Browsing by Author "Weise, Markus"

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Einflüsse der mikroskaligen Oberflächengeometrie von Asphaltdeckschichten auf das Tribosystem Reifen-Fahrbahn
(2015) Weise, Markus; Ressel, Wolfram (Prof. Dr.-Ing.)
Im Verkehrswesen werden an eine qualitativ hochwertige und dauerhafte Straßenverkehrsanlage besondere Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Funktionalität gestellt. In der Arbeit werden daher die qualitativen und quantitativen Einflüsse von extrinsischen und intrinsischen Faktoren auf diese wesentlichen Grundanforderungen untersucht. Bei einer isolierten Betrachtung der Oberfläche einer Fahrbahndeckschicht als das Verbindungselement zwischen dem Reifen und der Straße hinsichtlich dieser Grundanforderungen, gelten ein ausreichendes Drainagevermögen, die Griffigkeit und das akustische Verhalten als die zentralen Oberflächeneigenschaften. Diese funktionalen Eigenschaften werden im Wesentlichen durch die geometrische Ausprägung einer Deckschicht, der Textur, beeinflusst und können unterschiedliche, teils gegensätzliche Anforderungen besitzen. Beispielsweise ist die Grobrauheit (Makrotextur) für das horizontale Drainagevermögen ausschlaggebend, während die Feinrauheit (Mikrotextur) für eine ausreichende Haftreibung zwischen Reifen und Fahrbahn verantwortlich ist. Umgekehrt existiert ein Wellenlängenbereich der Oberflächentextur, der sowohl auf die Griffigkeit als auch auf das akustische Verhalten der Deckschicht einwirkt. Das übergeordnete Ziel aktueller Forschungsarbeiten im Straßenwesen ist daher die Entwicklung von Modellen, auf deren Grundlage jede der Oberflächeneigenschaften für sich mittels numerischen Simulationsverfahren abgebildet werden kann. Eine anschließende Kombination dieser einzelnen Modelle stellt die Möglichkeit in Aussicht, im Bereich der Asphalttechnologie zukünftig Materialdesign zu betreiben. Auf diese Weise lassen sich, je nach Anforderung an die Oberflächeneigenschaften einer konkreten Straße, bestimmte funktionale Eigenschaften gezielt begünstigen. Im Fokus dieser Arbeit liegt die Untersuchung der Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen. Primäres Ziel ist dabei die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der hochaufgelöst gemessenen Geometrie der Oberflächentextur auf der Mikroskala und der daraus abzuleitenden Dimension der Griffigkeit, insbesondere dem damit verbundenen Haftreibungsniveau. Dazu werden zunächst geometrische und statistische Parameter von bestehenden Asphaltproben bestimmt, um die isotrope Textur einer Deckschicht eindeutig definieren zu können. Anschließend werden auf Grundlage dieser Parameter künstliche Texturen mit unterschiedlichen Wellenlängen generiert. Dabei wird der selbstaffine Charakter des technischen Werkstoffs Asphalt herangezogen und anhand seiner mehrskaligen fraktalen Struktur realitätsnahe Mikrotexturen generiert. In diesem Zuge werden Methoden in ein Software-Tool implementiert, mit denen im Rahmen der Datenvorverarbeitung die aus den Texturmessungen resultierenden fehlenden oder verrauschten Texturhöhendaten sowie Irregularitäten, wie Messausreißer, aufbereitet respektive beseitigt werden können. Des Weiteren werden Funktionen entwickelt, die es ermöglichen mithilfe von Filterverfahren die langwelligen Anteile (Makrotextur) von den kurzwelligen Anteilen (Mikrotextur) zu trennen, um auf diese Weise eine exklusive Betrachtung der Mikrotextur zu erreichen. Im Anschluss daran wird die Reibkomponente Hysterese, der Energietransfer zwischen Reifen und rauen Oberflächen, der auftritt, wenn das Elastomer durch die Unebenheiten der Textur zusammengepresst wird und anschließend wieder in seine Ausgangsposition zurückfedert, numerisch simuliert. Mithilfe dieses Wissens können die Grundlagen geschaffen werden, um mittelfristig die konventionellen Griffigkeitsmessverfahren, die alle taktil erfolgen und daher aufwendig und kostenintensiv sind, durch berührungslose optische Messmethoden zu ersetzen. Zahlreiche Modelle zur Beschreibung der Griffigkeit betrachten lediglich Profilschnitte und vernachlässigen dadurch die dreidimensionalen statistischen Eigenschaften einer Textur. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine hierarchische Simulationsmethodik eingeführt. Sie ermöglicht es das komplexe dreidimensionale Kontaktproblem Reifen-Fahrbahn auf ein vereinfachtes eindimensionales Ersatzsystem zu reduzieren, ohne die dreidimensionalen Kontakteigenschaften zu vernachlässigen. Auf dieser Basis lässt sich die Haftreibung rechentechnisch effizient simulieren. Das in der numerischen Simulation entstehende tribologische Modell führt die Parameter der Texturgeometrie und die viskoelastischen Eigenschaften des Reifenelastomers zusammen. Dies ermöglicht als Ergebnis die Ableitung der in den Mikrokontakten wirksamen Kraftverhältnisse, aus denen sich quantitativ geschwindigkeits- und belastungsabhängige Haftreibungskoeffizienten und effektive Kontaktflächen zwischen den beiden Reibpartnern ermitteln lassen. Die spezifische Variation von Texturen und ein Vergleich der daraus berechneten Reibkurven mit den eingangs bestimmten Parametern zur Charakterisierung der Texturen ergibt Aufschluss über den Zusammenhang der Mikrotexturgeometrie und dem dazugehörigen Griffigkeitsniveau.