Übung zur Vorlesung Grundlagen der Fahrzeugtechnik II. Übung

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1 Spannung Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik Leiter: Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin Rintheimer Querallee Karlsruhe Übung zur Vorlesung Grundlagen der Fahrzeugtechnik II Übung Aufgaben zu Reifen a) Aus welchen fünf Teilen ist ein Radialreifen grundsätzlich aufgebaut? b) Erklären Sie anhand einer Skizze, was man unter dem Zenitwinkel eines Reifens versteht. c) Was impliziert ein kleiner Zenitwinkel hinsichtlich Seitenkräfte und Rollwiderstand? d) Das Gummi des Reifens wird beim Durchlauf durch die Kontaktzone zwischen Reifen und Fahrbahn ständig deformiert. Das Gummi erfährt dabei Stauchungen bzw. Dehnungen und Normalspannungen. Diese Deformationen sind verlustbehaftet. Wie zeigt sich dieser Energieverlust in einem Spannungs-Dehnungsdiagramm? Zeichnen Sie hierzu eine Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Dehnung und Spannung angibt. Dehnung Bild : Spannungs-Dehnungs-Diagramm e) Nennen Sie die zwei wichtigsten Arten von Reibung zwischen Reifen und Fahrbahn. Erklären Sie kurz wie diese entstehen. f) Nennen Sie vier Parameter, von denen die Gummireibung abhängt. KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 g) Skizzieren Sie die Verteilung der vertikalen Flächenpressung in der Aufstandsfläche des Reifens für ein stehendes und ein drehendes Rad. Warum ist die Flächenpressungsverteilung im zweiten Fall anders? F z R =0 F z R 0 Bild : Verteilung der vertikalen Flächenpressung h) Wird ein stehendes oder ein freirollendes Rad vertikal beansprucht, so entstehen neben Druckspannungen (siehe oben) auch Schubspannungen im Latsch in Längsrichtung. Diese Schubspannungen p U sind symmetrisch verteilt, sofern keine Umfangskräfte wirken. Zeichnen Sie in das folgende Bild die Verläufe der örtlichen Haft- und Gleitgrenze ein. p UB (im Latsch nach hinten) x [cm] p UA (im Latsch nach vorne) Latschlänge Bild : Verlauf der Schubspannungen beim drehenden Rad. Es bedeuten: p UB = Schubspannungen entgegen Fahrtrichtung (bremsende Schubspannungen) p UA = Schubspannungen in Fahrtrichtung (antreibende Schubspannungen) - 2 -

3 i) Nach welcher Formel lassen sich die Gleitgrenze und die Haftgrenze berechnen? Erläutern Sie die einzelnen Größen der Formeln. j) Zeichnen Sie den Verlauf der Schubspannungen für ein freirollendes Rad in das obige Bild ein. k) Zeichnen Sie den Verlauf der Schubspannungen für ein schwach gebremstes Rad (es liegen praktisch noch keine Gleitungen vor). l) Zeichnen Sie den Verlauf der Schubspannungen für ein stark gebremstes Rad (es liegen im Latsch deutliche Gleitungen vor). m) Wie kann man die Umfangskraft (Beispiel Bremskraft) aus dem Schubspannungsverlauf in obigem Bild berechnen? Es ist ausreichend, den Rechenweg zu beschreiben. n) Welche zwei Arten von Schlupf gibt es? Nennen Sie jeweils die Ursache für das Auftreten. o) Wie ist der Zusammenhang zwischen Seitenkraft S und Reifenrückstellmoment M? Geben Sie hierzu eine Formel an. Zeichnen Sie den Verlauf beider Größen über dem Schräglaufwinkel ein. S M Bild : Verlauf der Seitenkraft und des Rückstellmoments über dem Schräglaufwinkel. p) Nach der Kamm schen Reibungstheorie sind die maximal übertragbaren Umfangs- und Seitenkräfte durch eine Beziehung begrenzt. Geben Sie die Formel für diese Beziehung an. Tragen Sie für den Fall eines maximal übertragbaren Kraftbeiwert µ h =1 und einer Vertikallast von 4000 N die größtmögliche Kraftresultierende als Hüllkurve in das folgende Diagramm ein. Zeichnen Sie beispielhaft eine Kennlinie für einen kleinen Schräglaufwinkel (1 ) und eine Kennlinie für einen großen Schräglaufwinkel (8 ) ein. Beschriften Sie die Achsen und benennen Sie die Kurven

4 Bild: Seitenkraft Umfangskraftkennfeld. q) Skizzieren Sie den Verlauf der Verlustleistung am Reifen P über der Umfangskraft U F bei konstanter Radlast und Fahrgeschwindigkeit. Kennzeichnen Sie die wichtigen Grenzen, Betriebszustände und -bereiche. In welchem Betriebspunkt befindet sich ein Rad, wenn es sich im nicht angetriebenen Zustand (Antriebsmoment M = 0 Nm) befindet? Kennzeichnen Sie diesen Punkt. Wie kann die Verlustleistung in diesem Punkt berechnet werden? P U F,b r 0 U F,an Bild: Verlustleistung über Umfangskraft bei konstanter Radlast und Fahrgeschwindigkeit - 4 -

5 2 Aufgaben zur Lenkung a) Die mechanische Koppelung zwischen den Einschlagwinkeln L und R der beiden Vorderräder kann über ein einfaches Lenktrapez erfolgen. Skizzieren Sie ein solches einfaches Lenktrapez. Markieren Sie jeweils durch einen deutlichen Punkt, wo Gelenke angeordnet sind. Skizzieren Sie, wo die Anbindung an die Karosserie (bzw. den Achsträger) erfolgt. Verwenden Sie für diese Anbindung folgendes Zeichen: Karosserie Zeichnen Sie auch die beiden Räder ein. b) Nennen Sie die beiden wichtigsten manuellen Lenkungen (Bauarten)