a. Die Antriebskraft eines Rades

Newtonsches Gesetz

1. Gesetz: Ein Objekt, auf das keine resultierende Kraft wirkt, befindet sich in Ruhe oder bewegt sich linear mit konstanter Geschwindigkeit.
2. Gesetz: Die Geschwindigkeitsänderung ist direkt proportional zur resultierenden Kraft und folgt der Geraden, in der die Kraft wirkt.
3. Gesetz: Aktion ist Reaktion.

Antriebskraft

• Die Antriebskraft wird gewonnen, indem das Drehmoment eines Motors über einen Antriebsstrang auf die Achse des Rades übertragen wird.
• Diese Antriebskraft muss nun auch auf die “##Schiene” übertragen werden. Dies kann z.B. der Boden, eine Schiene oder eine Trommel sein.
• Um die Antriebskraft übertragen zu können, brauchen wir Grip.

b. Griff & Reibungskraft

Reibung

• Damit ein Gegenstand gleiten kann, muss eine Kraft aufgebaut werden. Sobald es eine Bewegung gibt, wird weniger Kraft benötigt, um die Bewegung aufrechtzuerhalten.
• Dieses Phänomen wird durch die Reibung zwischen dem Boden und dem Gegenstand verursacht. Solange ein Höchstwert nicht überschritten wird, bleibt der Gegenstand an seinem Platz und es herrscht Haftreibung. Sobald es zu einer Bewegung kommt, spricht man von Gleitreibung.
• Das Verhältnis zwischen der Zugkraft und der Normalkraft ist der Reibungskoeffizient.
• Die Art der aufeinander gleitenden Materialien (PUR, Metall, Beton, …) und ihr Zustand (glatt, rau, geschliffen, gestrahlt, Temperatur…) bestimmen, wie viel Reibung entsteht. Nässe, Öl, Fett, Staub oder Sand verändern die Reibung.

Griffigkeit

• Grip ist die Reaktionskraft, die wir beim Beschleunigen, Bremsen oder Lenken erzeugen. Diese Aktion verursacht Schlupf auf der Kontaktfläche. Grip ist die Reibungskraft (Reaktion), die das Rutschen verhindert (Aktion). Ohne Schlupf gibt es keinen Grip! Die maximale Haftung wird bei etwa 10 Schlupfzuständen erreicht.

Grip und Schlupf wissenschaftlich untermauert

Die Geschwindigkeit in der Kontaktfläche eines Rades ist gleich Null, solange nicht beschleunigt, gebremst oder gelenkt wird. Durch diesen Vorgang entsteht eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Rades und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Dies ist der Schlupf.

Durch den Schlupf wird Haftung erzeugt.

Die Haftung wird durch 2 Phänomene bestimmt, bei denen die viskoelastischen Eigenschaften eines Elastomers eine große Rolle spielen. Diese viskoelastischen Eigenschaften werden in eine Parallelschaltung aus einer Feder und einem Dämpfer umgesetzt, wobei die Feder für die Elastizität und der Dämpfer für die Hystereseverluste verantwortlich ist. Infolgedessen wirken Kraft und Verformung nicht in Phase.

Weitere Informationen finden Sie in der Animation : Eigenschaften von Vulkollan - Rückstoß

a. Mechanische Haftung

Wenn das Elastomer über eine Ausbuchtung in der “Fahrbahn” gleitet, ist die Verformung links und rechts der Ausbuchtung aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften des Elastomers unterschiedlich. Dadurch entsteht eine resultierende Kraft. Die tangentiale Komponente dieser Kraft sorgt für Grip. Es ist wichtig zu wissen, dass diese Kraft durch die Gleitbewegung an der Kontaktfläche erzeugt wird!

Die Rauheit der “Fahrbahn” variiert von Mikrometer- bis Zentimeterebene. Die Rauheit ist der Grund, warum das Elastomer lokal verformt wird.

Das Phänomen der Griffigkeit wird durch die Wahl eines Materials mit hohen Hystereseverlusten (oder einem niedrigen % Rückprall) maximiert.

b. Molekulare Adhäsion

Molekulare Adhäsion ist ein Phänomen, das auf Nanometerebene funktioniert und einen wesentlichen Teil der Haftung ausmachen kann.

Wenn das Elastomer die "Spur" berührt, werden aufgrund der Vander-Waals-Kräfte Verbindungen hergestellt. Wenn das Elastomer über die Oberfläche gleitet, werden diese Verbindungen gedehnt und wieder gelöst, um im weiteren Verlauf neue Verbindungen herzustellen. Aufgrund des viskoelastischen Verhaltens des Elastomers wird eine resultierende Kraft erzeugt. Die tangentiale Komponente dieser resultierenden Kraft erzeugt Griffigkeit.

Auch hier ist es wichtig zu beachten, dass diese Kraft durch den Schlupf in der Kontaktfläche erzeugt wird. Die Art des Elastomers, die Temperatur und die Geschwindigkeit des Schlupfes beeinflussen die molekulare Haftung. Um Adhäsion zu erreichen, muss ein Kontakt bestehen. Eine höhere Belastung des Rades sorgt für mehr Kontakt und beeinflusst somit die Haftung. Der Einfluss von Wasser in der Kontaktfläche ist für dieses Phänomen von großer Bedeutung, während die Rauheit weiterhin für Haftung sorgt.

Wenn jedoch die gesamte Rauheit untergetaucht ist, sind Kontakt und Verformung nicht mehr möglich und die gesamte Haftung geht verloren. Dies wird als Aquaplaning bezeichnet.
Inzwischen haben wir verstanden, dass es einen (Mikro-)Schlupf in der Kontaktfläche geben muss, wenn wir Haftung erzeugen wollen. Nur ein Rad, das angetrieben, gebremst oder gelenkt wird, hat diesen Schlupf!

Bei einem Rad eines Fahrzeugs, das sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ist die momentane Geschwindigkeit am Kontaktpunkt gleich Null. Die vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke ist gleich der vom Rad abgerollten Strecke.

Wenn wir bremsen, beginnt sich das Rad langsamer zu drehen, wodurch sich die abgerollte Strecke verringert und ein gewisser Schlupf entsteht. Dieser Schlupf erzeugt Grip und damit eine Gegenkraft, die das Fahrzeug abbremst. Beim Beschleunigen vergrößert sich der Abrollweg und es entsteht wieder Schlupf, der eine Reaktionskraft erzeugt, die das Fahrzeug beschleunigt. Auch die Lenkung erzeugt durch den (Mikro-)Schlupf solche Reaktionskräfte. Die Funktionsweise eines Rades ist also mit 2 Paradoxien behaftet: 1. um ein Schleudern zu vermeiden, muss es Schlupf geben. 2. Bei einer konstanten Geschwindigkeit eines Fahrzeugs ist die Geschwindigkeit in der Kontaktfläche gleich Null.

c. Schlupf

• Die Griffigkeit ist kein konstanter Wert.
• Er hängt unter anderem vom Radschlupf ab. Der maximale Reibungskoeffizient wird bei einem Schlupf zwischen 5 und 15 % erreicht.
• Wenn wir stark bremsen, steigt die Haftung bis zum Maximum an.
• Blockieren wir das Rad, dann sinkt die Haftung auf ein niedrigeres Niveau und wir beginnen zu schlupfen.
• Beim starken Beschleunigen bauen wir ebenfalls zunächst Haftung auf, bis wir bei ca. 10 % Schlupf das Maximum erreichen.

Da wir nun die Komplexität des Fahrens, Bremsens und Lenkens besser verstehen, können wir dies auf die Zusammensetzung des Rades anwenden, das die erforderlichen Leistungen erbringt. Auch hier sind wir mit einigen Widersprüchen konfrontiert, die Kompromisse unumgänglich machen.

Wir haben gelernt, dass ein Elastomer mit hohen Hystereseverlusten einen guten Grip erzeugt. Andererseits führen dieselben Hystereseverluste zu einem Anstieg der Temperatur und des Rollwiderstands des Rades, was sich direkt auf die Leistung, den Verschleiß und die Lebensdauer auswirkt.

a. Rechte Lauffläche

1. ^Vulkollan© bietet jedoch einen perfekten Kompromiss zwischen Rollwiderstand und ausreichendem Grip. Die weichen Qualitäten von ^Vulkollan© (VK75 und VK80) bieten auch unter feuchten Bedingungen ausreichend Grip, da diese Versionen die Unebenheiten des Bodens besser annehmen.
2. Bei Aquaplaning können jedoch nur profilierte Reifen eine zuverlässige Lösung bieten. Die Erhöhung des Anpressdrucks kann in manchen Fällen eine Lösung bieten, wenn der Wasserfilm weggedrückt und durchbrochen wird.
3. Gummireifen weisen in der Regel höhere Griffigkeitswerte auf als Polyurethanreifen. Die Gründe dafür sind die geringeren Härtegrade, mit denen Gummis verwendet werden, und die naturgemäß höheren molekularen Haftkräfte. Die Nachteile von Gummirädern sind die deutlich geringeren Tragfähigkeiten und damit die Notwendigkeit, das Rad viel größer zu machen, um die gleiche Tragfähigkeit wie bei Rädern aus Polyurethan zu erreichen.

b. Reibungskoeffizient

Bestimmung des Reibungskoeffizienten

In der Praxis ist die erforderliche Antriebskraft in der Regel bekannt. Um den richtigen Radtyp zu bestimmen, muss nur noch der Reibungskoeffizient berechnet werden. Dabei sind auch die Geschwindigkeit und die Einsatzzeit des Geräts zu berücksichtigen. Für einen Vergleich des Reibungskoeffizienten von ^Vulkollan© mit anderen Materialien hat Vulkoprin experimentell folgende Richtwerte ermittelt:

c. Übertragung der Antriebskraft

Um die Antriebskraft des Motors auf das Rad zu übertragen, darf sich das Rad nicht auf der Antriebsachse drehen können. Die folgenden gängigen Montagemöglichkeiten werden verwendet:

1. Passfederverbindung:
   - Achsen mit der Toleranz h6 oder h9 werden mit einer versenkten Passfeder DIN 6885 versehen.
   - Die Bohrung des Rades mit einer Toleranz von H7 ist mit einer Passfedernut versehen. Bei gleichbleibender Fahrtrichtung wird eine JS9-Toleranz gewählt. Bei häufigem Wechsel der Fahrtrichtung wird eine P9-Toleranz gewählt.
2. Verbindung mit der Spannbuchse:
   Das Rad wird mit Hilfe einer Klemmbuchse an der Achse befestigt. Diese Verbindung sorgt sowohl für die axiale Sicherung als auch für die Übertragung der Antriebskräfte. Die Anschaffung einer Klemmbuchse ist zwar teurer, bietet aber viele Vorteile, vor allem bei der Montage und Demontage.
3. Flanschverbindung:
   Das Rad wird mittels eines Flansches mit Schraubenlöchern an der Antriebsachse befestigt. Diese Verbindung wird üblicherweise verwendet, wenn das Rad an einem Wellenende eines Fahrzeugs befestigt ist. Diese Anwendung ist bei Antriebsrädern von Gabelstaplern zu finden.

d. Andere Elemente

• Eine dünne Elastomerschicht erhöht die Tragfähigkeit des Rades, ist aber nachteilig für die Antriebsanwendungen. Eine dicke Elast omerschicht führt zu einer größeren Kontaktfläche und damit zu mehr Grip.
• Der maximale Reibungskoeffizient ist relativ unabhängig von der Härte eines Elastomertyps.
• Ein Elastomer mit hohen Hystereseverlusten ist günstig für eine gute Haftung, aber sehr nachteilig für den Rollwiderstand und die Temperaturerhöhung des Rades. ^Vulkollan© bietet jedoch einen sehr guten Kompromiss.
• Materialien, die für Achterbahnanwendungen verwendet werden, sind im Allgemeinen für Antriebsanwendungen weniger gut geeignet als ^{Standard-Vulkollan©}, da ihre Hystereseverluste viel geringer sind.
• Im Allgemeinen hat der Zustand der "Schiene" den größten Einfluss auf die Griffigkeit.
• Kondenswasser, Fett und Schmutz verringern die Haftung erheblich.
• Ein flaches Profil ist günstiger als ein leicht profiliertes Profil.
• Wenn eine Schiene verwendet wird, muss sie mindestens 10 % breiter als die Lauffläche des Rades sein.
• Sanftanlasser können viele Antriebsprobleme lösen und die Lebensdauer der Räder verlängern.

Es liegt in der Verantwortung des Herstellers, das richtige Rad unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren zu konfigurieren. Vulkoprin verfügt über viel Erfahrung und ist mit einem modernen Trommeltester ausgestattet, um Simulationen und Tests durchzuführen. Wenden Sie sich an das Team von Vulkoprin Wheel, um eine genaue Analyse zu erhalten.