Vom Pneu ins Fahrzeug-Netzwerk Anforderungen an Reifen für moderne Fahrzeuge

Zukünftige Anforderungen der Schnittstelle zwischen Antriebsstrang und Straße.
Zukünftige Anforderungen der Schnittstelle zwischen Antriebsstrang und Straße.

Die Grundaufgabe der Fahrzeugbereifung ist nicht neu und dürfte auch seit der Entwicklung der ersten Räder unverändert bestehen: Der aktive Beitrag für eine möglichst sichere Fortbewegung. Doch was sind die Anforderungen an die oft unterschätzte Schnittstelle zwischen Antriebsstrang und Straße?

Autoreifen spielen bezüglich des Fahrverhaltens und -erlebnisses eine übergeordnete Rolle. Sie ermöglichen die schnelle und sichere Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs. Fahrvergnügen und Sicherheit sind das mögliche Ergebnis. Reifen müssen zudem auch die hohen Anforderungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Lebensdauer erfüllen.

Die Herausforderungen sind hoch und doch wird oft unterschätzt, welche Entwicklungen an der Schnittstelle zwischen dem Antriebsstrang und der Straße stattfinden. Trends und Innovationen führen in Zukunft zu vernetzten, intelligenten Reifen.

Extreme Betriebsbedingungen

Reifen bestehen aus bis zu 100 einzelnen Komponenten. Bei konventionellen Kraftfahrzeugen werden Reifen einer Beschleunigung von bis zu 2000 G und Betriebstemperaturen von bis zu 100 °C ausgesetzt. Die oberste Prämisse ist, den Reifendruck über sämtliche Betriebsbedingungen hinweg konstant zu halten. Beispielsweise führt eine Verringerung des Reifeninnendrucks um 0,3 bar (30 kPa) zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs um 1,5 Prozent – von den erhöhten CO2-Emissionen und dem erhöhten Reifenverschleiß ganz abgesehen. Untersuchungen zeigen auch, dass bei 40 Prozent aller Reifenschäden die Ursache ein zu niedriger Reifendruck war. Folgerichtig sind mittlerweile in vielen Ländern sogenannte Reifendruck-Messsysteme serienmäßig in allen Neufahrzeugen vorgeschrieben: seit 2008 in den USA und seit 2014 in Europa.

Laut den Automobilanalysten von Strategy Analytics wird der weltweite Markt für diese Sicherheitseinrichtung im Jahr 2022 auf jährlich 356 Millionen ausgelieferte Sensoren ansteigen. Die Einbaurate von Reifendrucksystemen in neuen Automobilen ist in den letzten Jahren stetig gestiegen und liegt nun bei nahezu 50 Prozent. Die Nachfrage steigt vor allem in Asien (hier besonders in China) rasch an.

Reifendruck-Messsysteme im Detail

Man unterscheidet zwei Arten von Reifendruck-Messsystemen:

  • indirektes Reifendruck-Messsystem (ohne Drucksensor)
  • direktes Reifendruck-Messsystem (mit Drucksensor)

Am günstigsten ist das indirekte Reifendrucksystem. Hierbei werden Raddrehzahldaten vom ABS-System des Fahrzeugs bezogen, Differenzen des Radradius analysiert und eine Änderung des Reifendrucks angenommen. Ein sich schneller drehendes Rad ist der Beweis für einen geringeren Radumfang und daher niedrigeren Reifendruck. Intelligente Algorithmen können durch diesen Ansatz heute weit mehr als nur indirekt den Reifendruck ermitteln.

Diese Intelligenz-Erweiterung erfordert auch mehr Datenverarbeitung. In der Praxis muss das System jedoch während der gesamten Lebensdauer des Kraftfahrzeugs kalibriert werden. Das System liefert konsistente und zuverlässige Warnungen, verunsichert aber auch hin und wieder den Benutzer. Die Benutzerfreundlichkeit dieser sensorlosen Reifendruck-Messsysteme wird daher eher kritisch gesehen. Es überrascht also nicht, dass die intelligenten, indirekten Systeme im Vergleich zu den sensorgestützten, direkten Systemen an Interesse verlieren. Derzeit sind weltweit weniger als 15 Prozent der Fahrzeuge mit dem indirekten Reifendruck-Messsystem ausgestattet – und der Trend ist weiter rückläufig.

Direkte Reifendrucksysteme hingegen verwenden intelligente Sensoren. Jeder Reifen wird über einen separaten Sensor (Bild 1) überwacht, der sich im Stutzen des modifizierten Ventils befindet.

Die einzelnen Reifensensoren ermöglichen so beispielsweise eine direkte Messung des Reifendrucks mit einer Genauigkeit von bis zu 5 kPa (0,05 bar). Die Daten jedes Radsensors werden per Funk an einen zentralen Controller übertragen. Die erfassten Reifeninformationen werden auf dem CAN-Bus bereitgestellt.

Der Stromverbrauch ist entscheidend

Das zur Verfügung stehende Energiebudget ist für jeden Reifendrucksensor begrenzt. Ideal wäre hier eine kontinuierliche Energieversorgung während der Fahrt. Abgesehen von den praktischen Kosten- und Größenbeschränkungen besteht auch die Notwendigkeit, den Reifenzustand bei abgestelltem Fahrzeug zu überwachen (man beachte auch den Ersatzreifen). Daher kommen heute vorrangig batteriebetriebene Systeme zum Einsatz. Eine Standard-CR2032-Lithiumzelle ist daher die bevorzugte Stromquelle, die auch den Abmessungen des Reifeninnendrucksensors gerecht wird.

Ein Sensormodul besteht aus mehreren Bauteilen:

  • Drucksensor
  • Temperatursensor
  • Beschleunigungssensor
  • Spannungssensor
  • Mikrocontroller
  • Funk-Sendegerät (je nach Komplexität)
  • Antenne
  • Batterie

Der Temperatursensor verbessert die Genauigkeit der Druckmessung. Zusätzliche Informationen werden über einen Beschleunigungssensor eingebracht, der nützliche Daten über die Haftung des Reifens und die Beschaffenheit der Straßenoberfläche bereitstellt. Die Antenne ist speziell für die stromsparende Kommunikation per Funk ausgelegt.

Das Blockschaltbild (Bild 2) des Sensormoduls zeigt die auf der Leiterplatte montierten Bauteile. Sämtliche Komponenten sind in einem Schutzgehäuse untergebracht, das anschließend im Radventil befestigt wird. Der Sensor enthält, je nach Auslegung beziehungsweise Komplexität, den Funksender oder wird mit einem separaten Sender verbunden. Damit werden die Daten an das Fahrzeug übertragen, wodurch die Reifendruckanzeige kontinuierlich aktualisiert wird.