Dynamik der Kraftfahrzeuge

In diesem Buch wird das Zusammenspiel von Kräften am Kraftfahrzeug und seinen Bewegungen behandelt. Es wird — wenn man sich der Sprache der Technischen Mechanik bedient — hauptsächlich ein Einblick in die Dynamik des Kraftfahrzeuges gegeben bzw. es werden — um einen Ausdruck aus der Fahrzeugtechnik zu benutzen — die Fahreigenschaften von Fahrzeugen besprochen.

An den Anfang der Betrachtung wird das Rad, das typische Bauteil des Landfahrzeuges bzw. der speziell für das Kraftfahrzeug wichtige Reifen gestellt. Er überträgt Kräfte und Momente vom Fahrzeug über die Reifenaufstandsfläche ² — auch Reifenlatsch genannt — auf die Fahrbahn. Die Eigenschaften der Reifen beeinflussen maßgeblich die Dynamik des Kraftfahrzeuges, wie aus den drei Teilen des Buches „A Antrieb und Bremsung“, „B Schwingungen” und „C Fahrverhalten“ hervorgehen wird. Entsprechend dieser Buchgliederung ist auch das Reifenkapitel eingeteilt: „I.1 Reifeneigenschaften in Umfangsrichtung”, „I.2 Reifeneigenschaften in vertikaler Richtung“ und „I.3 Reifeneigenschaften in Seitenrichtung”.

Leistung und Fahrverhalten eines Kraftfahrzeuges werden bei höheren Geschwindigkeiten nachhaltig von seiner Aerodynamik bestimmt. In letzter Zeit steht besonders der Luftwiderstand bzw. seine Kenngröße, der c _w-Wert im Brennpunkt des Interesses, er bestimmt mit die Höhe des Kraftstoffverbrauches und des CO₂-Ausstoßes. Aber die Umströmung des Fahrzeuges hat auch Einfluß auf die Größe seines Auftriebes und auf seine Seitenwindempfindlichkeit.

Die Kenntnis der Fahrwiderstände am Fahrzeug ist eine der wichtigen Grundlagen. Sie bestimmt das notwendige Drehmoment an den Antriebsrädern und die erforderliche Leistung, darüber hinaus die Höhe des Energieverbrauches.

Nachdem in Kap. III die Widerstände und damit die erforderlichen Drehmomente und Leistungen an den Rädern — kurz genannt der Momenten- und Leistungsbedarf — behandelt wurden, werden jetzt die von der Antriebsanlage angebotenen Momente und Leistungen — kurz das Momenten- und Leistungsangebot — betrachtet.

In den vorangegangenen Kap. III und IV wurden die Fahrwiderstände und die Kennfelder der Antriebsmaschinen besprochen. Nun wird beides zusammen, d.h. der Komplex der Fahrleistungen, betrachtet. Es wird die Höchstgeschwindigkeit eines Fahrzeuges, seine Steig- und Beschleunigungsfähigkeit und die Fahrt im Gefälle berechnet. Hinzu kommt die Höhe des Kraftstoffverbrauchs. In den Beispielen werden als Antriebsmaschinen meistens Verbrennungsmotoren mit mechanischen Kennungswandlern (Kupplung, Schalt- und Achsgetrieben) gewählt.

Im vorangegangenen Kapitel wurde die Frage nach der Höchstgeschwindigkeit, Steig-, Beschleunigungsfähigkeit usw. von Fahrzeugen nur aus der Sicht der Antriebsmaschine beantwortet. Im folgenden wird gefragt, ob die installierte Leistung oder das Drehmoment überhaupt auf die Fahrbahn übertragen werden kann. Jetzt steht der Kraftschluß im Vordergrund. Die sich daraus ergebende Grenze nennt man allgemein „Fahrgrenze“.

Im folgenden wird die Betrachtung des Antriebes eines Fahrzeuges verlassen und sich dessen Abbremsung zugewandt. Die bisherigen Gleichungen können weiter verwendet werden, nur müssen häufig negative Werte eingesetzt werden. So ist ein Bremsmoment ein negatives Antriebsmoment, eine Verzögerung eine negative Beschleunigung, ein Gefälle eine negative Steigung.

Dieses Kapitel dient zur Vorbereitung auf die nachfolgenden Überlegungen ab Kap. XI und soll gleichzeitig eine kleine Wiederholung der Schwingungslehre sein. Als Beispiel für die Einführung werden einfache Einmassensysteme verwendet, die als Ersatzsysteme für Sitz-Mensch, für Motorlagerung, für landwirtschaftliche Fahrzeuge und Baumaschinen (diese federn nur auf den Reifen) und für spezielle Anregungen durch Unebenheiten, Rad/Reifen und Verbrennungsmotor angesehen werden können. Danach wird auf die Schwingungsanregungen allgemein und speziell auf die Fahrbahnunebenheiten eingegangen und weiterhin eine mathematische Methode zur Behandlung regelloser Schwingungen gezeigt.

Nach Bild 54.2 muß das Schwingungsverhalten anhand von Beurteilungsmaßstäben bewertet werden. Es werden als Kriterien die Radlastschwankungen und die auf den Fahrzeuginsassen einwirkenden Schwingungen behandelt, weiterhin die Gesamtfederwege am Rad und am Sitz. Die letzteren stellen zwar direkt keinen Beurteilungsmaßstab für den Insassen dar, indirekt geben aber genügend große Federwege erst die konstruktive Voraussetzung zur Erzielung hohen Komforts.

Von den einfachen Schwingungssystemen nach Kap. IX wird nun zu komplizierteren Systemen, zu den bei höheren Fahrgeschwindigkeiten benutzten Kraftfahrzeugen übergegangen. Wie zu Beginn des Teils B erläutert, wird ein vierrädriges Kraftfahrzeug durch vier Unebenheitsfunktionen zu Schwingungen in den verschiedensten Richtungen angeregt.

Zum Anfang des Kap. XI wurden vier Vereinfachungen eingeführt, um das Kraftfahrzeug einschließlich eines Insassen durch ein Dreimassensystem anzunähern. Es wurde nur über einen Punkt zu Hubschwingungen angeregt, der Radstand war unendlich groß, die Koppelmasse war Null, und der Mensch saß über einer Achse. Nun wird ein Zweiachsfahrzeug nach Bild 54.4b betrachtet, das an Vorder-und Hinterachse gleichzeitig erregt wird, und bei dem der Aufbau nicht nur Hub-, sondern auch Nickschwingungen ausführen kann. Der Radstand ist endlich, die Koppelmasse im allgemeinen ungleich Null, und der Mensch muß nicht mehr über einer Achse sitzen.

In den vorangegangenen Kap. XI und XII wurde vorausgesetzt, daß die Unebenheiten in der linken und rechten Spur gleich sind, so daß ein um die Längsachse symmetrisches Fahrzeug keine Wankschwingungen (Winkelbewegungen um die Längsachse), sondern nur Hub-und Nickschwingungen ausführt. Diese Annahme gleicher Unebenheiten wird nun fallengelassen, die Unebenheiten in der linken und in der rechten Spur sind verschieden, das Fahrzeug kann nun auch wanken. Nach wie vor gilt aber die folgende Annahme (s. Bild 87.1a):

Bei der bisherigen Behandlung der Schwingungssysteme waren Räder und Aufbau nur über Federn und Dämpfer miteinander verbunden. Die Führungen der Räder relativ zum Aufbau, die sog. Radaufhängungen, die besonders wichtig zur Aufnahme von Umfangskräften bei Antrieb und Bremsung, von Seitenkräften bei Kurvenfahrt und der zugehörigen Momente sind, wurden bisher vernachlässigt. Inwieweit sie das Schwingungsverhalten beeinflussen, wird im nachstehenden gezeigt.

Bisher wurden Hub-, Nick-, Wank- und Seitenschwingungen behandelt. Es fehlen noch die Längsschwingungen. Diese werden untersucht anhand der Beispiele:

Zu Beginn des Teiles B wurden an Beispielen von Einmassenschwingern u.a. Anregungen durch Unebenheiten (Abschn. 56.2.1) und durch den Motor (Abschn. 56.2.2) behandelt. In den Kapiteln XI bis XIV und z.T. in XV wurden nur die Auswirkungen von Unebenheitserregungen diskutiert, nun aber nicht mehr an Einmassenschwingern, sondern an das Kraftfahrzeug beschreibenden Mehrmassenschwingern. Dabei wurde in Abschn. 85 speziell untersucht, wie sich die Schwingungen des relativ schweren Antriebsaggregates auf den Komfort der Fahrzeuginsassen auswirken (sog. Stuckern).

Dieses Kapitel dient zur Einführung in das komplizierte Gebiet des Fahrverhaltens. Um den Einblick zu erleichtern, wird ein theoretisches Fahrzeugmodell mit im wesentlichen zwei vereinfachenden Annahmen vorausgesetzt:

Die alleinige Betrachtung des Kraftfahrzeuges, die in Kap. XVIII in vereinfachter Form begonnen wurde, wird nun unterbrochen, und der Fahrer wird in das Geschehen einbezogen. Die gemeinsame Betrachtung läuft allgemein unter der Überschrift „Mensch-Maschine“ und die spezielle Anwendung auf die Autofahrt unter dem Titel „Regelkreis Fahrer-Kraftfahrzeug“.*

In Kap. XVIII wurde das Fahrzeug allein betrachtet. In Kap. XIX ergaben sich durch die Hinzunahme des Fahrers weitere Erkenntnisse über die Anforderungen an die Fahreigenschaften von Fahrzeugen. In beiden Kapiteln wurden nur lineare Modelle diskutiert.

Im einführenden Kap. XVIII lag der Fahrzeugschwerpunkt auf Straßenhöhe, und die Reifenkennlinien waren linear. In Kap. XX war ebenfalls die Schwerpunkthöhe Null, aber die Reifenkennungen waren der Wirklichkeit entsprechend nichtlinear. Nun wird ab hier auch noch der Schwerpunkt auf die richtige Höhe angehoben und damit das komplette Fahrzeug betrachtet.