Dynamik der Kraftfahrzeuge

Transkript

1 Manfred Mitschke Henning Wallentowitz Dynamik der Kraftfahrzeuge 5, überarbeitete und ergänzte Auflage Springer

2 1 Einführung 1 11 Übersicht über die dynamischen Probleme 1 12 Aufteilung in Einzelprobleme 3 13 Gliederung des Buches 4 Teil I Reifen und Aerodynamik 2 Reifen 9 21 Reifeneigenschaften in Umfangsrichtung Radwiderstand Rollwiderstand Schwallwiderstand Lagerreibung, Restbremsmoment Weitere Radwiderstände Gesamter Radwiderstand Kraftschluss in Umfangsrichtung, Schlupf Größe von Haftbeiwerten ^ Zum Verständnis der ^-S-Kurve Reifeneigenschaften in vertikaler Richtung Druckverteilung im Latsch Reifenfederung und -dämpfung Reifenfederkonstante, -subtangente Reifendämpfung Reifeneigenschaften in Seitenrichtung Seitenkraft, Rückstellmoment, Schräglaufwinkel Zum Verständnis der Schräglaufcharakteristiken Seitenkraftbeiwert (cornering stiffness) Einfluss des Sturzes Schwenkmoment im Stand Einfluss der Umfangskraft auf die Reifenkennlinien 46 VII

3 VIII 235 Reifenmodelle Einlaufverhalten des Reifens 52 3 Aerodynamik des Kraftfahrzeuges Luftkräfte und-momente Anströmgeschwindigkeit und-winkel, Luftdichte Querspantfläche Luftwiderstand, Luftwiderstandsbeiwerte cx bzw cw Auftrieb, Spoiler Seitliche Luftbelastungen, Druckmittelpunkt 66 Teil II Antrieb und Bremsung 4 Einleitung 73 5 Fahrwiderstände, Leistungsbedarf Grundgleichung für den Antrieb, Zugkraft Radwiderstand des Fahrzeuges Steigungswiderstand Beschleunigungswiderstand Gesamtwiderstand, Moment an den Antriebsrädern Leistung an den Antriebsrädern Radleistung bei Vernachlässigung des Schlupfes Radleistung bei Berücksichtigung des Schlupfes Gebräuchliche Umrechnungen 87 6 Leistungsangebot, Kennfelder von Kraftfahrzeugantrieben Grundsätzliches zum Kennfeld, ideales Lieferkennfeld Kennungen von Antriebsmaschinen (Fahrzeugmotoren) Dampfmaschine Elektrische Antriebe Oberleitungsbus Batteriebetriebene Elektroautos Wiederaufladbare Traktions-Batterien Brennstoffzelle Verbrennungsmotor Kraftstoffe Hybrid-Antriebe Gasturbine 106

4 IX 63 Kennungswandler, Zusammenarbeit mit Verbrennungsmotoren Forderungen an das Übersetzungsverhältnis Drehzahlwandler, allgemein Mechanische (Reibungs-) Kupplung Hydrodynamischer Drehzahlwandler (Föttinger-Kupplung) Drehmomenten-Drehzahl-Wandler, allgemein Zusammenarbeit Verbrennungsmotor und Stufengetriebe Automatisierte Schaltgetriebe Doppelkupplungsgetriebe (DCT) Stufenloses Getriebe (CVT) Automatikgetriebe (AT): Zusammenarbeit Verbrennungs motor und Trilok-Wandler Brauchbarkeit der Antriebsmaschinen für den Kraftfahrzeugbetrieb Vergleich der Volllastkennlinien Massenvergleich, verschiedene Energiespeichersysteme, Reichweite Bemerkungen zu Schadstoffemissionen, Brennstoffzelle Fahrleistungen und Kraftstoffverbrauch Fahrzustandsschaubilder Höchstgeschwindigkeit in der Ebene, kleinste Übersetzung Steigfähigkeit bei konstanter Fahrgeschwindigkeit Steigfähigkeit im höchsten Gang, Motor- und Fahrzeug elastizität Größte Steigfähigkeit, größte Übersetzung, Spreizung Gefällefahrt Beschleunigungsfähigkeit in der Ebene Geschwindigkeiten, Wege, Zeiten Einflüsse auf die Beschleunigungsfähigkeit Übersetzung der Zwischengänge Zugkraftunterbrechung Kraftstoffverbrauch und C02-Ausstoß Wesentliche Einflüsse auf den Kraftstoffverbrauch Kraftstoffverbrauch bei veränderlichem Motorwirkungsgrad 763 Verbrauchsgünstige Übersetzung des Kennungswandlers Übersetzung für den Spargang Verbesserung des Motorkennfeldes C02-Ausstoß 178

5 X 8 Fahrgrenzen Bewegungsgleichungen eines zweiachsigen Fahrzeuges Kraftschluss an Vorder-und Hinterachse Kraftschluss bei Vorder-bzw Hinterachsantrieb Unbeschleunigte Fahrt in der Ebene Steigungsfahrt (unbeschleunigt) Beschleunigte Fahrt (in der Ebene) Traktionshilfen für den Fahrer, Schlupfregelung, DifTerenzialsperre Allradantrieb Ideale Momentenaufteilung Reale Momentenaufteilung Steigungsfahrt von Kraftfahrzeugzügen und Dreiachsern Kraftfahrzeugzüge Dreiachsfahrzeuge Bremsung Umwandlung der Bewegungsenergie in Wärme Bremsvorgang, Bremswege Bremsvorgang, Reaktionsdauer Anhalteweg, Bremsweg Notbremsung, normale Abbremsung Abstände bei Kolonnenfahrt Abbremsung, maximale Verzögerungen, Gütegrad Definition von Abbremsung, Bremskräfte Bereich der erzielbaren Abbremsung Haftwertausnutzung, Gütegrad, Bremswegverlängerung 94 Kraftschluss und Abbremsung an einem zweiachsigen Fahrzeug Stabilität, Lenkfähigkeit, Dosierbarkeit am Bremspedal Bremskraftverteilung Ideale Bremskraftverteilung Darstellung BH=f(Bv) Anforderungen an Bremsanlagen, gesetzliche Vorschriften Blockierverhinderer Elektronische Bremskraftverteilung (EBV) Blockierendes Rad Lösung im Bereich 0 < S < Sc Lösung im Bereich Sc < S < Für den Blockiervorgang wichtige Größen Feste, abgeknickte und beladungsabhängige Bremskraftverteilung Feste Bremskraftverteilung Abgeknickte Bremskraftverteilung 252

6 XI 9103 Beladungsabhängige Bremskraftverteilung Einfluss veränderlicher Fahrgeschwindigkeit Fußkraft, Bremsassistent Pedalkraft in Abhängigkeit von Verzögerung und Pedalweg Bremsassistent Ausfall von Bremsanlagen Ausfall eines Kreises Bremskraftverstärker-Ausfall Abbremsung von Kraftfahrzeugzügen Lkw und Mehrachsanhänger Pkw und Einachsanhänger Sattelkraftfahrzeug Elektrische Bremse, Retarder Bremsen im Triebstrang Bremsen am Rad Rückgewinnung der Bremsenergie 278 Zusammenfassung von Teil II 285 Teil III Schwingungen 10 Einleitung Schwingungsersatzsysteme Vereinfachte Schwingungsersatzsysteme Einführung, Schwingungsanregung, regellose Schwingungen Einmassensystem Eigenschwingungen Erregerschwingungen Fahrzeugtechnische Anwendungen Vergleich hydraulische Dämpfung, Gummi- und Luftdämpfung Verschiedene Anregungen Erregerschwingungen durch Unebenheiten Erregerschwingungen durch Motoranregung Erregerschwingungen durch Rad-Reifenanregungen Ungefederte" Kraftfahrzeuge Schwingungseigenschaften von Sitzen Sinusförmige Anregung Harmonische Anregungen Periodische Anregungen 328

7 XII 114 Stochastische Unebenheiten, statistische Kennzahlen, Spektrale Dichten Stochastische Unebenheiten Statistische Kennzahlen Spektrale Dichten Spektrale Dichte der Fahrbahnunebenheiten Messergebnisse von Oh (fi) Anschauliche Deutungen für cdh (fi) Einzelhindernisse Beurteilungsmaßstäbe und ihre Berechnung Radlastschwankung, Fahrsicherheit, Straßenbeanspruchung Fahrsicherheit Straßenbeanspruchung Radlaststoßfaktor Federwege Sitzfederweg Radfederweg Beurteilung der Schwingungseinwirkung auf Fahrzeuginsassen Ganzkörperschwingungen Beurteilung der Schwingungen bei mehreren Einleitungsstellen Sinusförmige/Periodische Anregung Stochastische Anregung Mehrfache Anregungen Beurteilung beim Überfahren von Einzelhindernissen Kraftfahrzeug, Unebenheits-Einpunktanregung Bewegungsgleichungen, bezogene Größen Stochastische Schwingungen, Vergrößerungsfunktionen, Beurteilungsmaßstäbe Radlastschwankung, Fahrsicherheit Aufbaubeschleunigung, Bewertete Schwingstärke für Hände und Füße Sitzbeschleunigung, Bewertete Schwingstärke auf dem Sitz Dynamische Federwege Einfluss von Unebenheit und Fahrgeschwindigkeit Betrachtung der maximalen Fahrgeschwindigkeit bezüglich Fahrsicherheit Überfahren von Einzelhindernissen Einfluss der Aufbaueigenfrequenz 384

8 Fahrkomfort, XIII 136 Einfluss des Aufbaudämpfungsmaßes Optimierung von Federung und Dämpfung, Konflikt- Schaubild Zusammenfassung Einfluss der Sitzeigenfrequenz und des Sitzdämpfungsmaßes Einfluss der Radmasse Einfluss der Reifenfederung Beladungsabhängigkeiten Einfluss der Beladung Anpassung der Fahrzeugdaten an die Beladung Hinweise zur schwingungstechnischen Auslegung Hinweise für die Aufbaufederung Hinweise für die Dämpfung, weitere Grenzen für Komfort und Fahrsicherheit Hinweise für Radmasse, Reifen, Sitz und Beladung Anmerkungen zu nichtlinearen Kennungen Linearisierung nichtlinearer Feder- und Dämpferkennungen Nichtlineare Federkennungen Nichtlineare Dämpferkennung Geknickt-lineare Dämpferkennung Reibungsdämpfung Radabheben Geregelte Fahrwerke Anforderungen an ideal geregelte Fahrwerke bei Unebenheits anregung Konflikt Fahrsicherheit - Gewinn mit aktiven Fahrwerken Extremwerte, bester Komfort, keine Radlastschwankung Sky-Hook-Dämpfer Zweiachsiges Kraftfahrzeug, Unebenheits-Einspuranregung Bewegungsgleichungen, komplexe Größen Vergrößerungsfunktionen und Spektrale Dichten für Systeme ohne Koppelmasse Radlastschwankung, Radfederweg Aufbauhub- und -nickbeschleunigungen Hubbeschleunigung am Sitz Bewertete Schwingstärken Sitzfederweg 455

9 XIV 143 Einfluss von Fahrgeschwindigkeit und Fahrzeuggröße Einfluss der Fahrgeschwindigkeit Einfluss der Fahrzeuggröße (Radstand) Einfluss von Fahrzeuggröße und Fahrgeschwindigkeit Lage der Sitze Abstimmung zwischen vorderem und hinterem System Unterschiedliche Aufbaueigenfrequenzen Verschiedene Aufbaudämpfungen Mittelwerte über einem Geschwindigkeitsbereich Einfluss der Beladung Einfluss von Koppelmasse und Radstand Pkw mit unterschiedlichen Koppelmassen und gleichem Radstand Busse mit unterschiedlichen Radständen und gleichem Nickträgheitsmoment Hub- und Nickeigenfrequenz, Federkopplung vorn-hinten Bremsnicken, Nickpol Einfluss des elastisch gelagerten Antriebsaggregates (Stuckern) Einfluss der Aggregateigenfrequenz Einfluss der Aufhängungsdämpfung Einfluss der Kopplung am Aggregat Einfluss der Aggregatmasse Einfluss der Radeigenfrequenz Zusammenfassung der Ergebnisse aus diesem Kapitel Vierrädriges Kraftfahrzeug, Unebenheits-Zweispuranregung Bewegungsgleichungen des (vereinfachten) Vierradfahrzeuges Auto-, Kreuzdichten und Kohärenz der Unebenheiten Vereinfachung nach Parkhilowskij Autospektren der Hub- und Wankanregung, Kohärenz Wegabhängige Spektren Messergebnisse, Näherungsformel für Kohärenz Streuung bei Zweispuranregung Einfluss der zusätzlichen Wankschwingungen Vergrößerungsfunktion der Aufbauwankbeschleunigung Bewertete Schwingstärken mit Berücksichtigung der Wank schwingungen Radlastschwankungen und Radfederwege Geschwindigkeitseinfluss Verallgemeinerung Wirkung von Stabilisatoren Zusammenfassung der Ergebnisse aus diesem Kapitel 518

10 XV 16 Auswirkung von Radaufhängungen bei Unebenheitsanregung Beschleunigungskopplung, Feder-Dämpferanordnung Gleichungen für ein Fahrzeug mit Längslenker Einfluss der Radaufhängung Einfluss der Kopplung Modellierung und Beurteilung im höheren Frequenzbereich (Hinweise) Spurverschiebung (Spuränderung) Seitenkraft am Reifen durch Spurverschiebung Gleichungen für ein Fahrzeug mit Pendelachse Einfluss der Spurverschiebung Wank-und Seitenschwingungen an einem Fahrzeug mit Starrachsen Bewegungsgleichungen Wankschwingungen, Radlastschwankungen Seitenschwingungen, Seitenkräfte Zusammenfassung der Ergebnisse aus diesem Kapitel Fahrzeug-Längsschwingungen Längsschwingungen durch Unebenheitsanregung Umfangskraft beim Überfahren von Unebenheiten Fahrzeug-Längsschwingungen mit steifer Lenkerlagerung Anmerkungen Längsschwingungen durch Motoranregung (Fahrzeugruckeln) Bewegungsgleichungen Zeitverlauf, Vergleich Theorie-Versuch Einfluss der Übersetzung und der Momente Einfluss der Kraftschluss-Schlupf-Beziehung Motorerregte Fahrzeugschwingungen Anregungen durch einen Einzylinder-Motor Kinematik des Kurbeltriebs Massenkraft Massenmoment Gasmoment Gesamte Anregung beim Einzylinder-Motor Anregungen durch einen 4-Takt-4-Zylinder-Reihenmotor Massenkraft Massen-und Gasmomente Betriebsverhalten Auswirkung ungleicher Verbrennung Weitere Mehrzylinder-Motoren 580

11 XVI 184 Schwingungsanregungen für den Fahrzeugaufbau Schwingungsersatzsystem Vorteil einer elastischen Aggregataufhängung Karosserie-Anregungen durch 2 und höhere Ordnungen Asymptoten Anwendungsbeispiele Anregung durch niedrige Motorordnungen Gasmomentenanregung mit niedriger Ordnung, Leerlaufschütteln Einfluss der Kopplung am Antriebsaggregat Auslegung der Aggregataufhängung bei Motoranregungen Auslegung für Massenanregungen Auslegung bei Gasmomentenanregung Gemeinsame Betrachtung von unebenheits- und motor erregten Schwingungen 597 Zusammenfassung von Teil III 601 Teil IV Fahrverhalten 19 Einleitung Lineares Einspurmodell, objektive Kenngrößen, Subjektivurteile Bewegungsgleichungen eines zweiachsigen Kraftfahrzeugs Krümmungsmittelpunkt und Momentanpol Lenkungseigenschaften Differenzialgleichungen des linearen Einspurmodells Spezialfall: Fahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit Berücksichtigung der Reifennachläufe Kreisfahrt bei konstanter Fahrgeschwindigkeit Zentripetalbeschleunigung Maximalwerte (einfache Betrachtung) Werte aus der Linienführung von Straßen Erreichte Zentripetalbeschleunigungen von Durch schnitts-fahrern Grenze für die Betrachtung des linearen Einspurmodells 212 Abhängigkeiten von der Zentripetalbeschleunigung, Kreisfahrtwerte Lenkradeinschlag Vorderradeinschlag, Schräglaufwinkel Schwimmwinkel Stellung des Kraftfahrzeugs im Kreis 637

12 Verstärkungsfaktor XVII 2125 Moment am Lenkrad Kreisfahrtwerte Objektive Fahrzeug-Kenngrößen und subjektive Aussagen Unter-/Übersteuern Schwimmwinkelgradient, Lenkwinkel-Schwimmwinkel- Gradient Moment am Lenkrad Einfluss von Fahrzeugdaten auf das Kreisfahrtverhalten Grundmodell für die Rechnungen Einfluss des Seitenkraftbeiwerts, Bedeutung des Schwimm winkels Einfluss von Lenkungsdaten Einfluss der Schwerpunktslage Einfluss der Beladung Dynamisches Verhalten Stabilität, Eigenfrequenz, Dämpfung Stabilität und Unter-ZÜbersteuern Eigenfrequenzen, Dämpfungsmaß Berücksichtigung der seitlichen Eigenanströmung Lenkverhalten, Zeitfunktionen, Lenkwinkelrampe Laplace-Transformation, Übertragungsfunktion, Verstärkungsfaktor Sprungantwort Lenkwinkelrampe Fahrzeugkennwerte Beurteilung der Fahrzeugkennwerte Fahrzeugdaten - - Peak-Response-Time Einfluss von Lenkwinkelrampe und Fahrgeschwindigkeit Lenkverhalten, Frequenzgänge Erläuterungen zu den Frequenzgängen Beurteilung der Frequenzgänge Einfluss von Fahrzeugdaten Fahrt auf vorgegebener Bahnkurve, idealer Fahrer", Klotoide Stabilität bei vorgegebener Bahnkurve Klotoide Lenkradeinschlag Fahrverhalten bei losgelassenem Lenkrad (free control) Bewegungsgleichungen Einfluss von Fahrzeugdaten 693

13 XVIII 226 Seitenwindverhalten Konstanter Seitenwind, stationärer Fall Dynamisches Verhalten Waldausfahrt, Seitenwindanlage, Einfluss von Fahrertyp und Fahrzeugdaten Frequenzgänge Stochastischer Seitenwind Zusammenfassung von Kap Regelkreis Fahrer-Kraftfahrzeug Einführung in den fahrzeugtechnischen Regelkreis Stabilität, Durchtrittsfrequenz, Phasenrand Fahrer-Übertragungsfunktion, McRUER-Modelle Querregelung Normalfahrt Antizipatorische Steuerung Sollspurbildung Kompensatorische Regelung Fahrergleichung Kritische Fahrsituationen Sollspurbildung beim Umfahren eines Hindernisses Regelung, Vergleich Normalfahrt" und Kritische Fahrsituationen" Einfluss von Fahrzeugdaten Störverhalten, Adaption des Fahrers Geradeausfahrt bei Seitenwind Anpassung des Fahrers an das Fahrzeug Anpassung des an Fahrzeuges den Fahrer Fahrer als adaptiver Regler, Adaption während der Fahrt Längsregelung Normalfahrt, Folgefahrt Fahrzeug-Übertragungsfunktion Vorsteuerung Wunschabstand, Sollwertbildung Kompensatorische Regelung Kritische Fahrsituation Fahrzeug-Übertragungsfunktion Sollwertbildung Fahrer-Übertragungsfunktion 758

14 XIX 26 Fahrerassistenzsysteme Fahrdynamikregelung (ESP) Zusammenfassung von Kap 23 bis Kurvengrenzbeschleunigung, Einfluss von Umfangskraft Bewegungsgleichungen Kreisfahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit Kurvenwiderstand Fahrverhalten auftrockener Straße, Vorder-, Hinter-, Allradantrieb Fahrgrenze durch Kraftschluss Lenkradeinschlag, Unter-/Übersteuern Lenkradmoment Schwimmwinkel Einfluss von Schwerpunktslage und Antriebsart Fahrverhalten aufvereister Fahrbahn Fahrt auf nasser Straße Fahrgrenze durch Antriebsleistung Quasilineare Betrachtung Näherung für die Reifenkennlinien Unter-/Übersteuern Stabilität Stabilitätsgrenzen für Fahrzeuge mit verschiedenen Antrieben Instationäre Fahrt, Lenkwinkelrampe Konstante Fahrgeschwindigkeit auf trockener Straße Konstante Umfangskraft auf trockener Straße Fahrt auf vereister Fahrbahn Zusammenfassung von Kapitel Zweispurmodell, Vierradfahrzeug Kreisfahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit Einfluss von Radlaständerung, Schwerpunktshöhe und Spurweite Seitenkräfte und Radlasten an einer Achse Anwendung auf das Fahrzeug Maximale Zentripetalbeschleunigung Unter-/Übersteuern Schwimmwinkel, Lenkradeinschlag, Lenkrad moment Unterschiedliche Radlaständerungen an Vorderund Hinterachse Kippgrenze 816

15 XX 322 Zusätzlicher Einfluss des Auftriebes Momentanzentrum, Momentanachse Berechnung der vertikalen Radlasten und des Wankwinkels Unterschiedliche Wankfederhärten an Vorder- und Hinterachse, Stabilisator Verschiedene Radaufhängungen Zusammenfassung der bisherigen Gleichungen für die stationäre Kreisfahrt Kinematik und Elastokinematik der Radaufhängungen Kinematik der gelenkten Vorderräder Kinematik der Radaufhängung Elastokinematik der Radaufhängungen Sturz der Räder Einfluss der Kinematik und Elastokinematik auf das Fahrverhalten Vorspur und Umfangskraftlenken Einschläge der gelenkten Vorderräder, Spurdifferenzwinkel Wank-und Seitenkraftlenken Sturz Einfluss des Wankens Größe des Wankwinkels (der Fahrzeugquerneigung) Auswirkungen auf Fahrzeugschwingungen und Reifen verschleiß Maximale Querbeschleunigung Lenkung Konventionelle Lenkung Geometrische Beziehungen am Vorderrad Lenkradmoment Schnelle Kurvenfahrt, Antrieb und Bremsung Langsame Kurvenfahrt Lenkradmoment im Stand, Lenkungs verstärkung Variable Lenkübersetzung Unkonventionelle Lenkungen Mechanische Überlagerungslenkung Steer-By-Wire" Instationäre Fahrt Fahrzeugsystem Koordinatensysteme Programmaufbau Lenkwinkelrampe bei hohen Querbeschleunigungen 867

16 XXI 333 Einfluss des dynamischen Wankens Einfluss von Wankfederung und -dämpfung Querbeschleunigung in Kopfhöhe Lastwechselverhalten aus stationärer Kreisfahrt Bewertungskriterien Einfluss von Fahrzeuggrößen Achslaständerung durch Verzögerung Umfangskraft, Vorder-, Hinterradantrieb Sperrdifferenzial Torque Vectoring Umfangskraftlenken Ausgangsquerbeschleunigung Zusammenfassung von Abschnitt Allradlenkung Querdynamik bei der Allradlenkung Kompensation von Störungen durch die Allradlenkung Zusammenfassung zur Allradlenkung Zusammenfassung von Kap Zusammenfassung von Teil IV 899 Zusammenstellung häufig vorkommender Formelzeichen 901 Sachverzeichnis 911