping-Theorie das Nahfeld weitgehend durch plötzliche Vergrößerungen der Hohlräume bestimmt. Wenn man die Mechanismen der Schallabstrahlung einbezieht, kann man aus dem hier untersuchten Nahfeld auf das resultierende Fernfeld schließen.
Elektromagnetische Masse
Vorlesung/Konferenz
Kraftfahrzeug
Reifen
Hohlraum
Reifenprofil
Lärm
Fahrbahn
Strömung
Beobachter <Kybernetik>
Aufschluss <Chemie>
Fahrbahn
Strömung
Spiegel
Glasscheibe
Glasscheibe
Instationäre Strömung
Vermessung
Computeranimation
Gang <Uhr>
Computeranimation
Fahrbahn
Reifen
Rille
Computeranimation
Computeranimation
Geschwindigkeit
Reifen
Profil <Architektur>
Lauffläche
Karosserie
Strömung
Umströmung
Computeranimation
Strömung
Geschwindigkeit
Reifen
Technische Zeichnung
Fahrbahn
Reifen
Fahrbahnunebenheit
Umströmung
Rille
Experiment innen
Computeranimation
Fahrbahn
Strömung
Reifen
Computeranimation
Druckmessung
Nachlauf <Verfahrenstechnik>
Computeranimation
Reifen
Druckverlauf
Position
Personenkraftwagen
Hohlraum
Mikrophon
Computeranimation
Fahrbahn
Reifen
Druckverlauf
Überdruck
Lauffläche
Mikrophon
Strömung
Reifen
Druckverlauf
Rille
Vorlesung/Konferenz
Computeranimation
Aufweitung
Rille
Computeranimation
Reifen
Rille
Lauffläche
Computeranimation
Fahrbahnunebenheit
Einlaufen <Maschinenbau>
Reifenprofil
Computeranimation
Schallabstrahlung
Reifen
Fernfeld
Nahfeld
Maßstabübertragung
Computeranimation

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Reifenrollgeräusche - Strömungs- und Druckschwankungen im Bereich der Aufstandsfläche
Alternativer Titel Tyre Road Contact Noise - Variation of Flow and Pressure in Contact Zone
Autor Neuwald, Peter
Schaaf, Klaus
Ronneberger, Dirk
Lizenz Keine Open-Access-Lizenz:
Es gilt deutsches Urheberrecht. Der Film darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt, aber nicht im Internet bereitgestellt oder an Außenstehende weitergegeben werden.
DOI 10.3203/IWF/C-1503
IWF-Signatur C 1503
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1983
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Produktionsjahr 1983

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 151 m ; F, 14 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Technik
Abstract Reifenrollgeräuschtheorien: "Air Pumping", "Reifenschwingungen". Strömungsmodellversuch mit rollendem Reifen im Wasserkanal, Strömung im Bereich der Reifenaufstandsfläche (zeitgedehnt). Profilierter und glatter Reifen mit und ohne Querrille auf glatter Fahrbahn und glatter Reifen auf Fahrbahn mit Bodenschwelle. Druckmessung in realem Rollversuch: glatter Reifen auf Straße mit Bodenschwelle.
The noise of a rolling tire is conected with unsteady flow around the contact patch. The flow is made visible - and depicted in this film - by rolling a test tire through a water trough at low speeds. The observations are then related to results of pressure measurements in the area of the contact patch. The film depicts the quasi-stationary flow around a bald tire and its disruption due to a ridge in the pavement or a transverse groove in the tire, as well as the flow around a standard tire.
Schlagwörter Schwingung / Reifenschwingungen
Akustik / Reifenrollgeräusche
Reifen / Rollgeräusche
tyres / road contact noise
acoustics / road contact noise
waves

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