An Integrated Tire Modeling Framework for Friction and Wear Analysis

Reifen übertragen Kräfte zwischen Fahrzeug und Straße und spielen eine entscheidende Rolle für die Fahrzeugbewegungssteuerung. Als Verschleißteile beeinflusst ihr Abnutzungsverhalten nicht nur die Betriebskosten von Fahrzeugen, sondern werfen auch Fragen hinsichtlich der Umweltbelastung auf. Die Elektrifizierung von Fahrzeugen verschärft diese Problematik zusätzlich, da das höhere Fahrzeuggewicht und die Übertragung hoher Antriebskräfte den Reifenverschleiß beschleunigen. Infolgedessen besteht ein wachsender Bedarf an Reifenmodellen, die sowohl das mechanische Verhalten als auch den Laufflächenverschleiß erfassen. ... mehrDieses Modellierungskonzept ist bislang jedoch nur unzureichend erforscht.

Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung eines Reifenmodells, das Reibungs- und Verschleißverhalten integriert. Das Modell besteht aus drei Teilmodellen zur Laufflächenreibung, zum Laufflächenverschleiß und zur Reifenkarkasse. Das Reibungsmodell basiert auf der Bürstentheorie und unterteilt das Laufflächenmaterial in viskoelastische Elemente, um lokale dynamische Zustände wie Schubspannung und Gleitgeschwindigkeit zu erfassen. Die Schubspannung wird über die Kontaktfläche integriert, um die globalen Reifenkraftkomponenten zu berechnen. Anschließend wird sie zusammen mit der Gleitgeschwindigkeit in das Verschleißmodell überführt, um die Verschleißrate zu bestimmen. Die Entwicklung der Teilmodelle für Reifenabrieb und -verschleiß basiert zunächst auf Vollgummirädern (Grosch wheels). Um diese Laufflächenmodelle auf vollskalige Reifen zu übertragen, wird ein Reifenkarkassenmodell eingeführt, das die Aufstandsfläche, die Kontaktpressungsverteilung und die Struktursteifigkeit berücksichtigt.

Alle Teilmodelle basieren auf physikalisch interpretierbaren Parametern. Durch gezieltes Ein- oder Ausschließen spezifischer Einflussgrößen wird deren Rolle für das Modellverhalten systematisch untersucht. So analysiert das Reibungsmodell den Einfluss von last- und geschwindigkeitsabhängigen Reibbeiwerten sowie der Viskoelastizität des Gummis. Das Laufflächenverschleißmodell bewertet die Genauigkeit der Verschleißvorhersage anhand verschiedener Abschätzungsformeln, sowohl unter Einbeziehung als auch ohne Einbeziehung der Laufflächentemperatur. Das Reifenkarkassen-Teilmodell vergleicht verschiedene Methoden zur Approximation der Aufstandsfläche und der Kontaktpressungsverteilung. Darüber hinaus wird im integrierten Gesamtmodell der Einfluss unterschiedlicher Steifigkeitsannahmen des Reifenkörpers auf das Reibungs- und Verschleißverhalten analysiert.

Das Modellierungsframework wird schrittweise mithilfe von Vollgummirädern und Serienreifen validiert. Erstere dienen der initialen Validierung der Reibungs- und Verschleiß-Submodelle auf Laufflächenebene ohne Karkasseneinflüsse, während letztere das Unterbaumodell und das integrierte Gesamtmodell überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Laufflächenmodelle konventionellen Ansätzen in der Abbildung von Reibung und Verschleiß überlegen sind. Auf Reifenebene erreicht das integrierte Modell eine vergleichbare Vorhersagegenauigkeit wie das etablierte Magic-Formula-Modell hinsichtlich Reifenkräften und -momenten unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen, liefert jedoch zusätzlich verlässliche Prognosen der Verschleißraten.

Insgesamt liefert diese Arbeit ein physikalisch fundiertes, modular aufgebautes Modellierungsframework zur kombinierten Beschreibung von Reibungs- und Verschleißverhalten von Reifen und schafft damit eine Grundlage für die Weiterentwicklung realistischer Reifenmodelle sowie für die Optimierung von Fahrzeugregelsystemen.

Tires transmit forces between vehicles and the road, playing a crucial role in vehicle motion control. As consumable elements, their wear behavior also affects vehicle usage costs and raises concerns about environmental pollution. The electrification of vehicles further intensifies these points, as the higher vehicle weight and the transmission of high driving forces accelerate tire wear. Consequently, there is growing demand for tire models that capture both tire mechanics and tread wear behaviors. However, this modeling perspective remains under-researched.

This thesis aims to gain knowledge on advancing tire models that integrate tire friction and wear analysis. ... mehrThe work is structured into three sub-models, including tread friction, tread wear, and tire carcass. The tread friction sub-model, based on brush theory, discretizes tread rubber into viscoelastic elements to capture tread local dynamic states such as shear stress and sliding velocity. The shear stress is first integrated over the contact area to obtain global tire forces, and then transferred into the tread wear sub-model to assess the wear rate in combination with the local sliding velocity. The development of the tread friction and wear sub-models is initially based on solid rubber wheels (Grosch wheels). To extend these tread-level models to full-size tires, the tire carcass sub-model is introduced to account for corresponding tire footprint shapes, contact pressure, and carcass compliance.

Each sub-model is formulated with physically interpretable parameters. By selectively including or excluding specific parameters, the role of corresponding effects in shaping the model's behavior is investigated. For example, the tread friction sub-model clarifies the influence of load- and velocity-dependent friction coefficients and rubber's viscoelasticity. The tread wear sub-model assesses wear rate prediction accuracy using different estimation formulas, with and without incorporating tread temperature. The tire carcass sub-model compares different footprint and contact pressure approximating methods. In the integrated full-size tire model, the influence of different carcass compliance considerations on the model's friction and wear performance is studied.

The modeling framework is validated stepwise using both solid rubber wheels and full-size tires. The former serve as initial validation of the tread-level friction and wear sub-models without carcass influences, while the latter validate the carcass sub-model and the integrated full-size tire model. Results show that the tread-level sub-models have superior accuracy in characterizing both friction and wear behaviors compared to conventional methods. At the tire level, the integrated model matches the predictive performance of the well-constructed Magic Formula tire model in tire force and moment estimation across diverse conditions, while additionally providing reliable tread wear rate predictions.

Overall, this study delivers a physically grounded and modular modeling framework that jointly characterizes tire friction and wear behaviors, laying the foundations for developing sophisticated tire models and improving vehicle control strategies.