Bestimmung von Strukturmerkmalen und Materialeigenschaften von stahlfaserverstärkten Reifen mittels Röntgen- und Ultraschallverfahren

Faser- und partikelverstärkte Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch verbesserte Festigkeits- und Betriebseigenschaften im Vergleich zum unverstärkten Matrixwerkstoff aus. Das gilt auch für Reifen, bei denen unter anderem durch die Verwendung von Stahlfasern in uni- oder biaxialen Gelegen eine höhere Belastbarkeit erreicht wird. Heutzutage ist der Einsatz solcher Extra-Load-Reifen nicht mehr nur auf den LKW-Bereich beschränkt, sondern diese finden auch immer häufiger Anwendung im Marktsegment der Vans und SUVs. Da der Reifen alle äußeren Anregungen vom Boden an das Fahrzeug überträgt, spielt er bei der Gesamtsystemsimulation im Fahrzeug-Entwicklungsprozess eine entscheidende Rolle. Zur korrekten Beschreibung des Übertragungsverhaltens eingesetzte Reifenmodelle erfordern die Berücksichtigung der lokalen Eigenschaften wie Material, Geometrie und innerer Aufbau. In diesem Beitrag stellen wir Untersuchungen vor, die wir an Reifen verschiedener Hersteller mit dem Ziel einer effizienten Erfassung der Faserorientierung und der Charakterisierung der makroskopischen, zum Teil anisotropen Materialeigenschaften durchgeführt haben. Die mittels Ultraschalllaufzeit-messungen gewonnenen Informationen über die Faserorientierungen haben wir mit hochauflösenden Röntgen- und CT-Aufnahmen verglichen. Zur Bestimmung effektiver Materialparameter haben wir niederfrequente Ultraschallmessungen durchgeführt, d.h. mit im Vergleich zum Durchmesser der Stahlfasern großen Wellenlängen gearbeitet. Die so bestimmten Materialeigenschaften erlauben insbesondere den Einsatz reduzierter Strukturmodelle, die im Hinblick auf die Berechnungszeiten einen erheblichen Vorteil für die Reifen- und Fahrzeugsimulation bieten.