So lange halten ReifenReifenverschleiß unter der Lupe

Eigentlich sollte es ganz einfach sein: Man montiert einen Reifen, Modell X und fährt ihn bis an seine Verschleißgrenze. Danach montiert man das Modell Y und macht mit demselben Motorrad das gleiche. Waren es beim ersten 5000 Kilometer und beim zweiten 7000 Kilometer, weiß man, welches Modell länger hält. Oder vielleicht doch nicht?

Solche Versuche klingen zwar eindeutig, sind aber immer ein Mix aus persönlichen Erinnerungen, tatsächlichem Fahrprofil, Messungenauigkeiten und mehr Zufall, als man denkt. Der größte Trugschluss dabei ist unser Gefühl, „im Durchschnitt“ immer ungefähr auf die gleiche Art zu fahren und daher wie ein Reifenprüfstand zu funktionieren. Die Realität schaut aber fundamental anders aus und belegt, dass auch penibel geführte Reifenhaltbarkeits-Listen von Fahrern, die viele Hunderttausend Kilometer mit unterschiedlichsten Reifen abgespult haben, nur eine Sammlung von Anekdoten sind.

Die Gründe dafür sind zugleich einfach und kompliziert: Der Reifenverschleiß funktioniert nicht nach dem Prinzip „doppelte Kilometer bedeutet doppelte Abnützung“, sondern wie oft und wie stark der Reifen außerhalb seines optimalen Schlupfbereichs gefahren wird. Denn genau dort nimmt der Verschleiß extrem überproportional mit dem Schlupf zu. Schlupf entsteht nicht nur, wenn sich ein Reifen „durchdreht“ oder „blockiert“, sondern ist zu einem gewissen Prozentsatz immer vorhanden, auch dann, wenn der Reifen einfach nur gleichmäßig über die Fahrbahn rollt. Die Summe dieser Effekte während der gesamten Lebenszeit eines Reifens können wir unmöglich mit unserem persönlichen Fahrgefühl, ja nicht einmal mit bemühten täglichen Aufzeichnungen über die Fahrbedingungen nachvollziehen.

Reifenverschleiß entsteht durch Reibarbeit auf der Kontaktfläche mit der Fahrbahn: Je mehr „Mikrogleiten“ (Längs- oder Querschlupf) unter Belastung und erhöhter Temperatur, umso höher ist die lokal umgewandelte Energie und umso schneller wird Material abgenutzt. Dabei ist der entscheidende Punkt: Dieser Zusammenhang ist überproportional. Kurze Spitzen (hartes Herausbeschleunigen, ABS-Regelphasen, Bremsen an der Blockiergrenze oder ohne ABS) können sich massiv stärker auswirken als viele Kilometer gleichmäßiges Fahren. In Versuchen am Prüfstand zeigt sich, wie drastisch das ist: 5 Prozent mehr Schlupf können die Verschleißrate um 50 Prozent erhöhen!

Weil der Zusammenhang zwischen Schlupf und Verschleiß so stark nichtlinear ist, ist es eben nicht so, dass sich die Unterschiede über lange Strecken „schon irgendwie herausmitteln“.

Aber es wird noch komplizierter. Der Verschleiß wird von einem ganzen System verschiedener Faktoren jeweils unterschiedlich stark beeinflusst:

• Fahrzeug und Reifen: Antriebs- und Bremsmomente, Reifentemperatur, Reifendruck, Profiltiefe/Blocksteifigkeit, Karkasse und Mischung beeinflussen, wie schnell der Schlupf ansteigt und wie nachgiebig der Gummi arbeitet.
• Fahrdynamik: Schräglage, Kurvenradius, Geschwindigkeit und Lastwechsel durch Bremsen, Sozius oder Gepäck verändern die Achslasten und damit die Reibkraft an der Reifenauflagefläche. Mehr Seitenschlupf kann zusätzlich scherendes Mikrogleiten erzeugen.
• Elektronik: ABS und Traktionskontrolle modulieren zwar den Schlupf im Durchschnitt sehr gut, aber jeder einzelne Eingriff ist die Folge eines Mini-Schlupfereignisses. Abschalten von ABS/TCS kann den Schlupf massiv nach oben treiben.
• Fahrbahn und Umwelt: Rauigkeit, Nässe, Schmutz, Temperatur – der optimale Schlupfbereich verschiebt sich je nach Reibwertkurve. Zusätzlich sorgen wechselnde Reibzonen für eine unterschiedlich starke Streuung der Effekte.
• Fahrstil: Die Häufigkeit und Intensität von Beschleunigen und Bremsen ist in der Praxis oft der größte Streufaktor zwischen zwei Fahrten.

Die größten Unterschiede ergeben sich aus dem Fahrstil. Er ist dafür verantwortlich, dass ein und derselbe Reifen auf dem selben Motorrad entweder nach 20.000 oder schon noch 200 Kilometern verschlissen sein kann. Deshalb macht es keinen Sinn, ein bestimmtes Reifenmodell zu bevorzugen, weil es laut Hersteller oder aufgrund privater Erfahrungen angeblich zehn Prozent länger hält als ein anderes.

Hinzu kommt: Als Motorradfahrer ohne einer sehr anspruchsvollen Ausrüstung scheitert man schon an der Messung, wie stark ein Reifen tatsächlich im Vergleich zu anderen verschlissen ist. Der Blick auf die verschiedenen Messmöglichkeiten ist ernüchternd:

Profiltiefe: Eigentlich mit einer Schiebelehre leicht zu messen, aber in der Praxis zu ungenau für Verschleißvergleiche. Schon geringe Messfehler können rechnerisch große Lebensdauer-Fehler bedeuten. Real kommt noch ein unregelmäßiger, also nicht an allen Stellen gleicher Abrieb der Reifen dazu.

Reifen abwiegen: Kann sehr genau sein, verlangt aber Demontage, eine saubere Felge und bekannte Anfangsmasse. Verunreinigungen sind ein großes Problem.

3D-Scan/Fotogrammetrie: Erfasst auch Formänderungen und Schulterabtrag, ist aber teuer und sehr aufwändig.

On-board-Telemetrie: Das ist theoretisch der Königsweg: Kennzahlen wie zum Beispiel die Schlupfarbeit lassen sich damit sehr genau erfassen. Dafür sind allerdings viele Sensoren und eine hochaufwändige Datenaufbereitung notwendig.

Prüfstand (Flat-Trac/Trommel): Ist sehr gut reproduzierbar, aber nicht vollständig realistisch auf die Straße umlegbar und ohne Umwelt- und Verkehrseinflüsse.

Messfahrten auf der Straße nehmen zwar realistische Bedingungen wie wechselnden Asphalt und verschiedene Wetterverhältnisse mit, sind dafür aber wesentlich schlechter dokumentierbar und wiederholbar als Prüfstandsläufe.
Auch wenn man immer die gleiche Runde mit gleichmäßiger Geschwindigkeit (also unrealistisch) wiederholt, ändern sich Details wie Asphalttemperatur, Rauigkeit (nach Regen), Verkehr, Wind, Zuladung und minimale Variationen beim Beschleunigen und Bremsen – und damit die Schlupfereignisse. Darum liegen sogar bei kontrollierten Straßen-Vergleichsfahrten die Streuungen der Verschleißrate beim gleichen Reifenmodell bei 10 bis 25 Prozent. Das heißt, schon diese Streuung ist größer als das, was der rein konstruktive Unterschied zwischen zwei vergleichbaren Reifenmodellen überhaupt ausmachen kann.

Wer Reifen sinnvoll miteinander vergleichen will, braucht also entweder sehr viel Messtechnik (mit Aufzeichnung von Schlupf und Witterungsbedingungen) oder noch aufwändigere Paralleltests über sehr viele Kilometer (zwei baugleiche Motorräder, Fahrer wechseln). Idealerweise kombiniert man das mit vielen Prüfstandsläufen. Genau diesen Mix beschreiten auch die großen Reifenhersteller. Sie sind abgesehen von einigen Universitätsinstituten und Motorradherstellern die einzigen, die wirklich sauber feststellen können, um wieviel Prozent das Reifenmodell X länger hält als das Modell Y.

SO HÄLT DEIN REIFEN LÄNGER

- Gasgriff: Der Fahrstil hat mit großem Abstand den größten Einfluss auf die Lebensdauer der Reifen. Schon konsequente Zurückhaltung bei starken Beschleunigungsphasen, etwa aus Spitzkehren heraus, kann zusammen mit dem Vermeiden kurzer, aber intensiver Highspeed-Phasen ein paar Tausend Kilometer bringen. Mehr „Sport“ bedeutet immer deutlich mehr Verschleiß.

- Reifenluftdruck: Weniger Druck erhöht zwar die Auflagefläche, aber auch die Temperatur und Verschleißvorgänge im Wulst, den der Reifen in Fahrtrichtung über der Fahrbahn ausbildet. Zu viel Druck reduziert die Auflage, bewirkt mehr scherende Kraft auf weniger Fläche und damit mehr Verschleiß. Den Reifendruck daher immer an die Beladung anpassen (Sozius, Gepäck).

- Leichter ist besser: Leider erhöht mehr Beladung den Reifenverschleiß auch dann, wenn der Reifendruck angepasst wird. Der korrekte Druck reduziert zwar zusätzlichen Verschleiß, kann aber die höhere Radlast, die größeren zu übertragenden Kräfte und die damit steigende Reibungs- und Verformungsarbeit nicht ganz kompensieren. Wer die Wahl hat, fährt also besser solo und ohne Gepäck.

- ABS, TCS: Ein Abschalten bringt vielleicht mehr Fahrspaß, erhöht aber garantiert den Verschleiß.

- Entweder mehr Grip oder weniger Verschleiß: Reifen mit besonders hohem Grip beruhen auf weicheren Mischungen und stärkerer mikroskopischer Anpassung an den Asphalt. Das verbessert die Haftung, führt aber auch dazu, dass der Reifen stärker walkt, heißer wird und sich schneller abnutzt. Mehr Grip bedeutet aber auch mehr Fahrsicherheit. Und die ist sicher wichtiger als die Lebensdauer der Reifen.

Im folgenden Interview berichtet Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Cornelia Lex über das Verschleißverhalten von Reifen. Sie leitet das Institut für Fahrzeugtechnik der TU Graz. Gemeinsam mit ihrem Team beschäftigt sie sich in Projekten wie TIRES-Sim, Tracer, TIRES und NexT fundiert mit dem Verschleißverhalten von Reifen und den dabei entstehenden Partikeln.

Frau Prof. Lex, was ist an der Frage "Wie lange hält der Reifen X auf meinem Motorrad?" aus physikalischer Sicht problematisch?

Selbst unter sehr kontrollierten Bedingungen ist es schwierig, Reifenverschleiß sehr reproduzierbar hinzubekommen - sowohl auf Prüfständen wie auch im Fahrversuch. Dabei werden dort Bedingungen stark eingeschränkt. Bei Privatfahrten werden diese üblicherweise nicht so bewusst wahrgenommen. Das gilt grundsätzlich von der Physik auch für Motorradreifen, wobei die hohen Schräglagen sowie der Fahrereinfluss dort noch mehr Gewicht haben werden. Zusätzlich zum Fahrereinfluss spielt verglichen zum PKW vermutlich auch die höhere Radlastschwankung am Motorrad eine Rolle. Auch, wenn einiges über Gummiverschleiß bekannt ist, ist in der Anwendung nicht immer eindeutig, welche Verschleißmechanismen aktiv sind unter den aktuellen Bedingungen. In der Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn können mehrere Effekte mit unterschiedlichen Intensitäten an unterschiedlichen Stellen auftreten. Darum ist auch noch einiges an Forschung nötig.

Welche Kenngrößen würden Sie aus Forschungssicht als verschleißfördernder betrachten als die gefahrenen Kilometer ?

Grundsätzlich gibt es auch bei konstanter Geschwindigkeit und Geradeausfahrt mit der Zeit Verschleiß. Die Schlupfleistung setzt sich aus am Reifen wirkender Längs- und/oder Querkraft und der Gleitgeschwindigkeit im Kontakt zusammen. Je höher die sind, desto mehr Verschleiß. Schwerere Fahrzeuge haben tendentiell mehr Verschleiß, und auch das Raddrehmoment spielt eine Rolle. Es gibt etwa Studien, die zeigen, dass bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb mehr Reifenverschleiß entstehen kann, da höhere Antriebsmomente wirken.

Welche Faktoren dominieren aus heutiger Sicht den Reifenabrieb und wie stark wirken deren Wechselwirkungen?

Das ist genau die Frage, die wir im Forschungsprojekt TIRES-Sim beantworten möchten – und auch, wie wir diese Zusammenhänge mathematisch abbilden können. Aktuell sehen wir uns den Einfluss der Rauheit der Fahrbahn an, da diese bei den aktuellen Prüfmethoden und dem Großteil der Forschungsarbeiten konstant gehalten werden und deren Einfluss meist nicht separat berücksichtigt wird. Grundsätzlich ergeben sich alle physikalischen Größen am Reifen als Antwort auf die Amplitude der Last (Fahrverhalten, Streckenführung, Schlupf am Rad, Gewicht, etc.), die Temperatur (Umgebungstemperatur, Aufwärm-/ Fahrverhalten etc.) und die Anregungsfrequenz (Geschwindigkeit und Fahrbahnrauigkeit). Das heißt, alle Größen stehen zueinander in Wechselwirkung.

Wo liegen die größten methodischen Schwächen klassischer Alltagsvergleiche auf der Straße – auch dann, wenn Fahrer glauben, "immer gleich" zu fahren?

Auch wenn es sich gleich anfühlt, können in dem beim Abrollen entstehenden Wulst zwischen Reifen und Fahrbahn unterschiedliche Effekte auftreten, etwa abhängig von der Temperatur. Auch die Vorgeschichte des Reifens spielt eine Rolle, denn Gummi hat ein Gedächtnis. Gab es z.B. ein starkes Bremsevent, kann das unsichtbare Auswirkungen auf die Lauffläche haben. Diese Vorschädigung beeinflusst das weitere Verschleißverhalten. Bei unseren Convoy-Fahrtests wird immer mitgemessen, welche Geschwindigkeit und welche Beschleunigungen auftreten – genau wie die Umgebungstemperatur. Sobald dort die definierten Bedingungen übertreten werden, gibt es auch Warnungen. Dort verlässt man sich nicht auf das Gefühl der sehr gut trainierten Testfahrer.

Im Projekt TIRES wird an realistischen Testverfahren und an Partikelmessungen gearbeitet. Warum ist der Masseverlust beim Verschleiß für die Praxis der Reifenbewertung wichtig?

Masseverlust ist ein wichtiger Wert aus Konsumentensicht (Wie verschleißfest ist mein Reifen generell?) sowie ein wichtiger Punkt aus Sicht der Mikroplastik-Belastung in der Umwelt. Es gibt mehrere Studien, die den Reifen als eine der größten Einzelquellen für Mikroplastik identifizieren. Beim Masseverlust gibt es schon konkrete Ansätze für Prüfmethoden, die schon in den kommenden Jahren Einzug über das EU Reifenlabel finden können, zumindest für PKW. Auch wenn diese Partikel nicht toxisch sein müssen, können sie sich im Körper ablagern und Einfluss auf die Gesundheit haben.

Welche Besonderheiten machen die Übertragung allgemeiner Abriebmodelle auf Motorradreifen besonders anspruchsvoll?

In der Forschung geht man noch etwas stiefmütterlich mit Motorradreifen um. Es gibt noch wenig Überlegungen, welche Fahrzyklen für die Bewertung von Reifenverschleiß am Motorrad realitätsnah sind. Die Ergebnisse vom PKW sind nicht direkt übertragbar, weil sich einerseits Laufflächenmischungen und Unterbau vom Reifen unterscheiden, andererseits auch die Schwankungsbreite im Fahrverhalten größer erwartet wird als bei PKW-Fahrern. Für einen standardisierten Test muss man sich darauf einigen, was das „typische Fahrprofil“ ist.