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Bild 30. Elektrodynamischer Retarder. 1 Haltestern, 2 Rotor getriebeseitig, 3 Distanzscheiben (Luftspalteneinstellung), 4 Stator mit Spulen, 5 Zwischenflansch, 6 Rotor hinterachsig, 7 Getriebedeckel, 8 Getriebeausgangswellen, 9 Luftspalt

Bild 31. a Scheibenrad (z. B. 6J  14H2); 1 Felgenhorn (z. B. Form J), 2 Schrgschulter, 3 Hump (z. B. Doppelhump H2), 4 Felge, 5 Tiefbett, 6 Belftungsloch, 7 Radschssel; D Felgendurchmesser (z. B. 1400 ), L Lochkreisdurchmesser, M Felgenmaulweite (z. B. 600 ), N Mittenloch, ET Einpresstiefe. b Felgensysteme; 1 Horn, 2 Schrgschulter, 3 Hump, 4 Tiefbett, 5 Steilschulter; M Maulweite, D Durchmesser

schwindigkeiten, da Primr-Retarder abhngig von der Motordrehzahl; – keine Einschrnkung der Nebenabtriebsmglichkeiten; – hohe spezifische Leistungsdichte (Bremsmoment im Verhltnis zum Gewicht); – sinnvoll kombinierbar mit MAN-TipMatic durch automatisierte Rckschaltung in den richtigen Drehzahlbereich.

– Tragfhigkeitskennzahl (z. B. 91=615 kg maximale Last); – Geschwindigkeitssymbol (z. B. T=190 km/h).

1.5 Fahrwerke 1.5.1 Reifen und Felgen

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Bezeichnungen und Ausfhrungen Die Felge und die Radscheibe bilden das Scheibenrad, auf das der Reifen montiert wird. In der Praxis bezeichnet man das Scheibenrad als Felge und die Einheit aus Scheibenrad und Reifen als Rad. Die wesentlichen Einzelheiten der Felge sind: Felgenhorn, Felgenschulter und Felgenbett. Bild 31 zeigt ein Scheibenrad und die diversen Felgensysteme. So bedeutet 6 J  14 H2 die Hornform J nach ETRTO, Tiefbettzeichen  , der Nenndurchmesser in Zoll (D) und Doppelhump (H2). Als Material wird zur Zeit noch im Wesentlichen Stahlblech verwandt. Wegen der Gewichtsproblematik setzt man in steigendem Maß Aluminium vorwiegend in Guss und vereinzelt in Schmiedeausfhrung ein. Magnesiumrder sind absolute Einzelflle. Die Gewichtseinsparung bei gleicher Betriebsfestigkeit ist marginal. Außerdem ist das Korrosionsproblem zu beachten. Auch Aluminiumblech fr Felgen wird schon vereinzelt in der Serie verwandt. Die Reifen haben in der Vergangenheit eine deutliche Weiterentwicklung bezglich Komfort, Gewicht, Langlebigkeit, Nssehaftung und in Form der Silicatechnik auch bezglich eines verminderten Rollwiderstandes vollzogen. Die Normung von Reifen und Rdern ist in der ETRTO (European Tyre and Rim Technical Organisation), DOT (Department of Transportation, USA), ECE (Economic Commission for Europe), FMVSS 208 (Federal Motor Vehicle Safty Standard) und DIN fest vorgeschrieben. Die Kennzeichnung beinhaltet: – Reifenbreite (z. B. 195); – Querschnittsverhltnis in % zur Breite (z. B. 65); – Symbol fr Bauart (R=radial, D=diagonal); – Felgendurchmesser in Zoll (z. B. 15);

In diesem Beispiel ergibt sich fr die Reifenbezeichnung 195/65 R 15 91 T Weitere Informationen sind – der Verschleißanzeiger (T. W. I.=Tread Wear Indicator), sechs Querstege in den Profillngsrillen, die bei 1,6 mm Restprofiltiefe auftauchen; – der DOT- (= Department of Transportation) Stempel; – TUBELESS = schlauchlos oder TUBE TYPE = mit Schlauch; – Produktionswoche (z. B. 409 = 40. Woche 1999); – reinforced bei verstrkten Reifen; – M + S bei Winterreifen. Die Geschwindigkeitsklassen fr M+S-Reifen sind Q : 160, T : 190, H : 210 und V : 240. Bild 32 zeigt typische Reifenaufbauten. Im Pkw ist der Radialreifen Standard; auch im Nkw haben sie deutliche Marktanteile gewonnen. Die Nutzfahrzeugreifen haben eine hnliche Kennzeichnung wie die Pkw-Reifen nach ECE R54 zum Beispiel 275/80 R 22,5 146/144 M 16 PR. Neben der Tragfhigkeitskennziffer fr Einzel- und Zwillingsbetrieb (im Beispiel 146/144) wird noch die konventionelle Tragfhigkeitsklasse im Ply-Rating (im Beispiel 16 PR) ausgedrckt. Bild 33 zeigt einige am Rad eingefhrte Grßen. Statischer Reifenhalbmesser rstat ist der Abstand zwischen Radmitte zum Boden (Einfederung). Dynamischer Reifenhalbmesser rdyn wird aus dem Abrollumfang ermittelt. rdyn  2 p  n ¼ x (x zurckgelegte Wegstrecke, n Zahl der Radumdrehungen). Beide Grßen werden unter Standardbedingungen ermittelt. Sie sind jedoch von vielen externen Parametern abhngig, z. B. ist rdyn am umfangkraftfreien und gerade rollenden Rad zu messen. Fr Antriebs- (MA) und Bremsmomente (MB) gilt: MA=B ¼ rstat  FU mit FU = Radumfangskraft. Der Zusammenhang zwischen Fahrgeschwindigkeit und Raddrehzahl erfolgt ber rdyn : ð1 þ lÞ  u ¼ rdyn  wR . Allgemeine Anforderungen an Reifen hnlich wie die sich stndig erweiternden Anforderungen an das Automobil, sind die Wnsche des Nutzers an den Reifen enorm hoch. Die Wnsche der Designer nach einem großen Reifendurchmesser  700 mm werden zunehmend erfllt.

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Bild 32 a, b. Querschnitt durch a Pkw- und b Nfz-Reifen (Werkbild Conti) [21]. 1 Felgenschulter, 2 Felgenhorn, 3 Hump, 4 Karkasse, 5 luftdichte Gummischicht, 6 Laufflche, 7 Seitenwandgummi, 8 Wulst

Bild 33. Einige am Rad gebruchliche Grßen. rstat, rdyn stabiler, dynamischer Reifenhalbmesser, MA Antriebsmoment, MB Bremsmoment, n Zahl der Radumdrehung, l Umfangsschlupf, wR Umdrehungen pro Sekunde, F Kraft

Bild 34. bersicht ber Bewertungskriterien von Pkw-Reifen [22]

Durch die Notwendigkeit der Kraftstoffreduzierung muss der Rollwiderstand weiter reduziert werden. Die Kosten sollen durch Gewichts- und Materialeinsparung gesenkt werden, und in einigen Lndern wie z. B. den USA ist die Forderung nach „All Season Tires“ so groß, dass die meisten Hersteller diesem Zwang schon nachgegeben haben und ihn erfllen. Der Pkw-Kunde hat im Vergleich zum Nkw-Besitzer unterschiedliche Anforderungen. Typische Kundenforderungen sind in Bild 34 dargelegt. Beim Kraftschluss wirken ußere Bedingungen, wie nass, trocken, kalt, warm oder Schnee, sehr stark ein. Beim Nkw-Reifen sind die Schwerpunkte Dauerhaltbarkeit, Lenkungs-Straßenschonung, Tragfhigkeit und Runderneuerbarkeit zustzlich signifikant. Fr alle Reifenkunden gilt der Wunsch nach hoher Lebenserwartung, geringem Abrieb und Rollwiderstand und geringem Gewicht. hnlich wie bei den generellen Anforderungen an das Automobil gibt es ein klares Ranking in Richtung Sicherheit und kologie, obwohl bei ansonsten gleichen Eigenschaften hufig auch Markenimage und Optik (ganz wesentlich beim Pkw) die Kaufentscheidung bestimmen. Moderne Reifenausfhrungen, die unter Mithilfe von rechnerischen Simulationsverfahren entwickelt wurden, sowie neue Laufstreifenmischungskonzepte ermglichen niedrige Rollwi-

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derstnde bei gleichbleibend hohen Nsseeigenschaften und gutem Traktionsverhalten im Winter. Die Reduzierung des Rollwiderstandes muss ohne Verringerung anderer Eigenschaften z. B. der Fahrzeugsicherheit vollzogen werden. Durch den genderten Bewertungszyklus der europischen Gesetzgebung hat sich die Bedeutung des Luftwiderstandes versus Beschleunigungs- und Rollwiderstand umgedreht. Der Rollwiderstandsindex ergibt mit der Radlast den Rollwiderstand. Eine 30 prozentige Verbesserung des Rollwiderstandsindexes mit einem fr < 0,01 hat immerhin bei einem 1000-kgFahrzeug eine Verbrauchsreduzierung von 5% erbracht. Ein Rollwiderstandsindex von weniger als 0,006 ist fr Fahrzeuge, die weniger als 3 l/100 km verbrauchen, außerordentlich wichtig. Beim Reifengewicht sind neue Materialien wie Aramid im Grtel und im Wulst mglich. Bei 25% Gewichtsersparnis pro Reifen sind zustzlich am Fahrzeug nochmals ca. 0,4% Kraftstoff einzusparen. Neben der Rollwiderstandsreduzierung sind wegen der in Europa vorherrschenden und diskutierten Außengeruschgrenzwerte weitere Feinabstimmungen notwendig. Die in Europa andiskutierten Grenzwerte von 12 dB(A) fr das Außengerusch erfordern Reifen mit einem Geruschanteil von deutlich unter 70 dB(A) bei dem zur Zeit gltigen Testverfahren. Ohne die Belagsverbesserung der Fahrbahn wird dieser Wert generell nicht zu erreichen sein. Auch das Prfverfahren ist neu festzulegen, um gesicherte Aussagen zu erhalten, ob das Außengerusch auf der Straße tatschlich reduziert wird. Die Laufleistungserhhung trgt ebenfalls zur Entlastung der Umwelt und der Kosten bei. Wichtig ist ein mglichst gleichmßiger Reifenverschleiß an allen Rdern, bzw. mindestens an einer Achse, bei geringer Empfindlichkeit bezglich des Reifendrucks. Die Frage der Wiederverwertbarkeit der Reifen ist von wachsendem Interesse. Bei der Dominanz des Verbrauchs von fossiler Energie ist die energetische Verwertung zumindest bei Pkw-Reifen das wirtschaftlichste Verfahren. Kraftbertragung durch den Reifen

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Die Reifenkraft FR ist eine Funktion des Schlupfs zwischen Fahrbahn und Reifen. Fr das frei rollende Rad (FR  FU  0) mit einem Schrglaufwinkel a, der Differenzgeschwindigkeit quer Du ¼ u sin a, ist der Querschlupf Du=u ¼ sin a  a. Beim gerade rollenden Rad ohne Schrglaufwinkel (a=0), mit dem Umfangsschlupf l, ist die Differenzgeschwindigkeit lngs D u=l  u. Du rdyn  wR  u ; Lngsschlupf ¼ l ¼ ¼ u u Definition: FU ¼ 0 ! l ¼ 0: Bild 35 zeigt den Beitrag beim Antreiben und Bremsen als Funktion des Umfangschlupfs. Im Bild sind fr zwei unterschiedliche Reifentypen der Formnderungs- und der Gleitschlupf dargestellt. Mit zunehmendem Schrglaufwinkel wird die Seitenkraft radlastabhngig bis zu einem Maximalwert im Bereich von 5 und 15 Schrglaufwinkel je nach Reifentyp, Sommer (Sportnormal), Winter aufgebaut, Bild 36. Durch Latschverformung und die beginnenden Gleitvorgnge in der Kontaktzone zwischen Reifen und Fahrbahn entsteht ein Rckstellmoment, welches versucht, das Lenkrad wieder in die Ausgangsstellung zurckzufhren. Das Rckstellmoment erreicht ein Maximum, wenn die Schrglauflinie den linearen Anstieg deutlich verlsst und wird bei zunehmendem Schrglaufwinkel in der Regel negativ. Bei gleichbleibendem Schrglauf nimmt die Seitenkraft nur degressiv mit der Radlast zu. Radlastschwankungen fhren folglich zum Verlust an mittlerer Seitenkraft. Dies wird in der Fahrwerkstechnik (Rollachse, Stabilisatoren) zur Beeinflussung des Eigenlenkverhaltens genutzt.

Bild 35. Antreiben – Bremsen – Umfangsschlupf [23]

Reifen unter Lngs- und Querbelastung Hufig wirken FU + FS gleichzeitig, z. B. beim Bremsen in der Kurve. Dabei beeinflussen sich die Krfte gegenseitig. Zum Beispiel am seitlich unter Seitenkrften ausgelenkten Latsch vergrßern die Antriebskrfte und verringern die Bremskrfte das Rckstellmoment M. Unter der Annahme, dass im Latsch nicht mehr als eine maximale resultierende Reibungskraft Rmax wirken kann, gilt fr pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi den Kammschen Reibungskreis: Rmax ¼ FU2 þ FS2 . Es interessieren auch kleinere Kraftschlussausnutzungen als der Grenzbereich nahe Rmax (Bild 37). Das abgebildete Kennfeld entsteht, wenn man bei verschiedenen, jeweils konstant gehaltenen Schrglaufwinkeln a den Umfangsschlupf in mglichst weitem Bereich verstellt. Aus dem Bild lassen sich folgende Erkenntnisse ableiten: – Die Umhllende (maximaler resultierender Kraftschluss pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi mit FR2 ¼ FU2 þ FS2 ) ist kein Kreis wie nach KAMM, sondern eher elliptisch! Die maximale Antriebskraft ist auf trockener Fahrbahn grßer als die maximale Bremskraft (FUA; max FUB; max ). – Die Seitenkraft FS ist ungleich Null bei 0 Schrglauf und wird als Nullseitenkraft bezeichnet (FS 6¼ 0 bei a ¼ 0). – Solange die Umfangskraft noch Maxima ausbildet, erfolgt eine Umkehr ins Innere des Kennfeldes. Die gleiche Tendenz ist auch an den Linien konstanten Schlupfes (l1 und l2) zu beobachten. – Die Kennlinien schmiegen sich tangential an einen Kreis minimalen Kraftschlusses an. Dieses ist eigentlich nur auf der Bremsseite mit blockiertem Rad vorstellbar. – Bei geringem Schrglauf und kleiner Seitenkraft ist nur wenig Einfluss der Umfangskraft FU auf den Betrag der Seitenkraft FS festzustellen. Entsprechend gering ist auch der Einfluss der Seitenkraft FS auf den Betrag kleiner Umfangskrfte. – Im Grenzbereich dagegen ist die gegenseitige Beeinflussung sehr stark, wie an s3 oder l3 deutlich erkennbar ist! – die Linien a=konstant (l=konstant) fallen ins Kennfeldinnere zurck, wenn a degðl degÞ berschritten werden und nhern sich dem Kreis minimalen Kraftschlusses. – Die Linien konstanten Schlupfes (l=konstant) verlaufen wie die Linien konstanten Schrglaufes (a=konstant); sie sind „lediglich um 90 verdreht“. – Die Linien l3ð4Þ und a3ð4Þ verdeutlichen, dass bei ihrer berlagerung FS ðaÞ bzw. FU ðlÞ keine Maxima mehr ausbilden knnen. Bei dem Kennfeld (Bild 37) wird vorausgesetzt, dass in allen Richtungen im Latsch die gleiche Reibungsphysik gilt. Es entsteht folglich mit Form- und Gleitschlupf abhngig vom pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi resultierenden Schlupf K ¼ l2 þ ðsin aÞ2 die resultierende pffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi Reifenkraft R ¼ FU2 þ FS2 . Unter der Vernachlssigung der

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Q Bild 36. Seitenkraft und Rckstellmoment fr einen typischen Pkw-Reifen bei unterschiedlichen Radlasten [24]

Bild 37. Das Zusammenwirken von Umfangs- und Seitenkrften, von Schrglauf und Umfangsschlupf

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Nullseitenkrfte und der Unsymmetrie der Kraftschlussellipse (Kammscher Kreis konzentrisch) kann R (k) ber eine Ebene aus den Koordinaten l und sin a rotieren. Es entsteht der „Reibungskuchen“ [25]. Bild 38 zeigt ein Beispiel. Die Krfte verhalten sich wie die Schlupfwerte (R/k=FU/l=FS/a): FU ¼ R cos b; FS ¼ R sin b: Verringerter Kraftschluss Reifen auf nasser Fahrbahn. Das Dreizonenmodell in Bild 39 zeigt, dass in der Trennzone 1 ein hydrodynamischer Trennfilm einen Teil der Radlast aufnimmt. Dadurch verringern sich FS und FU; die Wirkungslinie von FS wird nach hinten verschoben. Wenn die Zone 1 den Latsch vllig unterwandert hat, herrscht Aquaplaning. Drainagegnstige Profilgestaltung (Rillenflche, Profilnegativ, ausreichende Profiltiefe) ist hier gefordert. Es folgt eine bergangszone (2) mit Restwassernestern und die Kontaktzone (3). Hier ist das Wasser verdrngt, Gummi berhrt die feuchte Fahrbahn. Die Gummimischung, die in Zone 1 bedeutungslos ist, bestimmt jetzt den Kraftschluss. Durch Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit (hydrodynamischer Druck  u2 ) kann die Zone (3) und damit die Sicherheit wirkungsvoll vergrßert werden. In der Tendenz fallen die maximal erreichbaren Reifenfhrungskrfte mit der Geschwindigkeit und der Wassertiefe. Bild 40 stellt den Umfangskraftbeiwert als Funktion des Schlupfs fr die Flle Antreiben und Bremsen fr verschiedene Fahrbahnzustnde dar [26]. Reifen bei winterglatter Fahrbahn. Entsprechend den Fahrbahnzustnden gibt es ein stark unterschiedliches Kraftschlussverhalten: Schneegltte. Es gibt unzhlige Oberflchenarten von Schneematsch bis zum festgefahrenen, griffigen, kalten Schnee; Bremsblockierwerte 0,15–0,5.

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Eisgltte. Eis aus auf der Fahrbahn vorhandenem Wasser, uneben, verschmutzt, ungleichfrmig, große Vielfalt, m hnlich Schnee. Glatteis. Auch Spiegeleis genannt, Eis aus Niederschlag auf unterkhlter Fahrbahn oder aus unterkhltem Regen, glasklar, gleichfrmig ausgebreitet, nass, extrem glatt, 0,05  m  0,15, tritt unterhalb J=  5 C nicht mehr auf.

Bild 38. Reibungskuchen. Uðl; a1 ¼ const)

Angeschnitten

lngs

a1 ¼ const:

Bild 39. Dreizonenmodell bei Nsse. 1 Trennzone mit Wasserkeil verringern durch Profilgestaltung, 2 bergangszone mit Restwasser, 3 Kontaktzone, Kraftschluss mit der geeigneten Gummimischung optimieren

Die erreichbare Seitenkraft (Umfangskrfte verhalten sich entsprechend) wird deutlich grßer, wenn die Eisoberflchentemperatur fllt. Mit ihrem Absinken nimmt die Dicke des auf dem Eis vorhandenen Flssigkeitsfilmes („Liquid Layer“) ab. Schließlich verschwindet er bei  12 bis  15 C. Die Maxima der Reifenkrfte ber dem Schlupf werden gleichzeitig strker, „giftiger“ ausgeprgt, weil bei grßerem Schlupf die Reibarbeit das Eis erwrmt.

Bild 40. Umfangskraft als Funktion des Schlupfs fr unterschiedliche Fahrbahnzustnde

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Wenn Winterbewehrungen wie Schneeketten und Spikes eingesetzt werden, entsteht statt adhsivem kohsiver, oberflchenzerstrender Kraftschluss. Dabei erreichen die Fhrungskrfte etwas hhere Werte, die zu großen Schlupfwerten hin nicht mehr fallen. Fr die Zukunft wird ein zunehmender Einsatz von SST (self supporting tires) zu finden sein, die auch luftlos gengend gute Notlaufeigenschaften haben. Aus Sicherheits- und Verbrauchsgrnden sollte der Reifendruck berwacht und bei Abweichungen dem Fahrer angezeigt werden. 1.5.2 Radaufhngung und Radfhrung In dem Bereich des Fahrwerks vollziehen sich momentan erhebliche technologische Vernderungen. Sie sind geprgt von dem Wunsch mit grßter Prioritt nach hherem Komfort, d. h. geringere Schwingungsbelastung und niedrigerem Abrollgerusch, großer Fahrsicherheit, hoher Lebensdauer, Fehler-Null-Programmen und Gewichtsreduzierung [27–35]. Bild 41 zeigt die Vorderachse des Audi A4 [36]. Diese Achse ist ein gutes Beispiel fr eine Multimaterialanwendung. Die Gewichtseinsparung ist signifikant. Der Einsatz von elektrisch/elektronisch beeinflussten Systemen bewirkt einen Innovationsschub bei Feder-/Dmpfer-Systemen. Geregelte Luft- oder hydraulische Feder-/Dmpfer-Systeme, wie sie bereits in der Fahrzeugoberklasse eingesetzt werden [37–39], beeinflussen nicht nur die Schwingungsfrequenzen, sondern erlauben auch einen Niveauausgleich vorn und hinten, Teilund Vollkompensation von Wanken und Nicken, Ladungseinflussminimierung und variable Bodenfreiheit. Die Radaufhngung verbindet die Rder mit dem Fahrzeugaufbau bzw. -rahmen. Sie fhrt die Rder, deren Stellung durch die Raumkoordinaten und die Grßen Vorspur und Sturz sowie die Elastizitten smtlicher Bauteile (Achse, Gelenke, Aufbau) beschrieben sind. Bei gelenkten Achsen sind zustzlich Spreizung, Nachlauf und der Lenkrollhalbmesser von Bedeutung (Bild 42). Beim Einfedern relativ zum Aufbau dreht sich das Rad rein kinematisch um den Momentanpol (Bild 43). Das Momentan-

Bild 41. Vierlenker-Vorderachse des Audi A4 (Werkbild AUDI)

Bild 42 a–c. Radstellungen (DIN 70 000, 70 020). a Vorspur m ¼ A  B, Vorspurwinkel dv ; b Sturz g, Spreizung s, Lenkrollhalbmesser rr ; c Nachlaufwinkel t, Nachlaufstrecke n, Nachlaufversatz l, Lenkachse L

zentrum einer Achse ergibt sich als Schnittpunkt der projizierten Verbindungslinie zwischen Momentanpol und Radaufstandspunkt in der vertikalen Querebene zwischen den Rdern mit der Lngsmittenebene. Dies ist der Punkt, um den sich der Aufbau unter Einfluss einer Seitenkraft neigt. Seine

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Bild 43. Bewegungsformen des Fahrzeugs. Rollachse, MP Momentanpole der Rder, MZV ; MZH Momentanzentren der Achsen

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Lage hngt von der Bauart der Achse ab. In der Praxis kann das Momentanzentrum aus der Bahnkurve des Radaufstandspunkts eines Rads mit Hilfe einer an die Kurve gelegten Normalen bestimmt werden. Die Lage des Momentanzentrums ist im Allgemeinen von der Einfederung des Rades abhngig. Die Verbindungslinie der Momentanzentren vorn und hinten ist die Wankachse. Ihre Lage beeinflusst das Wankverhalten des Fahrzeugs und die Aufteilung von lngs- und querdynamischen Zusatzlasten auf Vorder- und Hinterachse, d. h. das Eigenlenkverhalten. Fr die Wankneigung ist der Hhenabstand Wankachse – Aufbauschwerpunkt maßgebend. Analog zur Bewegung um die Fahrzeuglngsachse ergeben sich um die Querachse an Vorder- und Hinterachse die Nickpole. Fr die Absttzung von Krften in Lngsrichtung (Anfahren und Bremsen) und das damit verbundene Nicken des Fahrzeugs ist der Hhenunterschied zwischen Aufbauschwerpunkt und Nickzentrum von Bedeutung. Bei den Radfhrungen ist zwischen Einzelradaufhngungen, Verbund- und Starrachsen zu unterscheiden, weiterhin, ob es sich um gelenkte und/oder angetriebene Achsen handelt. Nach weiteren Kriterien wie Raumbedarf in der Hhe (ebener Gepckraumboden) und in der Breite (Platz fr Motor und Getriebe), mglicher Brems- und Anfahrnickausgleich, geeignete Radbewegung beim Ein- und Ausfedern, Lage des Momentanzentrums, Grße der aufzunehmenden Krfte sowie konstruktiver Aufwand, d. h. Kosten, wird die fr das jeweilige Fahrzeug geeignete Bauart gewhlt (Bild 44). Bauteile der Radfhrung sind Radtrger, Lenker und Lager. Die Lenker fhren das Rad und sind ber die Lager mit Radtrger und Fahrzeugaufbau verbunden. Der Grundtyp einer Einzelradaufhngung ist die Fnflenkerfhrung mit einem Freiheitsgrad (Raumlenkerachse). Dabei knnen einzelne Lenker zusammengefasst werden, z. B. einzelne Querlenker zum Dreieckslenker. Entfllt ein Lenker, so wird der entsprechende Freiheitsgrad durch die brigen Bauteile eingeschrnkt. Frei bleibt nur die Federbewegung. Zur Optimierung der kinematischen Kennwerte Sturz, Vorspur, Wankzentrum, Nachlauf und Nickpol beim Einfedern des Rads werden die Momentanpole, die sich als Schnitt der Lenkermittellinien ergeben, verwendet (z. B. bei der Doppelquerlenkerachse in Bild 44). Die Lagerung der Lenker erfolgt durch Trag- und Fhrungsgelenke, die je nach Auslegung und Notwendigkeit als Kugelgelenke oder als Gummigelenke (ggf. auch Kunststoff-Gelenke) ausgebildet sind. Traggelenke nehmen den Hauptteil der Vertikalkraft auf; es sind meist wartungsfreie Kugelgelenke, bei denen die Kugel in einer dauergeschmierten Kunststoff-

Bild 44 a–f. Achsbauarten. MP Momentanpol des Rads, MZ Momentanzentrum des Aufbaus. a Starrachse; b Federbein-(McPherson-) Achse; c Doppelquerlenkerachse; d Lngslenkerachse; e Schrglenkerachse; f Fnf-(Raum-)lenker-Achse

schale gleitet. Zur Geruschisolation (z. B. Abrollhrte von Grtelreifen) werden die Krfte bei Fhrungslagern ber Gummi- oder Kunststoffelemente bertragen, die zwischen Anschlussteile gepresst oder einvulkanisiert sind. Die verschiedenen Bauarten unterscheiden sich hinsichtlich der Richtung der aufzunehmenden Krfte und nach den erforderlichen Bewegungsmglichkeiten.

I1.5 Da Elastizitten in jeder Radfhrung vorhanden und erwnscht sind, werden sie gezielt zur Kursstabilisierung eingesetzt. Die gezielte Auslegung eines derartigen Lagers kann damit zu einer gewollten Korrektur der Radstellung in bestimmten Situationen ausgenutzt werden. Beispiel sind die spurkorrigierenden Lager, die bei Kurvenfahrt durch die Seitenkrfte einen Lenkeffekt erzielen, wodurch das Eigenlenkverhalten verbessert werden kann (Bild 45). Das Prinzip der Verbundlenkerachse wurde in millionenfacher Ausfhrung weltweit verbaut. Im Folgenden sollen Details von Fahrwerkkonstruktionen dargestellt werden. In Bild 46 ist die Kinematik der Vorderachse des Audi A4 zu sehen. Bild 47 zeigt eine moderne Hinterachse fr ein Frontantriebsfahrzeug [41]. Diese Achse zeichnet sich durch sehr gute Fahrzeugeigenschaften bei gleichzeitig sehr gutem Abrollkomfort aus. In den modernen Fahrwerken hat man auch die Mglichkeit, das Fahrverhalten durch aktives Bremsen des Einzelrades zu beeinflussen. Bild 48 zeigt die Giermomentenregelung, die auch auf eine „slip-angle“-Kontrolle erweitert werden kann. Zu diesem Zweck wurde das hydraulische System des ABS erweitert, um einen aktiven Bremseneingriff an allen vier Rdern zu ermglichen. Zustzliche Sensoren fr den Lenkradwinkel, die Giergeschwindigkeit und die seitliche Beschleunigung wurden notwendig. Der Mikroprozessor vergleicht die Sensorsignale, die das Fahrzeugverhalten beschreiben, mit der Intention des Fahrers und veranlasst eine aktive Korrektur nicht nur als Regelung fr stabiles Kurvenbremsen, sondern auch als Vorsteuerung (außen mehr bremsen als innen) eingesetzt ber die gezielte Bettigung der Bremse eines Einzelrades. Bild 49 stellt eine Ausfhrung des ESP dar. Diese elektronische Fahrstabilittsregelung integriert die Funktionen Radschlupfregelung (ABS, EBV, ASR) und Giermomentbeeinflussung (GMBR). Dadurch wird das Fahrzeug mit Hilfe von Bremsen- und Motoreingriff bezglich der Lngs- und Querdynamik stabilisiert.

Bild 45. Hinterachse des Volkswagen Golf [40]

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Bild 46. Virtuelle Lenkachse der Vierlenkervorderachse Audi A4 (Werksbild Audi). 1–4 Richtungen der Lenker, R Radmittelpunkt, A Radaufstandspunkt, n Nachlaufstrecke, nv Nachlaufversatz, r Lenkrollradius, a Strkrafthebelarm

1.5.3 Federn Der Zweck der Achsfederung ist die elastische Absttzung des Aufbaus gegenber den Achsen. Sie bewirkt damit u. a. eine Erhhung des Fahrkomforts, der Lebensdauer und der Fahrsicherheit; gleichzeitig gleicht sie die statische berbestimmung der vier Rder aus. Sie soll den Aufbau von den hochfrequenten Schwingungen des Rades isolieren, aber bei einer langwelligen Fahrbahnkontur nachfhren. Außerdem soll die Federungseigenschaft mglichst bei allen Beladungszustnden gleich sein. Die Kraft-Weg-Kennung der Feder ermglicht die Optimierung des Gesamtsystems Aufbau und der Achsmassen bezglich der Eigenfrequenz. Die Bilder 41,

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Bild 47. Hinterachse fr Frontantriebfahrzeug (Werkbild Volkswagen AG)

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Bild 48. Giermomentregelung

45, 46 und 47 zeigen Ausfhrungen von Vorder- und Hinterachsfederungen. Die Federungssysteme lassen sich nach Medien und Werkstoffen folgendermaßen einteilen: Stahl-, Luft- und Gas-, Kunststoff- und Gummifedern (s. G 2). Am weitesten verbreitet sind Stahlfedern, die es in den unterschiedlichsten Bauarten gibt. Blattfedern, im berwiegenden in Nkw, sind hufig Radfhrung und Federung gleichzeitig ausgefhrt (Lngslenker an Starrachsen). Ihr Aufbau ist einfach; sie sind kostengnstig. Ein Nachteil ist bei geschichteter Trapezfederung die Reibung. Diese kann jedoch durch Kunststoffzwischenlagen verringert bzw. bei ausgewalzten Parabelfedern ganz vermieden werden. Kunststoffblattfedern (hohe Kosten) wurden im Ford Capri und GM-Corvette eingesetzt. Wegen ihrer elastischen Lngennderungen und Baugrße sind Blattfedern im Pkw nicht mehr im Einsatz. Die Schraubenfeder ist eine schraubenfrmig gewickelte Torsionsfeder, bei der durch unterschiedliche Dicken des Drahtes und Formen eine progressive Kennung erreicht werden kann.

Sie wird zylindrisch oder als Tonnenfeder ausgefhrt. Dem Vorteil der geringeren Masse und des geringeren Bauvolumens steht der Nachteil, dass man eine gesonderte Radfhrung bentigt, gegenber. Allerdings ist dadurch auch die Radfhrung vllig unabhngig von den Eigenschaften einer Feder zu beeinflussen. Torsionsfedern werden außer zur Abfederung des Aufbaus im Wesentlichen als Stabilisator eingesetzt. Dieser wirkt bei wechselseitigem Einfedern und verringert dabei die Wankneigung, ohne dass die Hubeigenfrequenz verndert wird. Er erhht außerdem die Radlastdifferenz bei Kurvenfahrt und vermindert damit die mittlere Seitenfhrungskraft. Hierdurch kann dasEigenlenkverhalten eines Fahrzeugs beeinflusst werden. Zusatzfedern, die als Zug- oder Druckanschlag dienen bzw. parallelgeschaltet zu einer linearen Feder eine progressive Kennlinie ermglichen, sind aus Gummi oder zelligem Polyurethan-Elastomer hergestellt. Luft- und Gasfedern. Diese Federungssysteme sind bei Reiseomnibussen Standard und bei Nkws stark verbreitet, da ber

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Bild 49. Systemschaubild ESP [42]

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das Bremssystem die Luft vorhanden ist. Die Systeme werden unterteilt nach Federn mit konstantem Gasvolumen und konstanter Gasmasse. Niveauregulierung erlaubt bei Bussen gleiche Einstiegshhe und bei Nkw eine Hhenverstellung der Ladeflche. Allgemein ist der hhere Fahrkomfort, die Schonung von Mensch und Gtern sowie der Straße durch eine geringere Radlastschwankung wichtig. Bei Pkw-Fahrzeugen wird die Luftfederung hufig nur als Zusatzfeder an der Hinterachse zur Niveauregulierung eingesetzt. Volltragende Gasoder Luftfedersysteme setzen sich verstrkt durch, z. B. im Citroen, Lexus, bei amerikanischen Pkws und in der Daimler/ Chrysler S-Klasse, Volkswagen-Phaeton [37] und Audi A8. Bei Roll- und Faltenblger (sehr verbreitet bei Lkw und Bussen) wird mit zunehmender Beladung Gas (meist Luft) mittels eines Kompressors nachgepumpt, um das Niveau und damit das Volumen konstant zu halten (Arbeitsdruck etwa 10 bar). Aus der Proportionalitt von Druck und Aufbaumasse resultiert eine konstante Aufbaueigenfrequenz, da die Federrate c=(p n A2)/ V mit p Druck, n Polytropenexponent, A wirksame Flche und V Volumen ber den Druck proportional mit der Beladung zunimmt. Bild 50 zeigt eine Rollbalgluftfeder. Hydropneumatische Federn (Bild 51) arbeiten mit einer konstanten Gasmasse (meist Stickstoff). Damit das Niveau konstant gehalten wird, wird bei Beladung mittels einer Hydraulikpumpe l nachgepumpt (Druck 70 bis 100 bar). Die Aufbaueigenfrequenz steigt mit der Beladung an, da sich der Gasdruck erhht und das Volumen verringert. Durch Kombination mit einer Stahlfeder kann eine gleichzeitige Verwendung der Flssigkeit fr Dmpfung, Bremse, Lenkung etc. (Zentralhydraulik) erreicht werden.

Bild 50. Elektronisch gesteuerte Luftfederung fr Nutzfahrzeuge mit Rollbalgluftfeder. 1 Abrollstempel, 2 Rollbalg, 3 Gummi-Hohlfeder als Endanschlag und Federelement bei Ausfall der Druckluftversorgung, 4 Magnetventilblock, 5 Elektronik, 6 Tachometer, 7 Wegsensor, 8 Fernbedienung, 9 Kontrolllampe

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Bild 51. Integriertes Gasfeder-Dmpferelement von Citroen. 1 Kolben, 2 Zylinder, 3 Zufuhr der Flssigkeit zur Niveauregulierung, 4 Dmpferventil, 5 untere Kugelhlfte, 6 Membrane, 7 obere Kugelhlfte, 8 Verschlussstopfen fr Einfllffnung, 9 Dichtsystem, 10 Dichtstulpen, 11 Rcklauf, 12 Federungsstßel

1.5.4 Dmpfung

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Die Schwingungsdmpfer wandeln kinetische Energie in Wrmeenergie um. Sie lassen sich unterteilen in: hydraulische Dmpfer und dynamische Dmpfer wie Tilger. Die wichtigen Einsatzgebiete fr die Dmpfung sind die Lenkung, der Aufbau und die Rder. Die Standardbauweise ist der hydraulische Teleskopdmpfer, um Fahrkomfort und Fahrsicherheit zu erhhen. Bei der Abstimmung der Dmpfung liegt zwischen diesen Ansprchen hufig ein Zielkonflikt vor. Der Dmpfer ist parallel, oft koaxial zur Tragfeder angeordnet. Bei einer Relativbewegung zwischen Aufbau und Achse wird das Dmpferl durch Ventile gedrckt; durch Drosselung ergibt sich eine etwa dem Volumenstrom (d. h. der relativen Kolbengeschwindigkeit) proportionale Dmpfkraft. Es wird eine turbulente Strmung angestrebt, da hierdurch der Einfluss der Flssigkeitsviskositt und damit der Temperatur auf

Bild 53. a Kraft-Weg-, b Kraft-Geschwindigkeitsverlauf

Bild 52. a Zweirohrdmpfer; b Einrohrdmpfer. 1 Befestigungsgelenk, 2 Kolbenstangendichtung, 3 Kolbenstangenfhrung, 4 Gas, 5 Kolbenstange, 6 lvorratsraum, 7 Schutzrohr, 8 Behlterrohr, 9 Arbeitszylinder, 10 Kolbenventil, 11 Bodenventil, 12 Befestigungsgelenk, 13 Trennkolben

die Dmpfkraft gering gehalten werden kann. Ein Konstantdurchlass erzeugt einen progressiven Anstieg der Dmpfkraft mit der Geschwindigkeit. Da aber auch lineare oder degressive Verlufe die Regel sind, werden vielfach federbelastete Ventile eingesetzt. Es kommen Ein- und Zweirohrdmpfer zum Einsatz. Einrohrdmpfer mssen, Zweirohrdmpfer knnen mit Gasvordruck arbeiten, um lverschumungen und damit Kennungseinbrche zu vermeiden und um Volumina auszugleichen (einfah-

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Fahrwerke

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Bild 54. Auslegungsgrenzen Komfort-Fahrsicherheit [43]. PR Auslegung auf minimale Radlastschwankung, PK Auslegung auf maximalen Komfort, P Auslegungspunkt (Beispiel mit notwendiger Federweg-Reserve fr Einzelhindernisse)

rende Kolbenstange). In Bild 52 sind die beiden Systeme gegenbergestellt. Die Ventile sind im Kolben, beim Zweirohrdmpfer zustzlich im Boden angeordnet. Das im Druckhub eintretende Kolbenstangenvolumen wird durch ein Bodenventil in den Ausgleichsraum zwischen den zwei Rohren gedrngt. Beim Einrohrdmpfer wird durch das Eintauchen der Kolbenstangen ein Gaspolster komprimiert, weshalb diese Bauart stets eine Austriebskraft der Kolbenstange aufweist. Besonderheiten bei Dmpfern sind z. B. unterschiedliche Zug- und Druckstufe, wegabhngige Dmpfung durch Nuten in der Zylinderwand oder konische Rohre bzw. hydraulische Zuganschlge. Das Kraft-Weg- bzw. Kraft-Geschwindigkeitsverhalten eines Dmpfers zeigt Bild 53.

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1.5.5 Geregelte Feder-/Dmpfersysteme im Fahrwerk Zielkonflikte bei der Abstimmung von Federung und Dmpfung fhrten zur Entwicklung von passiven Fahrwerkselementen mit variabler Kennung sowie aktiven Elementen. Guter Fahrkomfort und gleichzeitig hohe Fahrsicherheit (Radlastschwankung, Handling, Wanken) ist anzustreben, wobei diese Grßen mglichst vom Beladungszustand, der Fahrbahnqualitt und der Fahrgeschwindigkeit unabhngig sein sollten. Bei Nutzfahrzeugen ergibt sich durch gesteuerte oder geregelte Fahrwerke ein zustzliches Verbesserungspotential im Hinblick auf Fahrbahnbeanspruchung und Ladegutschonung. Bild 54 zeigt den Zielkonflikt zwischen Fahrzeugsicherheit und Komfort. Die Darstellung zeigt auch die Mglichkeiten durch die Wahl der Dmpferkonstanten d2 fr eine gegebene Aufbaufederkonstante c2 die optimale Auslegung gefunden werden kann. Bei Federdmpfersystemen unterscheidet man die im Prinzip in Bild 55 dargestellten Systeme. – Ein adaptives System bewirkt eine Anpassung von Dmpferkennung, Fahrzeugniveau, seltener auch die Federrate an die Variablen: Fahrzeugmasse, Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrbahnzustand zum Beispiel durch nderung des Bypassquerschnittes oder von mechanischen Komponenten. Die Variation erfolgt relativ langsam ohne wesentlichen Energieaufwand. – Bei halbaktiven (semiaktiven) Systemen werden die passiven Elemente durch ein aktives Stellglied ergnzt. Es werden nur niederfrequente Aufbauschwingungen reduziert. Im Normalfall muss stetig Energie zugewandt werden.

Bild 55. Vergleich von Federungs-/Dmpfungssystemen [27]. Gesteuerte Fahrwerke sind z. Z. in erster Linie in Form von adaptiven Systemen in Serienfahrzeugen anzutreffen. Am weitesten verbreitet ist die Niveauregelung, bei Pkw oft als Hydropneumatik oder Luftfeder ausgefhrt

– Bei einem aktiven Fahrwerk ersetzt oder untersttzt ein Stellglied (Luft oder Hydraulik) die passiven Fahrwerkelemente. Das Verbesserungspotentional ist sehr groß. Allerdings ist aufgrund der Kosten und des Energiebedarfs bis jetzt der Einsatz nur bei Fahrzeugen der Oberklasse erfolgt. Als Alternative zum herkmmlichen Fahrwerk werden verstrkt hochdynamisch geregelte Fahrwerkelemente eingesetzt. Bild 56 zeigt das AAS-(Adaptive AIR Suspension-)System [37, 38], welches im Jahr 2002 beim Volkswagen Phaeton und beim Audi A8 eingesetzt wurde. Bei diesem System ist

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Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeuge

Bild 56. Elektrikschaltplan des Luftfeder-/Dmpfer-System bei Audi A8/Volkswagen Phaeton (Werkbild Audi)

Q Bild 57 a, b. Feder/Dmpfersystem. a beim Audi A8/Volkswagen Phaeton; b bei der Daimler/Chrysler S-Klasse, SLK [43]

die Zug- und Druckstufe rechnergesteuert, entsprechend der Fahrbahn- und Fahrzeugsituation, anpassbar. Der Durchbruch fr die Luftfederung wurde mglich, weil die „harshness“ durch extrem dnnwandige, außengefhrte Blge sehr verbessert worden ist. Als Alternative hat Mercedes in der S-Klasse unter der Bezeichnung ABC (Active Body Control) ein hydraulisches System eingesetzt [39]. Aufbaufrequenzen bis zu 5 Hertz werden bei nahezu allen Fahrsituationen ausgeglichen. Beim ABC von DC wird mit weichem Dmpfer, aber harter Feder gearbeitet. Bei hochfrequenter Anregung ergeben sich kleine Hbe, deshalb strt die harte Feder nicht. Bei niederfrequenter Anregung ergibt eine Fußpunktverstellung eine weiche Feder bei guter Dmpfung. Bei beiden Konzepten sind Niveauregulierung und variable Bodenfreiheit mglich, Bild 57. 1.5.6 Lenkungen Lenksysteme sind neben den Bremsen die Fahrzeugbauteile, die dem Kunden unmittelbar ein Gefhl der Fahrsicherheit vermitteln. Jeder Fahrer ist sofort und whrend der gesamten Fahrzeit ber Lenkung, Achse, Rder mit der Fahrbahn ver-

bunden ist. Aus Komfort- und Sicherheitsgrnden werden in zunehmendem Maß Servolenkungen mit hydraulischer und zunehmend beim 12 Volt-Bordnetz bis ca. 1200 kg Lenkachslast mit elektromechanischer Untersttzung eingesetzt. Die Tendenz geht aus Grnden der Senkung des Verbrauchs an Kraftstoff zu Servolenkungen mit elektrischer Energieversorgung aus dem Bordnetz, da der Elektromotor nur bei Bedarf zugeschaltet oder im Stand-by-Betrieb hochgefahren werden muss. Zuknftige Lenkungen werden im Pkw auch Zusatz-/ Summenlenkgetriebe (active front systems) einsetzen. Weitergehende Aktivitten bestehen in den Entwicklungsarbeiten fr „drive-by-wire-Systeme“. Bei derartigen Systemen ist die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rdern nicht mehr vorhanden. Damit wachsen die Freiheitsgerade in der Auslegung zum Beispiel bei der Gestaltung des Lenkradmomentes. Allerdings erfordern diese Systeme einen wesentlich hheren Aufwand bezglich der Sicherheit des Systems und eine berzeugende Rckfallebene [44]. Bei fliehkraftfreier Kreisfahrt wirken keine Reifenseitenkrfte auf das Fahrzeug und entsprechend stellen sich auch keine Schrglaufwinkel ein: Es ergibt sich die in Bild 58 gezeigte Fahrzeugstellung, bei der sich aufgrund geometrischer Geset-

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Fahrwerke

Q 31

Bild 59 a, b. Lenkvielecke. a Lenkdreieck, Zahnstangenlenkung; b Lenkviereck, Hebellenkung. 1 Spurhebel, 2 Spurstange, 3 Zahnstange, 4 Ritzel, 5 Lenkstockhebel, 6 Zwischenhebel, 7 Lenkzwischenstange, 8 Lenkgetriebe

Bild 58. Lenkgesetz (Ackermann) und Lastzugstellung bei fliehkraftfreier Fahrt im BO-Kraftkreis nach § 32 StVZO. Der AckermannWinkel dA entspricht dem mittleren Lenkwinkel dm ¼ ðda þ di Þ=2

ze die Verlngerungen aller Radachsen im Kurvenmittelpunkt schneiden (Ackermann-Gesetz). Die bei hheren Geschwindigkeiten wirkende Fliehkraft erfordert Seitenkrfte mit entsprechenden Schrglaufwinkeln, wodurch es zu Abweichungen vom Ackermann-Gesetz kommt (Eigenlenkverhalten s. Q 1.6). Wie zu erkennen, ist das kurveninnere Rad strker eingeschlagen als das kurvenußere, die Differenz ist der Voreilwinkel (Spurdifferenzwinkel) cot da  cot di ¼ s=l: In der Praxis wird dieses Lenkgesetz nur annhernd verwirklicht, weil der Schwimmwinkel (s. Bild 67) bei Kurvenfahrt die Stellung zum Pol verndert, da die kurvenußeren Rder strker belastet sind, und damit der Radraumbedarf und die Lenkkrfte zu hoch werden. Erzeugt wird die Lenkbewegung der Rder durch ein Lenkvieleck (Bild 59). Bei seiner Auslegung spielen die oft begrenzten Platzverhltnisse eine entscheidende Rolle. Am Lenkdreieck fllt die Lenkbersetzung mit zunehmendem Lenkeinschlag ab. Wenn die Lenker aus Platzgrnden nicht optimal angeordnet werden knnen (Zahnstangenlenkung beim Fronttriebler) und aus Komfortgrnden wird auch bei kleinen Fahrzeugen eine Lenkhilfe eingebaut. Auf diese Weise knnen Lenkkraftanstiege als Folge der Abstimmung des Fahrverhaltens (Abweichung vom Idealfall der Lenkung) kompensiert werden und die maximalen Lenkmomente 0 unter-; < 0 bersteuernd; ¼ 0 neutral: dðu2 =rÞ Bild 64 zeigt das Verhalten fr die Fahrt mit konstantem Radius und wachsender Zentripetalbeschleunigung. Vereinfacht kann man sagen: Wenn bei steigender Geschwindigkeit und konstantem Radius der Lenkeinschlagwinkel vergrßert wird, da sonst das Fahrzeug einen grßeren Radius fhrt, spricht man vom Untersteuern. Muss der Lenkradeinschlagwinkel verkleinert werden, bedeutet es bersteuern. Zu dem Thema Unter- bzw. bersteuern gibt es eine Vielzahl von weiteren Definitionen, z. B. nach Olley. Das Bild 64 zeigt auch das Verhalten von realen Fahrzeugen.

1.6.1 Offene und geschlossene Regelkreise

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Whrend bei den open-loop-Fahrverhaltenstests der Einfluss des Fahrers so klein wie mglich gehalten wird, ist im realen Straßenverkehr der Fahrer mit der wichtigste Teil des geschlossenen Regelkreises. Zu den open-loop-Versuchen gehren: stationre Kreisfahrt, Lenkwinkelsprung, sinusfrmiges Lenken, Bremsen whrend der stationren Kreisfahrt, Bremsen auf m-Split, Lastwechsel aus stationrer Kreisfahrt, Lenkrckstellverhalten, Kreisfahrt ber Einzelhindernis, Seitenwindverhalten, Geradeauslauf und die Pendelstabilitt von Pkw und Nkw mit Anhnger. Bei den closed-loop-Versuchen wird der Fahrer als Regler in den geschlossenen Regelkreis einbezogen. Bild 65 zeigt eine vereinfachte Darstellung. Das Einbeziehen der Verhaltensweise des Fahrers muss auch bei der Simulationsrechnung erfolgen. Zu den closed-loop-Versuchen gehren: Fahrmanver im Handlingskurs, Slalomfahrt, einfacher und doppelter Fahrspurwechsel, „Elchtest“, der Kreisbahntest, der Geradeauslauf bei ebener und unebener Fahrbahn und natrlichem Seitenwind, Bremsen auf m-Split, Lenk-Bremsverhalten und die Lastwechselreaktion. Wegen der Komplexitt der Parameter wird versucht, bereits in der Entwurfsphase mittels Berechnungsmethoden die Konstruktion zu untersttzen. In der Praxis heisst das, enge Verknpfung zwischen Konstruktion und Berechnung in der Konzeptionsphase und Einbeziehung des Versuches zur Besttigung der theoretischen berlegungen zunchst an herstellbaren Details und zunehmend am gesamten Fahrzeug. Der Versuch muss die Belastungskollektive aus der Erfahrung oder aus Vorversuchen ermitteln. Mit Methoden wie Finite-Element-Berechnung und dem Programm ADAMS (Simulationsmodell) knnen dann Festigkeiten und

Verhalten dargestellt werden. Je weiter die Entwicklung fortschreitet, desto genauer werden die Simulationsergebnisse. 1.6.2 Bewertungskriterien Tabelle 3 zeigt eine grobe Unterteilung der unfallvorbeugenden Fahrzeugsicherheit, die entweder in open- oder in closedloop-Versuchen getestet wird. Da der Fahrer in seinem Verhalten keine Normgrße im Sinne von Abmessungen darstellt, sind subjektive Beurteilungen von mehreren Personen notwendig, um ein Urteil ber das Fahrverhalten abzugeben. Einige der erwhnten Verfahren werden im Folgenden kurz beschrieben: Die Manver „Lastwegnahme, Bremsen in der Kurve“ sind unfallrelevant. Ausgangsbedingung ist die stationre Kreisfahrt. Bei konstantem Lenkradwinkel wird das Gaspedal abrupt losgelassen bzw. die Bremsung eingeleitet. Das Fahrzeug wird positiv beurteilt, wenn nach einer Sekunde nach Einleitung es sich nur geringfgig in den Kreis hinein dreht. Bild 66 zeigt das Verhalten eines Fahrzeugspektrums mit und ohne ABS. Auch beim Bremsen auf m-Split wirkt sich das ABSSystem positiv auf das Gierverhalten aus. Beim Lenkwinkelsprung wird das Fahrzeug mit einer schnellen Lenkbewegung aus der Geradeausfahrt, z. B. 100 km/h, in einen Kreis gelenkt. Bild 67 zeigt typische Verlufe fr Lenkwinkel, Querbeschleunigung und Giergeschwindigkeit als Funktion der Zeit. Typische Grßen sind u. a. der Zeitverzug bis zum Erreichen der maximalen Giergeschwindigkeit y_ max , der stationre Schwimmwinkel bstat, der Gierverstrkungsfaktor DV y_ ¼ y_ stat =dstat und der TB-Wert ¼ T y_ max  bstat . Der TB-Wert korreliert stark mit dem subjektiven Fahrverhalten und liegt bei Pkws bei bis zu 1 s  grad, V y_ um 0,15 – 0,3 s1 (d= Lenkwinkel). Tabelle 3. Komponenten zur Unfallvorbeugung

Bild 65. Steuerung und Regelung des Systems Fahrer Fahrzeug nach [46] als Zweiebenenmodell

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Querdynamik und Fahrverhalten

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Bild 68. Sinusfrmiges Lenken Bild 66 a, b. Bremsen aus stationrer Kreisfahrt. a Trockene Fahrbahn; b nasse Fahrbahn. R ¼ 40 m, ay ¼ 5 m2

„Hilfen“ ohne besondere Kenntnisse und Aktivitten „erfhrt“. Dafr ist das schon geschilderte „ESP“ ein gutes Beispiel. Es greift nur in kritischen Fahrsituationen ein. 1.6.3 Simulationsmethoden

Bild 67. Kennwerte zum bergangsverhalten beim Lenkwinkelsprung

Eine weitere Prfung ist die Reaktion des Fahrzeuges bei sinusfrmiger Lenkwinkelanregung. Bild 68 zeigt das Amplitudenverhltnis und den Phasenwinkel zwischen Giergeschwindigkeit und Lenkradwinkel als Funktion der Frequenz. Wie stark sich das Fahrwerk durch die Elektronik verndert zeigt Tab. 3. Es ist besonders wichtig, dass der Fahrer die

Die Hauptanwendungsgebiete der Berechnung und Simulation fr das Fahrwerk liegen bei der Elastokinematik, der Strukturdynamik und der Festigkeit. Zum Beispiel wird bei der Achsenentwicklung von der Geometrie ber die Festigkeit bis zum Fahrverhalten die Konstruktion begleitet. Speziell die MKS-Modelle (MKS = Mehrkrpersysteme) eignen sich zur Fahrzeugsimulation auf den Gebieten Federungskomfort und Fahrverhalten. Eine wichtige Aufgabenstellung ist auch die Ermittlung von Lastkollektiven im Frhstadium des Entwicklungsprozesses. Hierzu ist eine detaillierte Erfassung der Prfstreckenoberflche und das Vorhandensein von entsprechenden Reifenmodellen notwendig. Bei der Berechnung von Achskonstruktionen ist das Lenkverhalten der Rder beim Einfederungsvorgang von großer Bedeutung, dies gilt auch fr die Auswirkung von Brems- und Seitenkrften. Mit der MKS-Methode knnen komplexe Simulationsaufgaben gelst werden, die auch die Elastizitten von Lagern bercksichtigen. Die Einbeziehung des Menschen als Regler fr die fahrdynamische Beurteilung gestaltet sich extrem schwierig. Abhilfe kann hier nur die Schaffung von Korrelationsgrßen bringen. Dabei muss unterstellt werden, dass sich das subjektive Urteil auf Messgrßen absttzen kann. Eine Methode besteht darin, ber Fahrsimulatoren und Korrelationsmessungen das Reglermodell „Fahrer“ zu verbessern, um damit zu subjektiven Aussagen zu gelangen. Auf jeden Fall wird man auch zuknftig nicht auf den Menschen als Maß fr die Optimierung und Abnahme von Fahrwerken verzichten knnen, wie die Darstellung in Tab. 4 zeigt [47]. Weitere Literatur zum Thema Fahrwerk ist unter [48–50] zu finden.

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Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeuge

Tabelle 4. Beurteilungsbogen fr Subjektivbeurteilungen

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Bild 69. Audi A2 Aluminiumkonzept [53]

http://www.springer.com/978-3-540-49714-1