Fahrzeugdynamik

Die Fahrdynamik beschreibt das Verhalten eines Fahrzeugs unter Einwirkung von Kräften, beispielsweise hervorgerufen durch eine Kurvenfahrt oder Beschleunigungs‐ und Bremsvorgänge. Auch Fahrbahnunebenheiten wirken über Kräfte auf das Fahrzeug und beeinflussen das Verhalten des Fahrzeugs. Der allgemein gebräuchliche Begriff Fahrdynamik ist im strengen Sinn stark einschränkend, da die Dynamik die Lehre der Kräfte ist. Passender wäre der Begriff der Fahrmechanik, da die Mechanik die Lehre der Kräfte und der damit im Zusammenhang stehenden Bewegungen ist. Dieses ist eine passendere Definition für die Fahrdynamik. Da sich der Begriff Fahrdynamik zur Beschreibung der durch verschiedene Kräfte hervorgerufenen Bewegung des Fahrzeugs, welches als Fahrverhalten beschrieben wird, durchgesetzt hat, wird diese Nomenklatur beibehalten.

Die Bewegung eines Fahrzeugs vorherzusagen, welches aus ca. 10.000 Einzelteilen besteht, ist eine herausfordernde Aufgabe. In vielen Fällen ist es zum Verständnis und zur Vorhersage hilfreich, wenn Bauteile zu Subsystemen zusammengefasst werden. Im Extremfall können alle Bauteile zu einem Körper zusammengefasst werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Vereinfachen eines mathematischen Modells in vielen Situationen das Verständnis erleichtert oder auch überhaupt erst Aussagen in einer hinreichenden Genauigkeit ermöglicht, welche durch detailliertere Modelle mit deutlich mehr Rechenaufwand spezialisiert werden können.

Ein Fahrzeug überträgt die auf es wirkenden Kräfte nahezu ausschließlich über die Reifen auf die Fahrbahn. Daher wird dieser Thematik ein ganzes Kapitel gewidmet. Die Größe der übertragbaren Kräfte hängt von der Griffigkeit der Fahrbahn und der Radlast ab. Die Griffigkeit der Fahrbahn bestimmt den maximalen Kraftschlussbeiwert, der näherungsweise mit dem Haftschlussbeiwert des Coulomb’schen Haft- bzw. Reibgesetz verglichen werden kann. Nach Überscheiten des maximalen Kraftschlussbeiwertes fällt dieser wieder ab, was mit dem Gleitreibungsbeiwert verglichen werden kann. Bei diesen Vorgängen dreht sich das Rad und die Kontaktfläche ändert sich stetig. Auch der Radius eines Reifensegmentes muss sich dauernd ändern, da der Reifen durch das Fahrzeuggewicht einfedert und jeweils das Radsegment, das mit der Fahrbahn in Kontakt steht, einen kleineren Radius haben muss. Diese Phänomene werden im ersten Teil des Kapitels analysiert, im zweiten wird die Radlast analysiert. Diese setzt sich aus dem statischen Anteil des Gewichtskraftanteils auf das Rad und verschiedener dynamischer Anteile, wie Beschleunigung, Berg- und Kurvenfahrt, zusammen.

Dieses Kapitel versetzt den Leser in die Lage, das Potential an übertragbaren Kräften in verschiedene Richtungen zu bestimmen.

Die Längsdynamik beschäftigt sich mit den Kräften und Bewegungen in die Fahrzeuglängsrichtung. Hier werden die Widerstände analysiert, die ein Fahrzeug während der Fahrt überwinden muss. Ausgehend von dem Gedanken einer durch die Leistung definierten Antriebsquelle wird das ideale Antriebskennfeld definiert und mit real existierenden Antriebsquellen verglichen. Da diese, zumindest im Falle des Verbrennungsmotors, stark voneinander abweichen, werden Kennungswandler vorgestellt, mit deren Hilfe reale Antriebskennfelder erarbeitet werden. Weiterhin werden die möglichen Fahrleistungen, basierend auf der Antriebskennung, und die Fahrgrenzen, basierend auf dem Kraftschlussbeiwert, definiert.

Dieses Kapitel versetzt den Leser in die Lage, die Bedarfskräfte und –leistung eines Fahrzeugs zu quantifizieren, er wird in der Lage sein, die Auswirkungen von Änderungen am Fahrzeug auf die Fahrleistung und Fahrgrenzen zu bestimmen.

Die Querdynamik analysiert die Kräfte und Beschleunigungen in die Querrichtung, dieses ist nötig bei Richtungsänderungen des Fahrzeugs. Es werden das lineare Einspurmodell zur Analyse der Kurvenfahrt hergeleitet und wichtige Eigenschaften des Fahrzeugs, wie Über- oder Untersteuern definiert. Ein maßgebender Parameter zur Bestimmung des Querdynamikeigenschaften, der Eigenlenkgradient, wird eingeführt. Einige Fahrmanöver zur Analyse der Querdynamik werden vorgestellt und ergründet.

Dieses Kapitel versetzt den Leser in die Lage, die Querdynamik zu analysieren und zu quantifizieren. Wichtige Grundlagen zum Verständnis von Fahrdynamikregelsystemen werden hier gelegt.

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Bremsanlage eines Fahrzeugs stark weiterentwickelt und übernimmt jetzt im Fahrzeug eine Reihe von Funktionen, die der Fahrzeugsicherheit, aber auch der Fahrleistung dienen. Aus der Idee eines Rad‐Blockierverhinderers, welche Ende der 1970er Jahre realisiert wurde, ist eine ganze Familie von Regelsystemen erwachsen, welche das Fahren sicherer machen.

1979 wurde das Antiblockiersystem (ABS) erstmalig in die Serie eingeführt. Es sollte das Blockieren einzelner Räder verhindern, um die Lenkfähigkeit zu erhalten und den Bremswerg zu verkürzen.

1986 führte man die Antischlupfregelung (ASR) der Antriebsräder ein, um das Durchdrehen einzelner oder beider Antriebsräder zu verhindern. Dazu wird entweder das durchdrehende Rad mit einem Bremsmoment beaufschlagt oder das Motormoment verringert.

1995 erschien erstmalig das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) in Serie auf dem Markt, um Schleuderbewegungen des Fahrzeugs durch den Aufbau von Giermomenten entgegenzuwirken. Dazu muss radselektiv Bremsmoment aufgebaut werden, um wahlweise an Vorder‐ oder Hinterachse ein Moment um die Hochachse zu erzeugen.

Die Vertikaldynamik thematisiert die Kräfte in die Hochrichtung des Fahrzeugs. Diese haben sowohl auf den Komfort der Insassen als auch auf die Sicherheit Einfluss. Aufgrund der Trägheit der Masse benötigt ein Fahrzeug elastische Elemente in vertikale Richtung, da es sonst nach jeder Fahrbahnunebenheit den Bodenkontakt verlieren würde. Diese elastischen Elemente bilden zusammen mit der Fahrzeugmasse ein Schwingungssystem. Die Phänomene von Schwingungssystemen werden beschrieben und die Elemente zur Beeinflussung von Schwingungen, wie Federelemente und Dämpfer, werden vorgestellt.

Nach der Lektüre dieses Kapitels ist der Leser in der Lage, Eigenfrequenzen von Subsystemen zu bestimmen und diese bewusst zu beeinflussen. Er versteht den Zusammenhang von Radlastschwankungen und der Fahrdynamik.

Das letzte Kapitel verdeutlicht, dass mit der Anzahl der betrachteten Einzelkörper und deren Freiheitsgraden der Rechenaufwand steigt und die Unterstützung eines Rechners erforderlich wird. Betrachtet man eine Einzelmasse, so hat diese drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade, insgesamt also sechs Freiheitsgrade. Verbindet man mehrere dieser masse‐ und trägheitsbehafteter Einzelmassen miteinander, spricht man von einer Mehrkörpersimulation (MKS). Mittels Bindungen und Kontaktbedingungen können die Freiheitsgrade eingeschränkt werden. Mehrkörpersimulationen in der Fahrzeugentwicklung findet man bei der Analyse und Optimierung der Achs‐ und Lenkungskinematik, bei der Ermittlung von dynamischen Bauteilschnittlasten für die Festigkeitsberechnung, aber auch bei der Analyse der Fahrdynamik und des Komfortverhaltens des Gesamtfahrzeugs. Beispiel für Softwarelösungen im Bereich der Mehrkörpersimulation sind Adams, Simpack oder Mesa Verde [1].