Experteninterview Wie Simulation die Reifenentwicklung verändert

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Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

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Virtuelle Fahrzeugentwicklung ist Standard – bei Reifen war sie lange eine Herausforderung. In einem Experteninterview erläutern Dr. Manfred Bäcker und Dr.-Ing. Christoph Burkhart vom Fraunhofer ITWM, wie die Reifenmodellierungssoftware CDTire realitätsnahe Simulation ermöglicht, Entwicklungsprozesse beschleunigt, Kosten senkt und reale Testfahrten zunehmend in den Simulator verlagert.

Bevor ein Auto vom Band rollt, testen die Hersteller die Fahrzeug-Designs virtuell. Besonders schwierig ist die Simulation der Reifen, weil sie beim Fahren durch Schlaglöcher und über Bodenwellen extrem beansprucht werden. Mit der Reifenmodellierungs-Software CDTire bieten Fraunhofer-Forscher ein Simulationswerkzeug an, das Räder realitätsnah darstellt und die Automobilindustrie in zahlreichen Analyseszenarien unterstützt. Wie die neue Software außerdem hilft, Kosten zu sparen und aufwändige Testfahrten von der Versuchsstrecke in den Fahrzeugsimulator zu verlegen, erklären Dr. Manfred Bäcker und Dr.-Ing. Christoph Burkhart vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM.

Warum stellt die Simulation von Reifen eine so große Herausforderung dar?

Dr. Manfred Bäcker: Weil Reifen sich komplex und nichtlinear verhalten. Beim Fahren entsteht Wärme, die die Eigenschaften der Reifen verändert, was eine präzise und gleichzeitig schnelle Berechnung schwierig macht. Daher bedarf es hochentwickelter Modelle, die sowohl die thermischen Effekte als auch die nichtlineare Dynamik des Reifens auf der Straße berücksichtigen, was eine rechenintensive Aufgabe darstellt.

Wie gelingt es Ihnen, eine gute Balance zwischen Rechenzeit und Genauigkeit zu erreichen?

Dr.-Ing Christoph Burkhart: CDTire ist eigentlich eine Familie von Reifenmodellen mit unterschiedlicher Modellierung von Gürtel, Seitenwand und Lauffläche, um für verschiedene Anwendungen eine optimale Mischung aus Genauigkeit und rechnerischem Aufwand anzubieten. Ziel ist die realitätsnahe Abbildung bei gleichzeitig schneller Berechnung. Das umfasst auch Echtzeitmodelle.

Wie treibt CDTire die virtuelle Reifenentwicklung voran?

Bäcker: In der Automobilindustrie werden Reifenmodelle in Fahrzeugsimulationen integriert, um das Fahrverhalten virtuell zu testen und zu optimieren. Diese Simulationen berücksichtigen komplexe Faktoren wie Wärmeentwicklung, Reifenverformung und Materialeigenschaften, die sich auf das Fahrverhalten auswirken. 

Fahrzeughersteller nutzen Reifenmodelle, um im Entwicklungsprozess früh Aussagen über Komfort, Betriebsfestigkeit und fahrdynamische Eigenschaften eines Entwicklungsstandes zu erhalten. Diese Reifenmodelle waren anfangs, etwa vor 15 Jahren, noch sehr reduziert, während Reifenhersteller schon damals ausgefeilte Reifenmodelle verwendeten, die aber wegen ihres hohen Rechenzeitbedarfs in der Gesamtfahrzeug-Simulation nicht anwendbar waren. Mit CDTire konnten wir die Brücke zwischen Reifen- und Automobilherstellern schlagen. Unser Tool fungiert quasi als Austauschformat zwischen beiden Industrien. Die Reifenindustrie nutzt es in der Vorentwicklung, die Automobilindustrie im Gesamtfahrzeugkontext. Anpassungen für OE-Reifen (Original-Equipment-Reifen), die speziell für die Erstausrüstung eines Fahrzeugs entwickelt werden, lassen sich mit CDTire sehr schnell umsetzen.

CDTire ist also ein häufig verwendetes Reifenmodell geworden?

Bäcker: Ja, fast alle namhaften Fahrzeug- und Reifenhersteller zählen zu unseren Kunden. Da CDTire virtuelle Testfahrten in Fahrzeugsimulatoren erlaubt, sparen sich die Unternehmen in der Entwicklungsphase aufwändige reale Testfahrten und die Produktion teurer prototypischer Reifen. Je nach Anwendung lassen sich unsere Reifenmodelle, die in Echtzeit rechnen, in den Simulator einklinken. Mit unserer Entwicklung haben wir den Schritt weg von der Teststrecke hin zum Fahrzeugsimulator ermöglicht. Unser Ziel ist es, die Bewertung eines Reifens primär durch professionelle Testfahrende am Fahrzeugsimulator durch virtuelle Reifen- und Fahrzeugprototypen zu erledigen, damit idealerweise nur noch die Endabnahme des Prototyps auf der realen Teststrecke erfolgen muss.

Mit CDTire können Sie den kompletten Entwicklungsprozess der Reifen abbilden. Wie geht das?

Dr.-Ing Christoph Burkhart: Mit CDTire erhalten Entwicklungsingenieure ein Reifenmodell für fast alle Analyseszenarien. Unser besonderes Augenmerk auf die Gürteldynamik und Interaktion mit 3D-Fahrbahnoberflächen erlaubt eine gute Vorhersagegenauigkeit, auch deutlich außerhalb des Bereichs, der im Rahmen von Messungen zur Bedatung des Modells abgedeckt wird. Während der Reifensimulation werden die Radnabenkräfte und -momente auf jedes Rad, sowie die Kontaktkräfte auf die Fahrbahn berechnet.

Welche besonderen Erweiterungen bzw. Funktionalitäten bietet die aktuelle Version der Software?

Bäcker: Mit CDTire/3D haben wir eine Art Multi-Physics-Tool geschaffen, das z.B. die Temperaturentstehung und -entwicklung und durch die Integration eines dynamischen Innenluftmodells auch die Innenluft des Reifens simulieren kann sowie seit neustem auch den Abrieb. Die Innenluftschwingungen übertragen sich über die Karosserie auf den Fahrzeuginnenraum, was zur Vibration von Lenkrad und Armaturenbrett führt und das Komfortempfinden der Fahrzeuginsassen beeinträchtigt – sie sind vor allem aber auch akustisch wahrnehmbar. Insbesondere in Elektrofahrzeugen werden die Schwingungen als störend wahrgenommen. Darüber hinaus können wir mithilfe unseres neuen flexiblen Felgenmodells den Reifen in Kombination mit der Felge als Gesamtrad bewerten, was den Modellbereich und die Möglichkeiten deutlich erweitert.

Inwiefern spielen Ihre Simulationen auch für die Reichweite von E-Fahrzeugen eine Rolle?

Burkhart: Mit CDTire sind wir jetzt auch in der Lage, den Rollwiderstand präzise zu simulieren und unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen vorherzusagen. Der Rollwiderstand von Reifen ist die Folge von Energieverlusten. Er ist Teil des EU-Reifenlabels, das ihn in Effizienzklassen von A bis E einteilt. Ein geringerer Rollwiderstand verbessert den Kraftstoffverbrauch und dementsprechend auch die Energieeffizienz. Die Praxis sieht jedoch anders aus, wodurch die Effizienzklassen im Alltag durch viele Kurzstrecken mit kalten Reifen nicht erreichbar sind. Gerade für E-Fahrzeuge ist dies jedoch von Bedeutung, da es die Reichweite beeinflusst. Wir haben CDTire so weiterentwickelt, dass es nun auch innere Reibungsverluste berücksichtigt. Durch Kopplung der inneren Reibung mit dem Temperaturmodell ist eine realitätsnahe Simulation des Rollwiderstands möglich.

Zum Abschluss noch eine Frage. Wollen Sie mit Ihrer Technologie den Transfer in die Wirtschaft wagen?

Bäcker: Ja, 2026 gehen wir in Kaiserslautern mit unserer Ausgründung Virtual Tire Technologies (VTT) an den Start. Wir werden aber weiterhin mit dem Fraunhofer ITWM zusammenarbeiten und in engem Austausch bleiben.

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