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Aquaplaning: Anti-Aquaplaning-System AAS
AAS steht für Anti-Aquaplaning-System welches durch das Zusammenwirken von Komponenten (siehe unten) ein Aquaplaning eines Fahrzeugs auf nasser Fahrbahn verhindern kann.
Definition von Aquaplaning: (Wikipedia)
Aquaplaning (auch Wasserglätte) bezeichnet das Aufschwimmen des Reifens auf dem Wasserfilm einer nassen Fahrbahn. In diesem Fall schiebt sich ein Wasserkeil unter die Reifenaufstandsfläche und führt damit zum Verlust der Haftung (Rollreibung). Im Moment des Aquaplanings können keine Führungs- und Bremskräfte auf die Fahrbahn übertragen werden. Das Fahrzeug kann infolgedessen ins Schleudern geraten (Aquaplaning) und wird dadurch unmanövrierbar.
Einflussfaktoren für die Entstehung von Aquaplaning
Fahrzeuggeschwindigkeit: Je höher die Geschwindigkeit, umso grösser der Aufschwemmdruck an den Reifen und ein Risiko für Aquaplaning
Wassermenge auf der Fahrbahn: Je mehr Wasser auf der Fahrbahn, umso grösser der Aufschwemmdruck zwischen den Reifenprofilen und ein Verlust der Rollreibung zwischen Reifen und Fahrbahn.
Beschaffenheit der Fahrbahn: Spurrillen, Fahrbahnbelag, Bergauf- und Bergabfahrten verändern das Fahrverhalten des Fahrzeugs bei regennasser Fahrbahn wesentlich.
Reifen-Profiltiefe: Bei geringer Profiltiefe kann das Wasser auf der Fahrbahn nicht schnell genug abtransportiert werden. Der Aufschwemmdruck an den Reifen steigt und die Gefahr von Aquaplaning besteht.
Reifenbreite: Je breiter der Reifen um so grösser die Anpressfläche auf die Fahrbahn und um so grösser der Aufschwemmdruck an den Reifen = Aquaplaning.
Reifendruck: Ein niedriger Reifendruck erhöht die Anpressfläche auf der Fahrbahn.
Fahrzeuggewicht: Ein voll beladenes Fahrzeug verhält sich nicht wesentlich anders als ein unbeladenes Fahrzeug, hat jedoch eine kleine Veränderung der Anpresskraft = Normalkraft auf die Fahrbahn zur Folge.
Stand der Technik
Bei einigen Fahrzeugen kann die Eis- und Schneeglätte, wenn ein Reifen durchdreht, mittels Piktogramm im Armaturenbrett angezeigt werden. Es gibt keine optischen Hinweise die schon vor Auftreten eines Reibungsverlustes an den Reifen (Rollreibung) bei regennasser Fahrbahn angezeigt werden.
Eine Messung des Wasseraufschwemmdruckes zwischen den Reifenprofilen ist aktuell nicht beschrieben sowie eine Komponente zur kapazitiven / ohmschen Messung der Reifenprofiltiefe mittels eines abriebbaren Metallstiftes ist ebenfalls nicht beschrieben.
AAS Komponenten:
a) Systemsteuerung
b) Regensensor
c) Wasseraufschwemmdrucksensoren
d) Seitenwindsensoren
e) Reifendrucksensoren
f) Reifenprofiltiefesensoren
g) Bordcomputer
AAS im Betriebsmodus:
AAS ermöglicht ein sicheres Lenken des Fahrzeugs bei nasser Fahrbahn und verhindert das Aquaplaning. Der Wasseraufschwemmdruck zwischen dem Reifenprofil, der Reifendruck, der Seitenwindandruck an den Fahrzeugseiten und die gefahrene Geschwindigkeit, werden kontinuierlich durch Sensoren erfasst und der damit einhergehende Reibungsverlust (Verlust der Rollreibung auf nasser Fahrbahn) zwischen Reifen und Strassenoberfläche in der Systemsteuerung von AAS berechnet, sodass ein unkontrollierbares Aquaplaning des Fahrzeugs ausgeschlossen werden kann.
Ein Regensensor an der Frontscheibe des Fahrzeugs aktiviert bei einfallendem Regen die AAS-Systemsteuerung. Die AAS-Systemsteuerung aktiviert die Seitenwindsensoren an den Fahrzeugseitenflächen, die Reifenprofiltiefe-Sensoren im Reifenprofil, die Reifendruck-Sensoren und die Wasseraufschwemmdrucksensoren zwischen dem Reifenprofil.
Die AAS-Systemsteuerung kann bei nasser Fahrbahn (ohne Regen) manuell zugeschaltet werden. Dies kann sein, wenn sich ein Fahrzeug in Ruhe befindet und nach beendetem Regeneinfall auf nasser Fahrbahn in Betrieb gesetzt wird.
Die Berechnung des Reibungsverlustes der Rollreibung auf nasser Fahrbahn erfolgt in der AAS-Systemsteuerung, aus den gemessenen Werten des auftreffenden Wasserdruckes an den Reifensensoren in den Reifenprofilzwischenräumen (Wasseraufschwemmdruck) und unter Einbezug der gemessenen Werte des Reifendrucks, den gemessenen Werten des Seitenwindes an den Sensoren der Fahrzeugseitenflächen und in Abhängigkeit der gefahrenen Geschwindigkeit.
Die AAS-Systemsteuerung übermittelt dem Fahrer am Bordcomputer die berechneten Werte der Rollreibung, die gemessenen Werte des Seitenwindes, die gemessenen Werte des Reifendruckes und die aktuelle gemessene Reifenprofiltiefe .
Bei Erreichen eines kritischen Wertes der Rollreibung am Reifen, wird automatisch eine Geschwindigkeitsanpassung durch die Systemsteuerung vorgenommen. Die Vorgabe dieser Geschwindigkeitsanpassung kann nicht mehr überschritten werden.
Kurzbeschreibung der Komponenten von AAS:
Der „Regensensor“
Der AAS-Regensensor an der Frontseite des Fahrzeugs aktiviert bei beginnendem Regen die AAS Systemsteuerung. Die einfallende Regenmenge kann zugleich das Wischsystem steuern.
Hinweis:
Aktuell ist die Wisch-Anlage am Fahrzeug manuell ein- oder ausschaltbar. Der Regensensor von AAS muss jedoch unabhängig von manueller Bedienung bleiben. Er muss sich bei Regeneinfall und nur bei fahrendem Fahrzeug automatisch aktivieren. Daher wird, wenn künstlich Wasser auf den Sensor fällt, wie zum Beispiel in der Waschanlage, das AAS nicht aktiviert.
Wenn ein Fahrzeug auf regennasser Fahrbahn in Betrieb gesetzt wird, aber kein Regen fällt, kann das AAS vom Fahrzeuglenker manuell ein- und ausgeschaltet werden.
Die „Seitenwindsensoren“
Die Seitenwindsensoren, bzw. die Stellgrössen, welche hierzu benutzt werden, messen den Windandruck an den Seiten des Fahrzeugs. Die Messwerte werden als Parameter für die Errechnung der kritischen Bodenhaftung / Rollreibung bei Wind und Regen von der AAS Systemsteuerung benutzt. Dabei sind weitere Parameter wie das Gewicht des Fahrzeugs, die Reifenbeschaffenheit (Breite, Profiltiefe, Profilanordnung, Gewicht) sowie die Höhe des Fahrzeugs (Bezugsfläche) relevant. Die Parameter des Reifens wie Reifenbreite und Gewicht, können in die AAS Systemsteuerung einprogrammiert werden.
Die „Sensoren für die Reifen-Profiltiefe“
Der Reifensensor für die Profiltiefe misst laufend den Abstand des Reifenprofils von der Lauffläche (Abrollseite) des Reifens zur Reifeninnenseite. Je geringer das Reifenprofil ist und je strukturierter die Anordnung der Profile am Reifen ist, um so höher ist das Risiko eines kritischen Wasseraufschwemmdrucks / Auftrieb am Reifen. Zudem sind gesetzliche Mindestabstände festgelegt, ab denen ein Lenken des Fahrzeugs nicht mehr erlaubt ist und bei Nichtbeachtung zu Unfällen führen kann.
Ein abriebbarer Messstift mit Sensor ist fix in 2 oder mehreren Reifenprofilen integriert. Der Abrieb am Reifenmaterial geht parallel mit dem Abrieb des integrierten Messstifts einher und gibt so kontinuierlich die aktuelle Profiltiefe an. Die AAS Systemsteuerung gibt diese Werte in Form von kapazitiver oder ohmscher Änderung an den Bordcomputer weiter. Der Fahrer ist somit in der Lage, optisch einen Überblick über sein Reifenmaterial zu haben. (optional)
Hinweis:
Eine kritische Profiltiefe (von der Behörde vorgegeben...) muss nicht immer auf allen 4 Reifen gleichzeitig erreicht werden. Jedoch ist es ratsam, bei Erreichen eines kritischen Wertes an nur einem Reifen, alle 4 Reifen gleichzeitig zu erneuern.
Die „Sensoren für den Wasseraufschwemmdruck am Reifen“
Der Reifensensor Aufschwemmdruck misst laufend den aktuellen Wasseraufschwemmdruck / Auftrieb an 2 oder mehr Stellen an der Innenseite des Reifenprofils und gibt diese Werte zur Berechnung des Reibungsverslustes/Rollreibungskraft der Reifen auf der Fahrbahn an die AAS Systemsteuerung weiter. Je enger die Reifenprofile zueinander angeordnet sind und je geringer die Profiltiefe ist, um so höher ist der Wasseraufschwemmdruck / Auftrieb am Reifen, welcher beim Erreichen eines kritischen Wertes der Rollreibungskraft zum Aquaplaning führen kann. Die AAS Systemsteuerung berechnet in Abhängigkeit von Geschwindigkeit, Seitenwind (optional), Reifenprofiltiefe (optional), Reifenbeschaffenheit wie Breite, Fahrzeuggewicht, Fahrzeugbreite (optional), Fahrzeughöhe (optional), den Reibungsverlust am rollenden Reifen.
Die „Bordcomputer Anzeige“
Der Bordcomputer zeigt dem Fahrzeuglenker permanent die von der AAS Systemsteuerung errechneten und die übrigen Messwerte des Fahrbetriebes an. Diese sind der Wasseraufschwemmdruck /Auftrieb / Rollreibungszahl, die Reifenprofiltiefe, den Seitenwind und den Reifendruck, von unkritisch bis kritisch.
Die „Systemsteuerung“
Die Systemsteuerung von AAS ist das Gehirn im Fahrzeug. Sie berechnet den Wert der Rollreibungskraft zwischen der Fahrbahn und den Reifen aus den gemessenen Werten des Wasseraufschwemmdruckes zwischen den Reifenprofilen, den Werten des Seitenwinddruckes, den Werten des Reifendruckes, der Reifenbreite, dem Anpressdruck (Normalkraft) des Fahrzeugs auf die Fahrbahn und der aktuell gefahrenen Geschwindigkeit (Berechnungsbeispiel siehe unten). Bei Verlust der Rollreibungskraft zwischen der Fahrbahn und den Reifen, kann ein Aquaplaning ausgelöst werden. Siehe unter „Berechnungen für das Aquaplaning“.
Reifenbreite und das Fahrzeuggewicht (Anpressdruck auf die Strasse), die Rollreibungszahl für Gummi auf Asphalt/Beton und die gefahrene Geschwindigkeit, sind Parameter zur Berechnung der Rollreibungskraft der Reifen auf nasser Fahrbahn.
Wenn das Fahrzeug bei nasser Fahrbahn und ohne Regeneinfall in Betrieb gesetzt wird, kann der Fahrzeuglenker das AAS manuell ein- und ausschalten. Bei trockener Fahrbahn schaltet sich AAS automatisch aus.
Je geringer die Reifenprofiltiefe, je breiter der Reifen und je enger die Profile an der Reifenlauffläche angeordnet sind, umso kritischer wird der Wasseraufschwemmdruck und die Rollreibungskraft am Reifen. Wenn ein kritischer Wert des Aufschwemmdruckes / Rollreibungskraft am Reifen errechnet ist, löst die AAS-Systemsteuerung automatisch eine Reduktion der Geschwindigkeit – mit leicht verzögertem Bremsen- aus.
Ist ein kritischer Wert der Reifen-Profiltiefe erreicht, wird der Fahrzeuglenker darauf aufmerksam gemacht, einen Reifenwechsel vorzunehmen (optional). (Verkehrssicher
Berechnungen für das Aquaplaning
Ein Fahrzeug verliert die Haftung auf einer Fahrbahn, wenn die einfallende Nässe / Wasserfilm auf der Fahrbahn aus den Reifenprofilen nicht mehr abtransportiert werden kann. Die Folge davon ist ein Verlust der Rollreibung zwischen Fahrbahn und Reifen und die Reifen des Fahrzeugs verlieren den Kontakt zur Fahrbahn sodass sie auf dem Wasserfilm schwimmen und nicht mehr manövrierbar sind.
Berechnung der Rollreibungskraft
Formel:
Fr = Fn . µr
Fr = Rollreibungskraft welche auf die Fahrbahn wirkt
Fn = Anpresskraft oder Normalkraft = Fahzeuggewicht . 9.81ms/2
· µr ≈ 0.010 auf nasser Fahrbahn
Notiz:
Die Reibungskoeffizienten aus Tabellen sind immer nur ungefähre Angaben. Die Rollreibung hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren ab (Oberfläche, Temperatur, Nässe, Verschleiß, Normalkraft etc.), so dass in einer Tabelle nur Richtwerte gefunden werden können. (Wiki)
Berechnungen für das Aquaplaning
Ein Fahrzeug verliert die Haftung auf einer Fahrbahn, wenn die einfallende Nässe / Wasserfilm auf der Fahrbahn aus den Reifenprofilen nicht mehr abtransportiert werden kann. Die Folge davon ist ein Verlust der Rollreibung zwischen Fahrbahn und Reifen und die Reifen des Fahrzeugs verlieren den Kontakt zur Fahrbahn sodass sie auf dem Wasserfilm schwimmen und nicht mehr manövrierbar sind.
Berechnung der Rollreibungskraft
Formel:
Fr = Fn . µr
Fr = Rollreibungskraft welche auf die Fahrbahn wirkt
Fn = Anpresskraft oder Normalkraft = Fahzeuggewicht . 9.81ms/2
· µr ≈ 0.010 auf nasser Fahrbahn
Notiz:
Die Reibungskoeffizienten aus Tabellen sind immer ungefähre Angaben. Die Rollreibung hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren ab (Oberfläche, Temperatur, Nässe, Verschleiß, Normalkraft etc.), so dass in einer Tabelle nur Richtwerte gefunden werden können. (Wiki)
Zur Berechnung massgebende Daten und Parameter:
Die Reibungszahl / Reibungskoeffizient (µ): µr = Rollreibungszahl
Sie ist eine dimensionslose Masseinheit für die Reibungskraft (Anpresskraft) auf die Fahrbahn
Die Fahrzeuggeschwindigkeit (v):
Sie ist die veränderbare Komponente welche zur Berechnung der Rollreibungskraft auf der Fahrbahn verwendet wird
Die dynamische Viskosität von Wasser ( vdyn ):
Die dynamische Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit einer Flüssigkeit (hier das Wasser auf der Fahrbahn in Abhängigkeit der Temperatur: bei 20°C = 10-3 Ns/m2)
Die Reifenbreite (b):
Ist die Breite der Reifen am Fahrzeug. Je breiter der Reifen umso höher der Anpressdruck auf die Fahrbahn
Gewichtskraft pro Reifen (Fn):
Ist die Kraft eines Reifens (Fahrzeuggewicht / 4) welche auf die Fahrbahn drückt. Dabei kann es durchaus sein, dass die Gewichtsverteilung des Fahrzeuggewichtes/Normalkraft auf die Fahrbahn nicht den Idealwert von 50:50 entspricht und der Anpressdruck/Normalkraft der Räder auf die Fahrbahn unterschiedliche Werte aufweist.
Beispiel:
Ein Fahrzeug fährt mit einer Geschwindigkeit von 120Km/h auf einer regennassen Fahrbahn. Das Fahrzeuggewicht ≈ 1600Kg und die Reifenbreite ≈ 240cm.
Die Rollreibungszahl für einen Reifen auf nasser Fahrbahn beträgt ≈ 0.010 (Quelle: Physik Duden)
Formel zur Berechnung der Normalkraft Fn:
Fn = Fahrzeuggewicht . 9.81m/s2
Berechnung aus dem Beispiel oben:
Fn = 1600kg x 9.81m/s2
= 15,696N
Formel zur Berechnung der Rollreibungskraft Fr:
Fr = Fn . µr
= 15,696N x 0.010
= 156.96N
Die Rollreibungskraft eines einzelnen Reifens auf nasser Fahrbahn beträgt ≈ 39N
Formel zur Berechnung der kritischen Rollreibungszahl auf einen einzelnen Reifen, unter Einbezug vom Parameter der Dynamischen Viskosität des Wassers, der gefahrenen Geschwindigkeit, dem Parameter der Reifenbreite und die Rollreibungskraft:
µ = √ vdyn . v. b / Fn
= √ 10-3 . .120 . 240 / 39
= √0.001 x 33.3 x 0.24
39
= 0.014
Fazit:
Wenn der Aufschwemmdruck des Wassers zwischen den Reifenprofilen einen Wert der Reibungszahl > 0.010 (Rollreibung auf nasser Fahrbahn) erreicht hat, besteht latente Aquaplaninggefahr.
Im obigen Beispiel wäre eine angepasste Geschwindigkeit von ≈ 75Km/Km/h risikofrei und es fände kein Aquaplaning statt.
