Bevor ein Auto vom Band rollt, testen die Hersteller die Fahrzeug-Designs virtuell. Besonders schwierig ist die Simulation der Reifen, weil sie beim Fahren durch Schlaglöcher und über Bodenwellen extrem beansprucht werden. Mit der Reifenmodellierungs-Software “CDTire” bieten Fraunhofer-Forscher ein Simulationswerkzeug an, das Räder realitätsnah darstellt und die Automobilindustrie in zahlreichen Analyseszenarien unterstützt. Wie die neue Software ausserdem hilft, Kosten zu sparen und aufwändige Testfahrten von der Versuchsstrecke in den Fahrzeugsimulator zu verlegen, erklären Dr. Manfred Bäcker und Dr.-Ing. Christoph Burkhart vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM.
Warum stellt die Simulation von Reifen eine so grosse Herausforderung dar?
Dr. Manfred Bäcker: Weil Reifen sich komplex und nichtlinear verhalten. Beim Fahren entsteht Wärme, die die Eigenschaften der Reifen verändert, was eine präzise und gleichzeitig schnelle Berechnung schwierig macht. Daher bedarf es hochentwickelter Modelle, die sowohl die thermischen Effekte als auch die nichtlineare Dynamik des Reifens auf der Strasse berücksichtigen, was eine rechenintensive Aufgabe darstellt.
Wie gelingt es Ihnen, eine gute Balance zwischen Rechenzeit und Genauigkeit zu erreichen?
Dr.-Ing Christoph Burkhart: CDTire ist eigentlich eine Familie von Reifenmodellen mit unterschiedlicher Modellierung von Gürtel, Seitenwand und Lauffläche, um für verschiedene Anwendungen eine optimale Mischung aus Genauigkeit und rechnerischem Aufwand anzubieten. Ziel ist die realitätsnahe Abbildung bei gleichzeitig schneller Berechnung. Das umfasst auch Echtzeitmodelle.
Wie treibt CDTire die virtuelle Reifenentwicklung voran?
Dr. Manfred Bäcker: In der Automobilindustrie werden Reifenmodelle in Fahrzeugsimulationen integriert, um das Fahrverhalten virtuell zu testen und zu optimieren. Diese Simulationen berücksichtigen komplexe Faktoren wie Wärmeentwicklung, Reifenverformung und Materialeigenschaften, die sich auf das Fahrverhalten auswirken. Fahrzeughersteller nutzen Reifenmodelle, um im Entwicklungsprozess früh Aussagen über Komfort, Betriebsfestigkeit und fahrdynamische Eigenschaften eines Entwicklungsstandes zu erhalten. Diese Reifenmodelle waren anfangs, etwa vor 15 Jahren, noch sehr reduziert, während Reifenhersteller schon damals ausgefeilte Reifenmodelle verwendeten, die aber wegen ihres hohen Rechenzeitbedarfs in der Gesamtfahrzeug-Simulation nicht anwendbar waren.
Mit CDTire konnten wir die Brücke zwischen Reifen- und Automobilherstellern schlagen. Unser Tool fungiert quasi als Austauschformat zwischen beiden Industrien. Die Reifenindustrie nutzt es in der Vorentwicklung, die Automobilindustrie im Gesamtfahrzeugkontext. Anpassungen für OE-Reifen (Original-Equipment-Reifen), die speziell für die Erstausrüstung eines Fahrzeugs entwickelt werden, lassen sich mit CDTire sehr schnell umsetzen.
CDTire ist also ein häufig verwendetes Reifenmodell geworden?
Dr. Manfred Bäcker: Ja, fast alle namhaften Fahrzeug- und Reifenhersteller zählen zu unseren Kunden. Da CDTire virtuelle Testfahrten in Fahrzeugsimulatoren erlaubt, sparen sich die Unternehmen in der Entwicklungsphase aufwändige reale Testfahrten und die Produktion teurer prototypischer Reifen. Je nach Anwendung lassen sich unsere Reifenmodelle, die in Echtzeit rechnen, in den Simulator einklinken. Mit unserer Entwicklung haben wir den Schritt weg von der Teststrecke hin zum Fahrzeugsimulator ermöglicht. Unser Ziel ist es, die Bewertung eines Reifens primär durch professionelle Testfahrende am Fahrzeugsimulator durch virtuelle Reifen- und Fahrzeugprototypen zu erledigen, damit idealerweise nur noch die Endabnahme des Prototypen auf der realen Teststrecke erfolgen muss.
Mit CDTire können Sie den kompletten Entwicklungsprozess der Reifen abbilden. Wie geht das?
Dr.-Ing. Christoph Burkhart: Mit CDTire erhalten Entwicklungsingenieure und ‑ingenieurinnen ein Reifenmodell für fast alle Analyseszenarien. Unser besonderes Augenmerk auf die Gürteldynamik und Interaktion mit 3D-Fahrbahnoberflächen erlaubt eine gute Vorhersagegenauigkeit, auch deutlich ausserhalb des Bereichs, der im Rahmen von Messungen zur Bedatung des Modells abgedeckt wird. Während der Reifensimulation werden die Radnabenkräfte und ‑momente auf jedes Rad, sowie die Kontaktkräfte auf die Fahrbahn berechnet.
Welche besonderen Erweiterungen beziehungsweise Funktionalitäten bietet die aktuelle Version der Software?
Dr. Manfred Bäcker: Mit CDTire/3D haben eine Art Multi-Physics-Tool geschaffen, das zum Beispiel die Temperaturentstehung und ‑entwicklung und durch die Integration eines dynamischen Innenluftmodells auch die Innenluft des Reifens simulieren kann sowie seit neustem auch den Abrieb. Die Innenluftschwingungen übertragen sich über die Karosserie auf den Fahrzeuginnenraum, was zur Vibration von Lenkrad und Armaturenbrett führt und das Komfortempfinden der Fahrzeuginsassen beeinträchtigt – sie sind vor allem aber auch akustisch wahrnehmbar. Insbesondere in Elektrofahrzeugen werden die Schwingungen als störend wahrgenommen.
Darüber hinaus können wir mithilfe unseres neuen flexiblen Felgenmodells den Reifen in Kombination mit der Felge als Gesamtrad bewerten, was den Modellbereich und die Möglichkeiten deutlich erweitert.
Inwiefern spielen Ihre Simulationen auch für die Reichweite von E‑Fahrzeugen eine Rolle?
Dr.-Ing. Christoph Burkhart: Mit CDTire sind wir jetzt auch in der Lage, den Rollwiderstand präzise zu simulieren und unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen vorherzusagen. Der Rollwiderstand von Reifen ist die Folge von Energieverlusten. Er ist Teil des EU-Reifenlabels, das ihn in Effizienzklassen von A bis E einteilt. Ein geringerer Rollwiderstand verbessert den Treibstoffverbrauch und dementsprechend auch die Energieeffizienz. Die Praxis sieht jedoch anders aus, wodurch die Effizienzklassen im Alltag durch viele Kurzstrecken mit kalten Reifen nicht erreichbar sind.
Gerade für E‑Fahrzeuge ist dies jedoch von Bedeutung, da es die Reichweite beeinflusst. Wir haben CDTire so weiterentwickelt, dass es nun auch innere Reibungsverluste berücksichtigt. Durch Kopplung der inneren Reibung mit dem Temperaturmodell ist eine realitätsnahe Simulation des Rollwiderstands möglich.
Wollen Sie mit Ihrer Technologie den Transfer in die Wirtschaft wagen?
Dr. Manfred Bäcker: Ja, 2026 gehen wir in Kaiserslautern mit unserer Ausgründung Virtual Tire Technologies (VTT) an den Start. Wir werden aber weiterhin mit dem Fraunhofer ITWM zusammenarbeiten und in engem Austausch bleiben.
Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist eine der führenden Organisationen für anwendungsorientierte Forschung. Im Innovationsprozess spielt sie eine zentrale Rolle – mit Forschungsschwerpunkten in zukunftsrelevanten Schlüsseltechnologien und dem Transfer von Forschungsergebnissen in die Industrie zur Stärkung des Wirtschaftsstandorts und zum Wohle der Gesellschaft. Seit ihrer Gründung als gemeinnütziger Verein im Jahr 1949 nimmt sie eine einzigartige Position im Wissenschafts- und Innovationssystem ein.
Knapp 32’000 Mitarbeitende an 75 Instituten und selbstständigen Forschungseinrichtungen in Deutschland erarbeiten das jährliche Finanzvolumen von 3,6 Mrd. €. Davon entfallen 3,1 Mrd. € auf das zentrale Geschäftsmodell von Fraunhofer, die Vertragsforschung. Im Vergleich zu anderen öffentlichen Forschungseinrichtungen bildet die Grundfinanzierung durch Bund und Länder lediglich das Fundament des jährlichen Forschungshaushalts. Sie ist die Basis für wegweisende Vorlaufforschung, die in den kommenden Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft bedeutend wird. Das entscheidende Alleinstellungsmerkmal ist der hohe Anteil an Wirtschaftserträgen, der Garant ist für die enge Zusammenarbeit mit Wirtschaft und Industrie und die stetige Marktorientierung der Fraunhofer-Forschung: 2024 beliefen sich die Wirtschaftserträge auf 867 Mio. € des laufenden Haushalts. Ergänzt wird das Forschungsportfolio durch im Wettbewerb eingeworbene öffentliche Projektmittel, wobei eine ausgewogene Balance zwischen öffentlichen und wirtschaftlichen Erträgen angestrebt wird.
