Ausfallsicheres Rad

Ein ausfallsicheres Rad (teils auch englisch Runflat-Tire) bezeichnet ein Rad als Baugruppe bestehend aus Felge und Reifen, die entweder nach einer Beschädigung durch Notlaufeigenschaften oder durch konstruktive Stabilität gegen Beschädigung den Betrieb des Radfahrzeugs ermöglicht. Die Fahrt kann somit nach einer Beschädigung im Notlauf noch für eine begrenzte Zeit mit Leistungseinschränkungen oder aber im Dauerbetrieb durch die Resistenz gegen Beschädigungen zeitlich unbegrenzt im vollen Leistungsspektrum des Fahrzeugs fortgesetzt werden.

Begriffseingrenzung, Verwendungszweck und Einsatzspektrum

Je nach Fahrzeugart, Einsatzzweck der Fahrzeuge und Umweltbedingungen wurden unterschiedliche Konzepte der ausfallsicheren Räder als Rad-/Reifenkombinationen entwickelt wie u.a. Sicherheitsreifen, Runflat-Tire, pannensichere Reifen, schußsichere Reifen oder Gefechtsräder. Noträder, Ersatzräder und Reserveräder werden jedoch nicht diesem Begriff zugeordnet, da sie durch Austausch eines beschädigten Rades zum Einsatz kommen.

Ausfallsichere Räder finden besonders Verwendung

• im militärischen Bereich sowie bei Polizei- und Sicherheitsdiensten, auch im Personenschutz. Es gilt die Fahrt auch nach Beschädigung der Reifen fortzusetzen und das Fahrzeug mindestens aus dem Gefahrenbereich herauszubewegen.
• bei der Konstruktion von PKW. Es gilt auch bei höheren Geschwindigkeiten zunächst eine Fahrzeugstabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten und z.B. ein Ausbrechen zu verhindern. Ferner sollte mit einer hinnehmbaren Geschwindigkeit eine Werkstatt erreicht werden können.
• bei Fahrzeugen zum Einsatz in besonderen Geländeprofilen oder Umweltbedingungen: Z.B. Radlader auf Müllkippen mit ggf. scharfkantigen Teilen im Untergrund oder der Moonrover zum Einsatz bei pulvrigem Untergrund und unter extremen Temperaturbedingungen.

Auch wo konstruktive Nachteile von ausfallsicheren Rädern, wie Gewicht und fehlender Federungskomfort gerade als Massivradkonstruktionen keine Rolle spielen, finden derartige Konzepte Anwendung wie z.B. bei Sackkarren oder Kinderwagen.

Technik

Grundsätzliche konstruktive Anforderungen

→ Hauptartikel: Rad

Räder übertragen die Radlast auf den Boden und gewährleisten den Vortrieb des Radfahrzeugs durch Umsetzung der Drehbewegung des Motors über Getriebe und Achsen als Traktion.

Das Tragen der Radlast erfordert eine ausreichende konstruktive Stabilität, zur Gewährleistung der Traktion ist eine Profilierung der Lauffläche erforderlich um je nach Bodenverhältnissen Schlupf zu vermeiden.

Als Teil der ungefederten Masse eines Radfahrzeugs müssen sie ein möglichst geringes Gewicht aufweisen um bei unebenem Untergrund Stoßeinwirkungen zu reduzieren bzw. eine Destabilisierung des Fahrzeugs zu verhindern. Eine Luftbereifung bzw. eine Federstruktur des Reifens begünstigt durch ein mögliches Einfedern des Rades das Fahrverhalten und ermöglicht höhere Fahrgeschwindigkeiten. Massivräder bzw. Vollgummiräder können dieses nicht und gewährleisten daher nur geringe Geschwindigkeiten.

Diese Grundsätze müssen bei der Konstruktion ausfallsicherer Räder beachtet werden. Alle technischen Konzepte zu ausfallsicheren Rädern beeinflussen die Ausgestaltung

• des Reifens (z.B. Auslegung als Vollmaterial oder Luftkammersystem, Stabilität der Lauffläche, Auslegung der Gummimischung, Konstruktion als Federsystem u.a.) und
• der Felge (z.B. durch Einbringung von Keilstrukturen zur Reduzierung von Walkbewegungen eines Reifens, oder Federsysteme)
• und der Schnittstelle zwischen Reifen und Felge (z.B. Führung des luftlosen Reifens auf der Felge)

Technische Konzepte

Die technischen Konzepte zur Entwicklung von ausfallsicheren Rädern lassen sich aus der historischen Entwicklung grob in drei Gruppen einteilen:

• Räder als Massivkonstruktion als z.B. Vollmetallräder und Räder mit Vollgummibereifungen)
• Räder mit Luftbereifung als schlauchlose- und Schlauchreifen mit Konzepten wie Mehrkammersysteme, Felgenstrukturbasierte-Notlauf-, Schnittstelle-Reifen-Felge basierte Notlauf-, selbstabdichtende-, druckgeregelte- und schliesslich Runflat Tyre-Systeme als Kombination der vorgenannter Lösungen.
• Räder mit einfederungsfähiger, nicht auf Luftdruck basierender Bereifung z.B. Metall- oder Kunststoffstrukturen.

Räder als Massivkonstruktion

Massivradkonstruktionen für Artilleriegeschütze mit Vollgummibereifung

Das Massivrad ist historisch die älteste Konstruktion, zunächst aus Vollmetall, später mit Vollgummibereifung. Der Vorteil des sehr stabilen Radkörpers wird mit fast vollständig fehlender Einfederwirkung und fehlendem Fahrkomfort erkauft. Bei höherer Belastung treten auch unerwünschte Erhitzungseffekte auf, die man durch unterschiedliche Ansätze wie Einbringen von Lüftungsschlitzen und Flüssigkeitskühlung zu verhindern suchte. Im Ergebnis lassen sich derartige Konstruktionen nur mit geringen Geschwindigkeiten bewegen. Heute noch genutzte Vollgummibereifungen finden sich bei Flurförderfahrzeugen wie z.B. Gabelstaplern, die nur mit geringer Geschwindigkeit betrieben werden. Sie sind insbesondere auf glatten Böden z.B. in Lagerhallen gut nutzbar und können auch hohe Lasten tragen.

Räder mit Luftbereifung

Mehrkammersysteme

Bei den meisten Konzepten des ausfallsicheren Rades bleibt das Prinzip der Luftbereifung erhalten. Der schematisierte Aufbau eines Rades mit Luftbereifung zeigt die Ansatzpunkte auf, an denen mit einem oder verschiedenen Ansätzen gleichzeitig die Ausfallsicherheit gesteigert werden kann. Eine recht einfache Lösung in Anlehnung an Schlauchreifen ist die Anwendung von Mehrkammerluftsystemen. Ist eine Kammer verletzt, stabilisiert mindestens eine zweite Kammer den Radlauf.

Die Stabilität des Reifens kann im Wesentlichen durch einfache Dimensionierung verbessert werden. Eine geringe Höhe der Seitenwände und eine hohe Breite der Lauffläche tragen zur Stabilisierung des luftlosen Reifens bei. Ebenso trägt die Härtung der Seitenwände aber auch der Schultern und Laufflächen zur Ausfallsicherheit bei. Neben einer Optimierung der Gummimischungen, die vor allem eine Resistenz gegen die Erhitzung des luftlosen Reifenkörpers bewirken sollen, spielen Inlays wie Stahlgürtel oder Kunststoffgewebe hier eine wesentliche Rolle.

Schnittstelle zwischen Felgen und Reifen

Die Schnittstelle zwischen Reifen und Felge ist eine der wesentlichsten Einflussgrößen der Ausfallsicherheit. Die Stabilität wird dadurch bestimmt, dass der Reifen auch nach Luftverlust weiter sicher auf der Felge geführt wird. Hierzu werden vor allem Ausformungen des Felgenhorns so ausgestaltet, dass der Reifen nicht oder nur schwer herunterrutschen kann. Auch gibt es Lösungen, die ein Rutschen des luftlosen Reifens auf der Felge so beeinflussen, dass eine weitere Beschädigung verhindert wird. So zeigt ein Patent von Daimler-Benz auf, bei der ein Schmiermittel die Erhitzung des Reifens in einem solchen Fall verhindern kann.

Erhabene Strukturen auf der Felge

Erhabene Strukturen auf der Felge, die sogar als Keile oder Scheiben ausgeprägt sein können geben dem luftlosen Reifen die Möglichkeit, sich auf diesen Strukturen abzustützen. Damit werden die Walkbewegungen des luftlosen Reifens reduziert. Die termische Belastung des Reifens wird vermindert, weitere Beschädigungen so vermieden.

Reifendruckregelungs und -abdichtsysteme

Komplexer und technologisch jünger sind Reifendruckregelungs und -abdichtsysteme. Sie müssen insgesamt an das "System Fahrzeug" angebunden werden. Reifendruckregelungsanlagen gewährleisten über einen Kompressor den Reifendruck. Kleinere Beschädigungen können so ausgeglichen werden. Elektronische Sensoren informieren den Fahrer über den Status. Reifenabdichtsysteme versprühen eine Flüssigkeit die Risse oder kleinere Löcher abdichtet. Im Zusammenhang mit einer Reifendruckregelungsanlage bleibt der Reifen betriebsbereit.

Räder mit einfederungsfähiger, nicht auf Luftdruck basierender Bereifung

In kritischen Umgebungen, beispielsweise beim Einsatz von militärischen Radfahrzeugen im Gefecht, kann auch der kombinierte Einsatz aller aufgezeigter Technologien nicht zielführend sein. In einem solchen Fall gibt es Konzepte, die den Luftreifen durch stabiles, einfederfähiges Material aus Metall oder Kunststoff ersetzen und so auch bei Beschuss oder Splittereinwirkung Ausfallsicherheit gewährleisten.

Bewertungsmaßstäbe einzelner Lösungsansätze

Alle wirkungsvolle technische Konzepte müssen gewähren:

• Berücksichtigung eines möglich geringen Gewichts von Reifen und Felge, um die ungefederten Massen möglichst gering zu halten
• Ausreichenden Komfort durch hinreichende Federeigenschaften
• Ausreichende Stabilität der Konstruktion
• Ausreichende zeitliche Nutzbarkeit der Notlaufeigenschaft
• Notlaufeigenschaften mit genügendem Leistungsvermögen

Entwicklungsgeschichte und Konstruktionsbeispiele

Die Entwicklungsgeschichte ausfallsicherer Räder ist mit der allgemeinen Entwicklungsgeschichte des Rades verbunden. Zu allen Zeiten wurde versucht, möglichst widerstandfähige Räder zu verwenden. Im ingenieurwissenschaftlichen Bereich wird dazu die Resilienz von Rädern betrachtet.

Wie zu etlichen Entwicklungen im kraftfahrtechnischen Bereich bekannt, wurden Innnovationen gern in militärischen Bereichen genutzt und für spezielle Anforderungen weiter entwickelt.

19.Jahrhundert

Heckbereifung Dampflokomobil Martin Luther 1890er Jahre

Zur Bereifungsentwicklung sind Artilleriezugmaschinen zu nennen, die bereits ab den 1870er-Jahren im deutschen Militär erprobt wurden. Bis in das späte 19. Jahrhundert waren Stahlbereifungen für Zugmaschinen die Standardausrüstung, welche nach Bedarf mit Verbreitungen und Profilaufsätzen für Geländeeinsatz ergänzt wurde. Um die Ausfallsicherheit zu steigern, wurden die auftretenden Schäden möglichst genau untersucht, was bei Stahlgussrädern zu besonderen Fertigungsverfahren führte. Gleichzeitig wurden auch Räder mit vernieteten Maschinenbaustahlelementen genutzt, die einerseits in der Fertigung aufwändiger, andererseits materialsparender, flexibler und meist leichter als die Stahlgussräder waren. Ansätze zur Weiterentwicklung waren Wechselräder, die bereits als Artillerierad bekannt waren.

1900 bis 1930

Artillerietraktor Daimler-Foster 1915

Daimler Motorlastwagen um 1914

Entsorgung von Vollgummireifen von Militärlastern um 1918

1916 beschaffte die kaiserliche deutsche Armee leichte Personen- und Sanitätskraftfahrzeuge mit "federnden Rädern". Das waren Räder ohne Luftbereifung mit Stahlbandagen. Ihre Laufflächen war gegenüber dem Radkörper mit einem Ring aus vielen Schraubenfedern abgefedert. Auch Artilleriezugmaschinen im ersten Weltkrieg wie in Deutschland der "Trekker" der Firma Deutz und der Krupp-Daimler KW 19 Artilleriezugwagen oder in Groß-Britannien der Daimler-Foster Traktor waren mit Vollstahlrädern ausgestattet. Diese Militärfahrzeuge waren Vorläufer der späteren Agrartraktoren in den 1920er-Jahren.

Relativ bald entwickelten sich die Konzepte zu Vollgummireifen. Diese blieben in der Praxis lange Zeit alternativlos, obwohl aus der Zeit von 1900 schon Erfindungen bekannt sind, die innenliegende Kammern bei diesen Reifen zur Steigerung des Fahrkomforts vorgeschlagen haben.

1930 bis 1959

Sd. Kfz. 231 mit Luftkammer-Reifen 1934

In den 1930er-Jahren entwickelte die Firma Continental das Konzept eines Luftkammer-Reifens mit Notlaufeigenschaften insbesondere für den Einsatz in Panzerspähwagen und Halbkettenfahrzeugen. Diese sollten vor allem Einwirkungen durch Beschuss und Splitterwirkung standhalten.

1959 bis 1990

Rad des Lunar Rovers auf dem Mond 1972

Gefechtsrad CTS um 1985

1969 entwickelte General-Motors für das Mondfahrtprogramm der USA das Lunar Roving Vehicle. Das Fahrzeug musste ausfallsicher hartes Gelände überwinden aber auch durch erwartete dicke Staubschichte fahren können. Temperaturenzwischen +130° C und -160° C galt es zu bestehen. Die Reifen bestanden aus einem gewebten Geflecht aus verzinktem Klavierdraht, an das Titan-Laufflächen in einem Zickzack-Muster genietet wurden.

Der 1972 entwickelte schweizer Radpanzer Piranha der Firma Mowag verfügte über eine schußsichere Bereifung mit Kautschuk-Metalleinagen der Firma Hutchinson.

1972 wurde mit dem Schützenpanzer BTR-70 in der UdSSR ein Fahrzeug mit Reifendruckregelanlage eingeführt. Auch der in hohen Stückzahlen ab 1976 gefertigte LKW Ural-4320 verfügte über ein solches System. Zwar war die Anlage hauptsächlich zur Anpassung des Reifendrucks an unterschiedliche Bodenverhältnisse gedacht, es konnten aber auch kleinere Beschussschäden ausgeglichen werden.

In den 1970er Jahren entwickelte Goodyear einen Reifen mit Notlaufeigenschaften, der sich durch eine sehr stabile Konstruktion der Seitenwände und eine gegen Überhitzung resistente Gummimischung auszeichnete. Der Reifen konnte so nach Firmenangabe bei Luftverlust noch bis zu 40 Meilen mit einer Höchstgeschwindigkeit von 40 Meilen/Std gefahren werden.

1985 entwickelte Continental auf Basis bis vorheriger Versuchsreihen ein Gefechtsrad für ein schweres gepanzertes Versuchsradfahrzeug der Bundeswehr. Das Rad sollte Notlaufeigenschaften haben, die durch eine erhabene Fläche auf der Felge, in einer zweiten Version mit einer Keilstruktur gewährleisteten, dass sich ein platter Reifen abstützen konnte und so noch im Notbetrieb weiter genutzt werden konnte.

1990 bis heute

Rad von Croc Tyres Pty Ltd. Australien für den Einsatz in Minen

Lunar Rover Initiative AB Scarab Rad im Auftrag der NASA

Bridgestone vermarktete in den 1990er Jahren eine Kombinationslösung einer Aluminiumfelge mit einem Reifen, der neben mechanischer Stabilität und hitzeresistenter Gummilösung auch durch die Einpassung des Reifenkörpers in die Felge eine verbesserte Notlaufeigenschaft hatte. Ein elektronisches Warnsystem zeigte dem Fahrer einen Luftverlust im Reifen an. Nach Firmenangaben sollte der Reifen im Notlauf noch 240 Meilen bei einer Höchstgeschwindigkeit von 40 Meilen/Std genutzt werden können.

Ab den 1990er Jahren setzte sich immer mehr der Begriff Run-Flat-Reifen durch. Der Begriff zeigt auf, dass es um den ausfallsicheren Betrieb von Luftreifen geht. Ein weit gefächerter Ansatz von Technologien unterstützt das Konzept: Härtung von Seitenwänden, Schultern und Laufflächen, Luftmehrkammersysteme, Optimierung der Schnittstellen zwischen Reifen und Felge, Einbindung unterstützender Technologien wie elektronische Reifenluftdrucküberwachung - und steuerung und selbstabdichtende Syteme. Anfang der 2000er Jahre entwickelte Michelin einen luftlosen Reifen unter der Bezeichnung Tweel. Der Reifen der eine Polyurethan-Speichenkonstruktion besitzt, wird bei Rollstühlen und Radladern verwendet und ist Grundlage auch für die Konstruktion neuer Moon-Rover-Rad-Konzepte.

2006 erprobten die amerikanischen Streitkräfte eine luftlose Bereifung auf einem Hummerfahrgestell. Basis der Konstruktion war eine aus Polymerwerkstoffen gefertigte Felge, die verwindungsfähig war. In Versuchen wurde nachgewiesen, dass die geringgewichtige und gegen Beschuss mit Infantriewaffen und Splitterwaffen resistente Konstruktion etwa 27% bis 30% weniger Rollwiderstand im Gelände hatte.

2019 hat sich die Runflat-Technologie von Luftbereifungen weitgehend durchgesetzt. Der ADAC zeigt auf, dass auf dem deutschen Markt die Hersteller Bridgestone, Continental, Dunlop: DSST, ROF (RunOnFlat), Goodyear, Hankook, Michelin: ZP (Zero Pressure), SST (Self Supporting Tyre) und Pirelli unter verschiedenen Markenbezeichnungen solche Reifen anbieten.

Perspektiven

Künftig wird insbesondere die 3D-Druck-Technik in der formfreien Konstruktion von Felgen aus Leichtmetallen aber auch Polymeren mit federnden Eigenschaften Einfluss gewinnen. Mit 3D-Druck ist es möglich, anders als bei Gießen, Fräsen oder Drehen adhäsiv Material aufzubauen und funktionsoptimierte Bauteile zu konstruieren.

Literatur

• Paul Erker: Zulieferer für Hitlers Krieg. Der Continental-Konzern in der NS-Zeit. De Gruyter, 2020, ISBN 3-11-064659-5. 

• Günter Leister: Fahrzeugräder - Fahrzeugreifen. Entwicklung - Herstellung - Anwendung. Wiesbaden 2015, ISBN 3-658-07463-9. 

• Werner Oswald: Kraftfahrzeuge und Panzer der Reichswehr Wehrmacht und Bundeswehr. 9. Auflage. Motorbuchverlag, Stuttgart 1979, ISBN 3-87943-161-2. 

Weblinks

Commons: Run-flat tires – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Commons: Airless tires – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien