Skriptum. Grundlagen der Fahrdynamik von mehrspurigen Kraftfahrzeugen

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1 Skriptum Grundlagen der Fahrdynamik von mehrspurigen Kraftfahrzeugen Autor: Fabian Bernhardt B.Eng. Mechatronik

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Grundlagen Koordinatensystem, Definitionen Kräfte am Fahrzeug Gewichtskraft Normalkraft und Hangabtriebskraft Reibungskraft Zentrifugalkraft Fahrwiderstände Rollwiderstand Luftwiderstand Beschleunigungswiderstand Steigungswiderstand Antriebskraft Bremskraft Fahrzeug Längsdynamik Beschleunigungsfähigkeit Bremsfähigkeit Höchstgeschwindigkeit Steigungsfähigkeit Radschlupf Fahrzeug Querdynamik Kurvengrenzgeschwindigkeit Kammscher Kreis Schräglaufwinkel Schwimmwinkel Kritische Fahrzustände - Eigenlenkverhalten Eigenlenkverhalten Untersteuern Übersteuern Neutrales Eigenlenkverhalten Ermittlung des Eigenlenkverhaltens Methoden Analytisch Simulation Fahrversuch Probleme des Fahrversuchs Kosten Mangelnde Reproduzierbarkeit Messgrößen und Messtechnik Messgrößen Messtechnik Fahrwerksauslegung und -abstimmung Beeinflussung des Eigenlenkverhaltens (Fahrwerksauslegung/-abstimmung) Beeinflussung in Richtung Untersteuern Beeinflussung in Richtung Übersteuern Quellen- und Literaturverzeichnis...19

3 1 Einleitung Die Fahrdynamik beschäftigt sich mit der Bewegung von Fahrzeugen. Betrachtet werden dabei Kraft, Weg, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Arbeit und Leistung. Dabei bedient sich die Fahrdynamik der Gesetzmäßigkeiten der klassischen Mechanik, einem Teilgebiet der Physik. Das bedeutet alle in dieser Ausarbeitung beschriebenen Zusammenhänge lassen sich auf physikalische Gesetzmäßigkeiten zurückführen. Der Hauptteil dieser Ausarbeitung ist in drei größere Teile gegliedert, Kapitel 2 bis 4. Kapitel 2 beschreibt die Grundlagen der Fahrdynamik. Dazu gehört die Definition von Begriffen und einem Fahrzeug-Koordinatensystem sowie die Kräfte und Fahrwiderstände die auf das Fahrzeug einwirken. Außerdem wird hier auf die Unterscheidung zwischen Längs- und Querdynamik eingegangen. Kapitel 3 beschreibt Methoden der Fahrdynamik. Hier geht es darum, welche Möglichkeiten es gibt, um wichtige Kenngrößen der Fahrdynamik zu bestimmen. Dazu gehören analytische Methoden, die numerische Computersimulation und der experimentelle Fahrversuch. Kapitel 4 beschreibt die Auslegung oder Abstimmung des Fahrwerks mithilfe der Erkenntnisse aus Kapitel 3. Es werden dabei auch konkrete Beispiele genannt, zum Beispiel welche Parameter am Fahrwerk verändert werden müssen, um das Fahrverhalten in eine bestimmte Richtung zu beeinflussen. Ziel dieser Arbeit soll es sein, einen Überblick über die Grundlagen der Fahrdynamik zu verschaffen. Das Thema Fahrdynamik wird hierbei nicht abschließend behandelt, sondern sollte bei Bedarf durch spezialisierte Literatur vertieft werden. 3

4 2 Grundlagen In diesem Kapitel sollen die Grundlagen zur Fahrdynamik erarbeitet werden. Dazu gehört das Festlegen von Definitionen und Erläutern von physikalischen Zusammenhängen. Die Definitionen befinden sich in den entsprechenden Normen aus dem Literaturverzeichnis. Die mathematischen Gleichungen stammen teilweise aus gängiger Fachliteratur [KH11],[HK04] und aus eigener Herleitung. 2.1 Koordinatensystem, Definitionen Die Norm DIN beschreibt für Anwendungsfälle der Fahrzeugtechnik ein Koordinatensystem. Abb. 2.1: Koordinatensystem nach DIN Quelle [KH11] Abbildung 2.1 beschreibt die 3 translatorischen sowie die 3 rotatorischen Fahrzeugachsen. Translatorisch: x = Bewegung entlang der Fahrzeuglängsachse (Zucken) y = Bewegung entlang der Fahrzeugquerachse (Schieben) z = Bewegung entlang der Fahrzeughochachse (Heben/Senken) Rotatorisch: φ = Rotation um die Fahrzeuglängsachse (Rollen, Wanken) θ = Rotation um die Fahrzeugquerachse (Nicken) Ψ = Rotation um die Fahrzeughochachse (Gieren) 4

5 2.2 Kräfte am Fahrzeug Während der Fahrt wirken auf das Fahrzeug eine Vielzahl von Kräften. Kräfte werden gewöhnlich an den Aufstandsflächen der Reifen (Reibkräfte), am Massenschwerpunkt (Massenträgheit, Beschleunigung) oder an der Karosserie (Luftwiderstand) eingeleitet. Dabei können die Kräfte längs, quer oder in vertikaler Richtung wirken. In diesem Kapitel sollen eine Reihe von Kräften aufgezählt werden, welche im Fahrbetrieb auf das Fahrzeug einwirken Gewichtskraft Die Gewichtskraft ist die Kraft, die aus der Masse des Fahrzeugs und der Masse der Erde (Erdbeschleunigung) resultiert und senkrecht zur Erde wirkt, d.h. zum Erdmittelpunkt hin. F G =m g FG = Gewichtskraft [N] m = Fahrzeugmasse [kg] g = Erdbeschleunigung [m/s²] Normalkraft und Hangabtriebskraft Verläuft die Fahrbahn nicht tangential zur Erde, sondern das Fahrzeug befindet sich auf einer Steigung oder einem Gefälle, so muss die Gewichtskraft aus in zwei Kraftkomponenten zerlegt werden: 1. Die Normalkraftkomponente ist die Kraft die senkrecht zur Fahrbahn wirkt. F N =m g cos α 2. Die Hangabtriebskraftkomponente ist die Kraft die parallel zur Fahrbahn wirkt. F H =m g sin α FN = Normalkraft [N] FH = Hangabtriebskraft [N] m = Fahrzeugmasse [kg] g = Erdbeschleunigung [m/s²] α = Winkel der Fahrbahn zur Tangente der Erdkugel [Winkel ] Reibungskraft Die Reibungskraft ist die Kraft, die als Gegenkraft am Reifen entsteht und parallel zur Fahrbahn wirkt. Die Höhe der möglichen Reibungskraft wird dabei bestimmt durch die 5

6 Normalkraft multipliziert mit dem Reibungsbeiwert der Paarung Reifen/Fahrbahn. F Reib =µ F N FReib = Reibungskraft [N] µ = Reibungszahl FN = Normalkraft [N] Zentrifugalkraft Die Zentrifugalkraft entsteht durch Massenträgheit bei Richtungsänderung eines sich bewegenden Körpers (Kurvenfahrt) und wirkt zur Kurvenaußenseite. F Z = m v2 r oder F Z =m ω 2 r FZ = Zentrifugalkraft [N] m = Fahrzeugmasse [kg] v = Fahrgeschwindigkeit [m/s] ω = Winkelgeschwindigkeit [rad/s] r = Kurvenradius [m] Fahrwiderstände Die Fahrwiderstände bilden in der Fahrdynamik wichtige Größen. Sie stellen die Gegenkraft der Antriebskraft dar und sind zur Berechnung von bspw. Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit, Steigungsfähigkeit oder Kraftstoffverbrauch von Bedeutung Rollwiderstand Rollwiderstandskräfte sind Kräfte die durch Lagerreibung oder Walkarbeit der Reifen erzeugt werden. F R = f R F N + F Lager FR = Rollwiderstandskraft [N] fr = Rollwiderstandsbeiwert FN = Radlast [N] FLager = Widerstandskräfte durch Lager- und Zahnflankenreibung verursacht [N] 6

7 Luftwiderstand Luftwiderstandskräfte werden durch die Verdrängung der Luftmasse des sich bewegenden Fahrzeugs erzeugt. Die Luftwiderstandskraft ist linear abhängig von der Fahrzeugstirnfläche, dem fahrzeugspezifischen Luftwiderstandsbeiwert und der Luftdichte. Die Fahrgeschwindigkeit geht quadratisch in die Gleichung ein. F W = c W A ρ v 2 2 FW = Luftwiderstandskraft [N] cw = Luftwiderstandsbeiwert A = Stirnfläche der Fahrzeugsilhouette [m²] ρ = Luftdichte v = Fahrgeschwindigkeit [m/s] Beschleunigungswiderstand Der Beschleunigungswiderstand ist eine durch Massenträgheit hervorgerufene Kraft, die bei einer Fahrgeschwindigkeitsänderung des Fahrzeugs wirkt. Der Beschleunigungswiderstand ist positiv wenn die Fahrgeschwindigkeit zunimmt und negativ wenn die Fahrgeschwindigkeit abnimmt. Beschleunigungswiderstand: F B =m a FB = Beschleunigungswiderstand [N] m = Fahrzeugmasse [kg] a = Beschleunigung [m/s²] Hinweis: Hier soll nur der vereinfachte Fall angenommen werden und nur der translatorische Anteil betrachtet werden. Genaugenommen entsteht neben dem translatorischen Anteil auch noch ein rotatorischer Beschleunigungswiderstand, weil ein Teil der Massen des Fahrzeugs sich nicht nur translatorisch fortbewegt, sondern zusätzlich rotiert. Diejenigen Massen müssten somit doppelt berücksichtigt werden, zum einen translatorisch, zum anderen rotatorisch. Dies wäre möglich, indem die entsprechenden rot. Massen mit ihrem Trägheitsmoment erfasst werden und in den Beschleunigungswiderstand mit einbezogen werden Steigungswiderstand Der Steigungswiderstand entsteht, wenn die Fahrbahn einer Steigung entspricht und die Gewichtskraft in die Komponenten senkrecht und parallel zur Fahrbahn zerlegt wird. Der Steigungswiderstand entspricht damit der Hangabtriebskraft (je nach Definition mit umgekehrtem Vorzeichen, vgl. Kapitel 2.2.2). 7

8 Der Steigungswiderstand wird negativ, wenn das Fahrzeug ein Gefälle befährt. F St =m g sin α FSt = Steigungswiderstand [N] m = Fahrzeugmasse [kg] g = Erdbeschleunigung [m/s²] α = Steigungswinkel [Winkel ] Antriebskraft Um die Fahrwiderstände aus überwinden zu können, wird eine entsprechende Antriebskraft benötigt. Dabei gilt: F Antrieb =F Fahrwiderstand F Antrieb = M Mot i Getriebe i Diff r Reifen FAntrieb = Antriebskraft (Radzugkraft) der Reifen zur Fahrbahn [N] MMot = Motordrehmoment [Nm] igetriebe = Übersetzungsverhältnis Getriebe idiff = Übersetzungsverhältnis Differential rreifen = dynamischer Reifenhalbmesser [m] Bremskraft Hier vereinfacht und anhand einer hydraulischen Bremsanlage mit Scheibenbremsen dargestellt. F Brems i = F Betätigung i Bremspedal i Verstärkung i Hydraulik r Radbremse 2 µ Radbremse r Reifen FBrems i = Bremskraft eines Rades (i) gegenüber der Fahrbahn [N] FBetätigung = Betätigungskraft am Bremspedal [N] ibremspedal = mechanisches Übersetzungsverhältnis Bremspedal auf Hauptbremszylinder iverstärkung = Verstärkungsfaktor Bremskraftverstärkung ihydraulik = Übersetzungsverhältnis zwischen Hauptbremszylinder und Radbremszylinder rradbremse = wirksamer Radius der Radbremse [m] µradbremse = Reibbeiwert Radbremse (hier mit Faktor 2 für zwei Reibbeläge einer Bremsscheibe) rreifen = dynamischer Reifenhalbmesser [m] 8

9 2.3 Fahrzeug Längsdynamik Beschleunigungsfähigkeit Herleitung von Gleichungen für die Beschleunigungsfähigkeit nach Beschleunigung a, Zeit t und Weg s. Beschleunigung: F =m a => a= F m a= F Antrieb F R F W F St m Zeit: t= 2 s a oder t= 2 s v oder t= v a Weg: s= a t2 2 oder s= v2 2 a oder s= v t 2 F = Kraft [N] m = Fahrzeugmasse [kg] a = Beschleunigung [m/s²] FAntrieb = Antriebskraft (Radzugkraft) der Reifen zur Fahrbahn [N] FR = Rollwiderstandskraft [N] FW = Luftwiderstandskraft [N] FSt = Steigungswiderstand [N] t = Zeit [s] s = Weg [m] v = Geschwindigkeit [m/s] Die tatsächliche Beschleunigungsfähigkeit ist nicht konstant, da die Antriebskräfte und Fahrwiderstände während der Beschleunigung nicht konstant sind. Nützlich hierzu sind Motordiagramme bzw. Radzugkraftdiagramme und Fahrwiderstandsdiagramme Bremsfähigkeit Für die Bremsfähigkeit werden die Fahrwiderstände Roll-, Luft- und Steigungswiderstand addiert, da diese Fahrwiderstände das Fahrzeug zusätzlich zu den Radbremsen verzögern. a= F Brems +F R +F W + F St m 9

10 FBrems = Bremskraft sämtlicher Räder auf der Fahrbahn [N] FR = Rollwiderstandskraft [N] FW = Luftwiderstandskraft [N] FSt = Steigungswiderstand [N] m = Fahrzeugmasse [kg] Für die Berechnung der Bremsfähigkeit bezüglich Zeit und Weg können die Gleichungen aus analog zur Beschleunigung angewendet werden Höchstgeschwindigkeit Sobald F Antrieb max =F W + F R +F St ist die Beschleunigungsfähigkeit des Fahrzeugs erschöpft (Beschleunigung F B =0 ) und somit die Höchstgeschwindigkeit vmax erreicht. FAntrieb max = maximale Radzugkraft aller angetriebenen Räder [N] FR = Rollwiderstandskraft [N] FW = Luftwiderstandskraft [N] FSt = Steigungswiderstand [N] Steigungsfähigkeit Die Steigungsfähigkeit gibt an, welche Steigung (Winkel) das Fahrzeug aus eigener Antriebskraft befahren kann. Hinweis: Ein möglicher Haftungsverlust der Reifen soll hier nicht berücksichtigt werden. Wenn die Antriebskraft den Fahrwiderständen gleichgesetzt wird (mit Beschleunigung F B =0 ) ergibt sich wie für die Höchstgeschwindigkeit: F Antrieb max =F W + F R +F St So ergibt sich für den möglichen Steigungswiderstand: F St =F Antrieb max F W F R Da F St gleichzeitig der bekannten Definition nach Kapitel entspricht: F St =m g sin α ergibt sich durch Einsetzen: F Antrieb max F W F R =m g sin α Umgeformt nach dem Winkel α ergibt sich somit für die Steigungsfähigkeit: sin α= F Antrieb max F W F R m g α = maximale Fahrbahnsteigung [Winkel ] FAntrieb max = maximale Radzugkraft aller angetriebenen Räder [N] FR = Rollwiderstandskraft [N] FW = Luftwiderstandskraft [N] FSt = Steigungswiderstand [N] m = Fahrzeugmasse [kg] g = Erdbeschleunigung [m/s²] 10

11 2.3.5 Radschlupf Radschlupf entsteht, sobald der sich drehende Reifen eine Kraft in Längs- oder Querrichtung überträgt. Grund hierfür ist die Elastizität des Gummireifens. Eine anschauliche Erklärung zur Entstehung von Antriebs-/Bremsschlupf zeigt folgende Abbildung: Abb : Entstehung Antriebsschlupf Quelle: [KH11] Mit zunehmendem Schlupf nimmt die übertragbare Kraft zunächst zu bis ein Maximum erreicht ist. Bei weiterer Zunahme des Schlupfes wird die übertragbare Kraft wieder geringer. Das Maximum der Haftung liegt bei etwa 20 % Schlupf. Zu beachten ist, ohne Schlupf kann der Reifen keine Kräfte übertragen (Ausnahme: stehendes Fahrzeug). Abb : Längsschlupf Quelle: [KH11] 2.4 Fahrzeug Querdynamik Kurvengrenzgeschwindigkeit Die Kurvengrenzgeschwindigkeit ist die maximal mögliche Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs, mit der ein vorgegebener Kurvenradius gefahren werden kann, ohne den Kurs aufgrund von Haftungsverlust zu verlassen. Das mögliche Kippen eines Fahrzeugs mit hohem Schwerpunkt soll hier nicht berücksichtigt werden. 11

12 Zentrifugalkraft F Z = m v2 r mit Reibungskraft F Reib =µ F N =µ m g gleichgesetzt F Z =F Reib und aufgelöst nach der Geschwindigkeit ergibt: v KurveGrenz = g µ r vkurvegrenz = Kurvengrenzgeschwindigkeit [m/s] FZ = Zentrifugalkraft [N] FReib = Reibkraft Reifen [N] g = Erdbeschleunigung [m/s²] µ = Reibungszahl r = Kurvenradius [m] Kammscher Kreis Der Kammsche Kreis beschreibt den Zusammenhang zwischen den übertragbaren Kraftkomponenten am Reifen, wenn gleichzeitig Längs- und Querkräfte übertragen werden sollen. Diese Situation ist typisch für den realen Fahrbetrieb. Nur selten werden Antriebs-/Bremskräfte oder Seitenführungskräfte alleine übertragen. Abb : Kammscher Kreis Quelle [KH11] F Res = F S 2 +F L 2 FRes = resultierende Kraft [N] FS = Seitenkraft [N] FL = Längskraft [N] Schräglaufwinkel Der Schräglaufwinkel beschreibt den Winkel zwischen der Radmittelebene (Rad-Längsachse) und der tatsächlichen Bewegungsrichtung des Rades. Ein Schräglaufwinkel wird erzeugt, sobald das Fahrzeug fährt und der Reifen aufgrund von Seitenführungskraft Seitenschlupf erfährt. 12

13 2.4.4 Schwimmwinkel Als Schwimmwinkel wird der Winkel zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Bewegungsrichtung des Fahrzeugschwerpunktes bezeichnet Kritische Fahrzustände - Eigenlenkverhalten Eigenlenkverhalten Das Eigenlenkverhalten ist das Bestreben eines Fahrzeugs, die vom Fahrer durch Lenkeinschlag gewünschte Fahrtrichtung zu verlassen. Das Eigenlenkverhalten kann sich dabei als Untersteuern oder Übersteuern darstellen Untersteuern Der Schräglaufwinkel der Vorderräder ist größer als der Schräglaufwinkel der Hinterräder. Das Fahrzeug fährt einen größeren Kurvenradius als gewünscht und verlässt die Fahrbahn zur Kurvenaußenseite Übersteuern Der Schräglaufwinkel der Hinterräder ist größer als der Schräglaufwinkel der Vorderräder. Das Fahrzeug fährt einen kleineren Kurvenradius als gewünscht und verlässt die Fahrbahn zur Kurveninnenseite oder es kommt zur Schleuderbewegung Neutrales Eigenlenkverhalten Der Schräglaufwinkel der Vorderräder ist gleich dem Schräglaufwinkel der Hinterräder. Das Fahrzeug kann die Fahrbahn in Richtung der Kurvenaußenseite verlassen, jedoch ohne seine eigene Orientierung zur Kurventangente zu verändern (gleichmäßiges Schieben an Vorderund Hinterachse) Ermittlung des Eigenlenkverhaltens Die experimentelle Bestimmung des Eigenlenkverhaltens erfolgt in der stationären Kreisfahrt, wobei sich zwei Methoden unterscheiden lassen: Bestimmung nach DIN ISO 4138: Nach dieser Methode wird mit dem Fahrzeug ein Kreis mit konstantem Radius durchfahren und dabei sehr langsam die Fahrgeschwindigkeit erhöht. Aufgezeichnet werden dabei unter anderem der Schräglaufwinkel der Vorder- und der Hinterräder. 13

14 Bestimmung nach DIN 70000: Nach dieser Methode wird mit dem Fahrzeug eine konstante Geschwindigkeit gewählt und ein Kreis mit sehr langsam steigenden Lenkwinkel durchfahren. Dadurch wird der Kurvenradius fortlaufend verkleinert bis die Vorder- und Hinterreifen an ihre Haftungsgrenze geraten. Aufgezeichnet wird dabei unter anderem der Schräglaufwinkel der Vorder- und Hinterräder. Bei beiden Methoden lässt sich aus der Differenz zwischen dem Schräglaufwinkel der Vorderräder und dem Schräglaufwinkel der Hinterräder das Eigenlenkverhalten ermitteln. Dabei gilt: α v α h >0 : Untersteuern α v α h <0 : Übersteuern α v α h =0 : neutrales Eigenlenkverhalten αv = Schräglaufwinkel der Vorderräder [Winkel ] αh = Schräglaufwinkel der Hinterräder [Winkel ] 3 Methoden In diesem Kapitel sollen die Methoden der Fahrdynamik erläutert werden. Es werden die drei gängigen Methoden vorgestellt: Berechnung, Simulation und Versuch. 3.1 Analytisch Analytische (rechnerische) Methoden können nur für einfache Zusammenhänge angewendet werden, wenn komplexe Zusammenhänge, wie sie in der Fahrphysik auftreten, vernachlässigt werden. Beispielsweise kann das Fahrzeug als Massenpunkt betrachtet werden, so können Größen wie Beschleunigungs- oder Verzögerungseigenschaften, Kurvengeschwindigkeiten etc. vereinfacht durch Rechnung ermittelt werden (vgl. Kapitel 2.3 und 2.4). 3.2 Simulation Die Computersimulation (numerische Simulation) wird in der Fahrdynamik verwendet, um das Fahrverhalten eines Fahrzeugs zu untersuchen, bevor die Konstruktion tatsächlich erstellt werden muss. Mithilfe der Simulation können auch komplexere Zusammenhänge als bei der analytischen Methode überprüft werden. So werden in einer Simulationsumgebung (Computersoftware) Fahrzeug- und Fahrermodelle erstellt. Das Fahrzeugmodell kann aus beliebig vielen Einzelkomponenten bestehen. Es kann jedes einzelne bewegliche Teil am Fahrwerk mit seinen Abmessungen, Bewegungsrichtung und seiner eigenen Massenträgheit berücksichtigt werden. Auch das Verhalten des Fahrermodells ist beliebig konfigurierbar, so 14

15 können Reaktionszeiten und Verhaltensmuster des Fahrers exakt vorbestimmt werden. Der Vorteil der Computersimulation sind die geringeren Kosten gegenüber echten Fahrversuchen, außerdem ist die Reproduzierbarkeit vollständig gegeben. Es kann die Auswirkung von kleinsten Änderungen untersucht werden, ohne dabei Gefahr zu laufen, durch Messtoleranzen oder nicht einheitliche Testbedingungen das Ergebnis falsch zu interpretieren - so wie es im Versuch schnell der Fall sein kann. 3.3 Fahrversuch An dritter Stelle hier aufgeführt ist eine experimentelle Methode - der Fahrversuch. Für den Fahrzeughersteller nach der Berechnung und der Simulation die letzte Methode, um das Fahrverhalten zu bestimmen. Für die Begutachtung von Fahrzeugen manchmal die einzige Methode, um eine Aussage über das Fahrverhalten treffen zu können. Hier erfolgt eine Aufzählung von Fahrversuchen, welche es ermöglichen das Fahrverhalten von Fahrzeugen messbar und reproduzierbar zu machen. Verwendung finden solche Versuche in der Entwicklung und Begutachtung von Fahrzeugen, zum Beispiel bei der Entwicklung eines neuen Fahrzeugtyps oder Fahrzeugteilen. So zeigt beispielsweise die stationäre Kreisfahrt welches Eigenlenkverhalten ein Fahrzeug aufweist oder der VDA-Ausweichtest (Elchtest) wie das Fahrzeug auf wechselseitiges Lenken reagiert (Aufschaukeln). Aufzählung möglicher Fahrversuche mit Verweis auf Normung: ISO Spurwechseltest (ISO ) - ähnlich VDA-Spurwechseltest VDA Ausweichtest (ISO ) - ähnlich Elchtest Stationäre Kreisfahrt (ISO 4138) - siehe auch Kapitel Bremsen in der Kurve (DIN ISO 7975) Lastwechsel am Kreis (ISO 9816) Lastwechsel aus stationärer Kreisfahrt Sinuswedeltest (DIN ISO 7401) Lenkwinkelsprung (DIN ISO 7401) Bremsen aus hoher Geschwindigkeit Test der Höchstgeschwindigkeit NHTSA J-Turn NHTSA Fish-Hook Dabei werden die Versuche je nach Beschreibung im Openloop-Verfahren oder im Closedloop-Verfahren durchgeführt: Openloop-Verfahren: Es werden fest vorbestimmte Größen auf die Bestätigungseinrichtungen des Fahrzeugs gegeben (bspw. vorgegebener Lenkwinkel und Fahrgeschwindigkeit). 15

16 Closedloop-Verfahren: Es wird versucht ein vorbestimmtes Verhalten des Fahrzeugs zu produzieren (bspw. vorgegebener Kurvenradius) und bedient dabei die Betätigungseinrichtungen entsprechend um das gewünschten Verhalten des Fahrzeugs zu erzielen (geschlossener Regelkreis) Probleme des Fahrversuchs Kosten Ein Nachteil des Fahrversuchs gegenüber der Simulation besteht in den hohen Kosten für die Durchführung der Versuche. Außerdem ist der Fahrversuch eine Methode, welche erst zu einem späteren Zeitpunkt im Produktentstehungsprozess angewendet werden kann. Das bedeutet, dass Änderungen in einer dieser späten Phase aufwendiger und damit kostenintensiver sind als in einer frühen Phase der Entwicklung. Fehler in einem Produkt sollten in einem möglichst frühen Entwicklungsschritt bereits erkannt werden, weil hier die resultierenden Kosten für die Umgestaltung der Konstruktion kleiner ausfallen. Aus diesen Gründen werden vom Fahrzeughersteller für einen neuen Fahrzeugtyp immer zuerst möglichst viele Fahrsituationen simuliert und erst später das Ergebnis im Fahrversuch verifiziert Mangelnde Reproduzierbarkeit Fahrversuche werden klassischerweise von Menschen als Fahrzeugführer durchgeführt. Der Mensch besitzt jedoch die Eigenschaft Vorgänge nicht exakt wiederholen zu können, außerdem sind unterschiedliche Versuchsfahrer in ihrem Handeln nicht identisch. Ein weiteres Problem besteht darin, dass an unterschiedlichen Versuchstagen und Zeiten nicht die selben Bedingungen bezüglich Temperatur, Luftfeuchte, Fahrbahnbeschaffenheit, etc. herrschen. So besteht zum Beispiel bei Fahrdynamikversuchen ein großer Einfluss der Reifentemperatur, welche nur schwierig über mehrere Versuche hinweg konstant zu halten ist. Genauso schlecht ist die Temperatur der Radbremsen für Bremsversuche konstant zu halten. Dies bereitet das Problem der mangelnden Reproduzierbarkeit. D.h. werden über die Entwicklungshistorie eines Fahrzeuges mehrere Versuche notwendig, ist eine Vergleichbarkeit und damit die Fortentwicklung des Produktes nicht sichergestellt. Lösungsansätze sind: Normierung der Versuche um Vergleichbare Bedingungen und Verfahren zu schaffen (vgl. Kapitel 3.3 Fahrversuch) Aufzeichnung möglichst vieler Einflussgrößen während des Versuchs mit Messinstrumenten (vgl. Kapitel Messgrößen und Messtechnik) Einsatz von Fahrrobotern (Lenk- und Pedalroboter) um Vorgänge exakt reproduzierbar zu machen 16

17 3.3.2 Messgrößen und Messtechnik Messgrößen Wichtige Größen sind u.a.: Weg, Zeit Geschwindigkeit: Fahrzeuggeschwindigkeit (x, y, z), Lenkwinkelgeschwindigkeit, Giergeschwindigkeit Beschleunigung (x, y, z) Winkel: Lenkwinkel, Gierwinkel, Wankwinkel, Nickwinkel, Schräglaufwinkel, Schwimmwinkel Temperatur: Umgebungstemperatur, Fahrbahntemperatur, Reifentemperatur, Bremsentemperatur Drehzahl: Raddrehzahl, Motordrehzahl Radschlupf Radzugkraft Messtechnik Messtechnik zum Ermitteln der Größen: Weg: GPS oder Peiseler Rad Fahrgeschwindigkeit: GPS (Messung der Frequenzverschiebung) oder aus Weg und Zeit (GPS / Peiseler Rad) Beschleunigung: (mikromechanische) Beschleunigungssensoren Winkel: Hallsensor, (mikromechanische) Drehratesensoren Temperatur: NTC-/PTC-Widerstand, Thermoelement, Infrarot Drehzahl: Hall-/Induktivsensoren oder über Fahrzeug-Bussystem (z.b. CAN-Bus) Kraft/Moment: Dehnungsmessstreifen (DMS Messwiderstände) Die restlichen Messgrößen können aus anderen Messgrößen berechnet werden. 17

18 4 Fahrwerksauslegung und -abstimmung 4.1 Beeinflussung des Eigenlenkverhaltens (Fahrwerksauslegung/- abstimmung) Wird durch Simulation oder Versuch festgestellt, dass das Eigenlenkverhalten eines Fahrzeugs nicht dem gewünschten entspricht, kann das Eigenlenkverhalten durch die folgenden Maßnahmen beeinflusst werden Beeinflussung in Richtung Untersteuern Dabei wird der Schräglaufwinkel der Vorderräder vergrößert oder der Schräglaufwinkel der Hinterräder verkleinert. schmälere Reifen an der Vorderachse oder breitere Reifen an der Hinterachse kleinerer negativer Sturz an der Vorderachse oder größerer negativer Sturz an der Hinterachse verkleinern der Spurweite der Vorderachse oder vergrößern der Spurweite der Hinterachse (je nach Parameter und Achskonstruktion auch gegenteiliger Effekte möglich, Versuch notwendig) Schwerpunkt an der Hinterachse weiter nach unten zur Fahrbahn verlegen oder Schwerpunkt der Vorderachse weiter nach oben verlegen Verstärkung der Wanksteifigkeit der Vorderachse (stärkerer Stabilisator oder Federn vorne) oder Schwächung der Wanksteifigkeit der Hinterachse (schwächerer Stabilisator oder Federn hinten) gegensinnige Lenkeffekte der Hinterachse vermeiden, gleichsinnige Lenkeffekte fördern, durch Verändern der Achskonstruktion (Achskinematik) Beeinflussung in Richtung Übersteuern Wird festgestellt, dass das Fahrzeug zu sehr untersteuert, muss das Eigenlenkverhalten soweit in Richtung Übersteuern verändert werden, bis es dem gewünschten Eigenlenkverhalten entspricht. Dabei wird der Schräglaufwinkel der Hinterräder vergrößert oder der Schräglaufwinkel der Vorderräder verkleinert. Das gewünschte Eigenlenkverhalten entspricht bei einem Fahrzeug zur gewöhnlichen Straßenbenutzung immer einem untersteuernden Verhalten, weil dieses Eigenlenkverhalten einfacher zu beherrschen ist, als das Übersteuern. Auf eine Aufzählung der einzelnen Maßnahmen soll an dieser Stelle verzichtet werden, weil 18

19 die erforderlichen Maßnahmen im umgekehrten Sinne denen aus Kapitel entsprechen. D.h. die Maßnahmen sind für Vorder- bzw. Hinterachse jeweils umgekehrt anzuwenden. Als weiterführende Literatur zur Fahrwerksabstimmung soll an dieser Stelle auf [WW11] aus dem Literaturverzeichnis verwiesen werden. 5 Quellen- und Literaturverzeichnis Literatur: [KH11] Prof. Dr.-Ing. Karl-Ludwig Haken, Hochschule Esslingen: Grundlagen der Kraftfahrzeugtechnik, Carl Hanser Verlag 2011, ISBN: [HK04] Horst Kuchling: Taschenbuch der Physik, Carl Hanser Verlag 2004, ISBN: [WW11] Wolfgang Weber: Fahrdynamik in Perfektion, Motorbuch-Verlag Stuttgart 2011, ISBN: Normen: DIN / ISO 8855: Fahrzeugdynamik und Fahrverhalten, Begriffe, Definitionen DIN ISO 7975: Bremsen in der Kurve, Testverfahren im offenen Regelkreis DIN ISO 7401: Testverfahren für querdynamisches Übertragungsverhalten ISO : ISO Spurwechseltest ISO : VDA Ausweichtest ISO 4138: Stationäre Kreisfahrt ISO 9816: Lastwechsel am Kreis 19