Grundlagen der Fahrzeugtechnik

Zum Verständnis der im vorliegenden Buch dargestellten Zusammenhänge ist die Kenntnis der verwendeten Terminologie von maßgeblicher Bedeutung. Aus diesem Grund werden im folgenden Kapitel Parameter, Kräfte und Systeme definiert, welche von Bedeutung für alle behandelten Teilbereiche der Fahrzeugtechnik sind. Zunächst werden das Koordinatensystem und wesentliche geometrische Parameter des Gesamtfahrzeugs und Fahrwerks beschrieben.

Die 3F-Methodik basiert auf den drei Begriffen „Fahrer“, „Fahrzeug“ und „Fahrumgebung“, beinhaltet als zentrales Element den so genannten 3F-Parameterraum und dient zur praxisnahen Darstellung des Einsatzraumes des Fahrzeugs im Kundenbetrieb. In diesem Kontext stellt der „3F-Parameterraum“ ein Synonym für „Kundenbetrieb“ dar. Der Ursprung der 3F-Methodik geht auf [13] und [14] zurück, wo sie zunächst im Rahmen der Getriebeentwicklung bzw. zur Ermittlung von repräsentativen Lastkollektiven für Verzahnungen und Lagern in Getrieben eingeführt und angewendet wurde.

Das Ziel, in den Städten emissionsfreie Mobilität zu realisieren und in den Fahrzeugen klimaneutrale Energieträger zu verwenden, stellt die Antriebs- und Getriebeentwicklung in der Kraftfahrzeugindustrie aber auch die Energiewirtschaft vor eine große Herausforderung. Die entsprechenden gesetzlichen Rahmenbedingungen, insbesondere zum Kraftstoffverbrauch und damit den Kohlenstoffdioxid (CO2)-Emissionen sowie zu den emittierten Schadstoffen, wie Stickstoffoxide (NOx) und Rußpartikel, werden weltweit kontinuierlich verschärft. Durch die zunehmende Elektrifizierung der Antriebe im Rahmen der Elektromobilität, die Digitalisierung und Vernetzung der Fahrzeuge sowie automatisiertes Fahren wird die Automobilindustrie nachhaltig beeinflusst.

Die Fahrwiderstände werden als Kräfte beschrieben und deshalb auch Fahrwiderstandskräfte genannt. Sie werden stets auf die Ebene der Antriebsräder bzw. Antriebsachse(n) bezogen. Multipliziert man die Fahrwiderstandskraft FFW mit der Fahrzeuggeschwindigkeit v = ẋ, so erhält man die Fahrwiderstandsleistung PFW.

Das folgende Kapitel beschreibt detailliert die Längskräfte Fx und die Rad- bzw. Achslasten Fz sowie die Kraftschlussbeanspruchung μ für unterschiedliche Konzepte der Zugkraftverteilung. Die genannten Parameter sind maßgeblich für Untersuchungen, welche die Themenkreise.

Das Bedarfskennfeld stellt den Antriebsbedarf in Form von Zugkraft und Radgeschwindigkeit (oder Antriebsmoment und Raddrehzahl) an der Antriebsachse dar und resultiert aus den Fahrer-, Fahrzeug- und Fahrumgebungseigenschaften. So steigt der Drehmomentenbedarf an der Antriebsachse, wenn z. B. eine hohe Steigung (Fahrumgebung) befahren, ein hoher Beschleunigungswunsch (Fahrer) erfüllt wird oder ein schweres Fahrzeug (Fahrzeugeigenschaft) beschleunigt werden muss. Entsprechend des Bedarfs müssen die Antriebselemente Antriebsmaschine (Energiewandler) und Getriebe (Kennungswandler) konzipiert werden.

Die Aufgabe der Energiewandler im Fahrzeug ist die Umwandlung einer Energieform in eine andere. Abhängig vom Energiespeicher und dessen Energieträger sowie dem damit verbundenen physikalischen Speicherprinzipwerden verschiedene Arten von Energiewandlern eingesetzt. Diese unterscheiden sich neben der Form der Energiewandlung wesentlich in ihren charakteristischen Eigenschaften.

Anfahraggregate und Getriebe werden allgemein als Kennungswandler bezeichnet, da sie das Drehmoment und / oder die Drehzahl wandeln können. Eine Reibkupplung ist nur ein Drehzahlwandler, während Getriebe und hydrodynamischer Drehmomentwandler, im Folgenden nur als Drehmomentwandler bezeichnet, Drehmoment- und Drehzahlwandler darstellen. Kennungswandler sind Bestandteil des Triebstrangs (auch Antriebstrang genannt), dessen Grundaufgabe ist, das Kennfeld der Antriebsmaschinen (VKM und / oder EM) zu wandeln.

Das Bedarfskennfeld aus Kap. 6 kann auchWunschkennfeld genannt werden und stellt den abzudeckenden, fahrbaren Bereich eines Fahrzeuges dar. Auf die Kennfelder der einzelnen Antriebsmaschinen und auf die Kennungswandler wurde in Abschn. 7.1 sowie 8 bereits detailliert eingegangen. Eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten der Antriebsmaschinen führen zu einer Vielzahl von möglichen Antriebsstrangkonzepten mit den dazugehörigen Antriebskennfeldern.

Bei den, auf dem Markt befindlichen, Anfahraggregaten wird zwischen zwei Kategorien unterschieden.

In diesem Kapitel werden die etablierten Getriebekonzepte aus dem Pkw-Bereich vorgestellt und erklärt. Dazu gehören die manuellen Schaltgetriebe (MT – Manual Transmission), die automatisierten manuellen Getriebe (AMT – Automated Manual Transmission), die Doppelkupplungsgetriebe (DCT – Dual Clutch Transmission), die Automatikgetriebe (AT – Automatic Transmission), die Stufenlosgetriebe (CVT – Continuously Variable Transmission) und die dedizierten Hybridgetriebe (DHT – Dedicated Hybrid Transmission).

Wie schon in Abschn. 1.4 anhand von Kraftschlussbedingungen verschiedener Antriebskonzepte erklärt, haben die Allradantriebe große Vorteile bezüglich der Nutzung der Motorleistung zur Steigerung der Fahrleistungen und der Fahrsicherheit. Durch den zusätzlichen Einbau von Sperren zur variablen Momentenverteilung können die genannten Kriterien weiter verbessert werden. Die Vielfalt der am Markt befindlichen Systeme zur Momentenverteilung ist groß.

Der Energiebedarf eines Fahrzeugs wird neben den Fahrwiderständen und Nebenverbrauchern durch die Antriebsverluste der nichtidealen Wandler, die für den Vortrieb des Fahrzeugs benötigt werden, bestimmt. Je nachdem welche Arten oder Auslegungen von Energie- oder Kennungswandlern eingesetzt werden, ergeben sich zwischen verschiedenen Antriebssträngen große Unterschiede hinsichtlich der auftretenden Antriebsverluste.

Grundsätzlich ist ein Fahrzyklus durch einen Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf sowie ein dazugehöriges Steigungsprofil charakterisiert. Bei Fahrzyklen kann zwischen realitätsnahen und synthetischen Fahrzyklen differenziert werden. Realitätsnahe Zyklen sind meist direkt aus Messdaten im Kundenbetrieb extrahiert.

Der Energieverbrauch eines Fahrzeugs ist stark abhängig von den Fahrzeugparametern, da diese wesentlich die Fahrwiderstände beeinflussen. Die Fahrzeugparameter wiederum werden durch das Antriebskonzept bzw. den Elektrifizierungsgrad beeinflusst. So ergeben sich bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen in der Regel deutlich erhöhte Massen gegenüber nicht elektrifizierten Fahrzeugen

Abb. 16.1 zeigt die vollständige Energiewandlungskette vom Zähler bis zum Rad in allgemeingültiger Form. Der Begriff Zähler bezieht sich dabei auf die für den Endkunden kostenrelevante Energiemenge, die er zum Betrieb seines Fahrzeugs benötigt. Bei Fahrzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb stellt dies die an der Kraftstoffsäule bereitgestellte Kraftstoffmenge in Liter oder Kilogramm dar.

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen im Fahrzeug entstehen Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie Schadstoffe. Der Ausstoß von CO2 ist dabei unmittelbar vom Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs abhängig. Aufgrund der Wirkung von CO2 als Treibhausgas wird die Elektrifizierung des Antriebs von Fahrzeugen vorangetrieben.

Fahrzeuge verfügen in der Regel über eine an allen Rädern wirksame Bremsanlage mit hoher Bremsleistung. Im Gegensatz dazu weisen die meisten Fahrzeuge Antriebsmaschinen mit deutlich geringerer Leistung und nur eine angetriebene Achse (Vorderachs- oder Hinterachsantrieb) auf. Das Ziel der Bremsenentwicklung ist nicht die isolierte Betrachtung der Bremsleistung, sondern die maximale Ausnutzung der Kraftschlussbeanspruchung an den Rädern der beiden Achsen bis zur Haftgrenze, was mit einer idealen Bremskraftverteilung möglich ist.

Bei der Beschleunigung und der Verzögerung des Fahrzeugs entsteht im Fahrzeugschwerpunkt die d’Alembertsche Trägheitskraft, die auch Beschleunigungswiderstand genannt wird. Diese entspricht der in Kap. 4.7.3 eingeführten Näherung der Zugkraft, die bei Beschleunigung auf ebener Fahrbahn

Die Fahrzeugquerdynamik beschäftigt sich mit der Fahrzeugreaktion auf die Lenkradwinkeleingabe des Fahrers und innere sowie äußere Störungen. Zu den Störungen gehören z. B. asymmetrische Antriebs- oder Bremskräfte an den Rädern einer Achse, Seitenwind, unterschiedliche Fahrbahnreibwerte (μ-Split) und / oder Fahrbahnunebenheiten auf den Radspuren einer Achse, Fahrbahnquerneigung usw. Von einem querdynamisch optimalen Fahrzeug wird erwartet, dass es

Im folgenden Kapitel werden die grundlegenden Größen zur Beschreibung der Querdynamik eingeführt sowie die kinematischen Beziehungen bei der Kurvenfahrt hergeleitet. Eine grundsätzliche Erläuterung der Zusammenhänge bei der Kurvenfahrt findet sich z. B. in [1, 3, 4, 5, 6].

In Verbindung mit der kinematischen Grundgleichung der Kurvenfahrt, die den Zusammenhang zwischen der Bewegungsrichtung der Achsen und dem befahrenen Kursradius definiert, wurden die Effektivwinkel eingeführt. Die Effektivwinkel setzen sich aus einem vom Fahrer über das Lenkrad eingestellten Lenkradwinkel sowie einem Eigenlenkwinkel des Fahrzeugs zusammen. Aus den Eigenlenkwinkeln resultiert das Steuerverhalten des Fahrzeugs.

Im Folgenden werden die kinematischen Parameter der Radaufhängung dargestellt und ausgehend von ihnen die Radrückstellmomente ermittelt. Diese ergeben sich aus dem Produkt der am Rad angreifenden Kräfte und ihren Hebelarmen zu der Lenkachse. Aus den Rückstellmomenten ergibt sich dann das entsprechende Lenkradmoment, das der Fahrer als Handmoment wahrnimmt.

Im Folgenden werden ausgehend von der Kinematik der sogenannten Ackermann-Lenkung die Kriterien zur Auslegung von Pkw-Lenkungen diskutiert und Konzepte der Pkw- Lenkungen sowie die entsprechenden Verstärkungseinheiten als elektromechanische Lenkungssysteme dargestellt. Durch die zusätzlichen Bauteile wie Elektromotor, Scheckengetriebe, Riemengetriebe, Kugelgewindetrieb usw. erhöhen sich im Lenksystem die Massenträgheitsmomente sowie die Reibung. Die Kenntnis über die genannten Einflussparameter ist bei der Auslegung des Lenkungssystems sowie dessen Abstimmung von Bedeutung.

Das Wankmoment bewirkt die Wankbewegung des Aufbaus, die über den Wankwinkel κ beschrieben wird. Dadurch werden die Feder und Dämpfer auf der kurvenäußeren Seite durch Druck und auf der kurveninneren Seite durch Zug belastet. Ferner werden die Stabilisatoren tordiert.

Die Modellierung und Simulation der Fahrzeug-Querdynamik ist in unterschiedlichen Komplexitätstiefen möglich. Ein nichtlineares Zweispurmodell (auch Gesamtfahrzeugmodell genannt) bildet alle zuvor aufgezeigten Anteile am Eigenlenkverhalten des Fahrzeuges sowie das Fahrerverhalten, Fahrzeug- und Aufbaubewegungsparameter, Reifenkräfte und -momente, Radwinkel sowie die für die Querdynamik maßgeblichen Regelsysteme ab. Das nichtlineare und lineare Einspurmodell stellt ein vereinfachtes Modell dar, welches in einem eingeschränkten Gültigkeitsbereich gültig ist und in der Praxis für eine Vielzahl an Fragestellungen zugrundegelegt wird.

Die stationäre Kreisfahrt ist eines der Standardfahrmanöver in der Fahrdynamik. Das Ziel besteht darin, während der Testfahrt einen stationären Gleichgewichtszustand zwischen den Parametern Fahrgeschwindigkeit v, Lenkradwinkel δL und Kreisradius ρ herzustellen. Dabei wird jeweils ein Parameter konstant gehalten, der zweite Parameter diskret oder kontinuierlich variiert und ein Parameter gemessen oder gerechnet.

In diesem Kapitel wird das Fahrverhalten des Fahrzeuges infolge instationärer und periodischer Anregungen anhand von Open-Loop-Manövern erläutert, die zum Teil standardisiert sind. Aus dem vorher statischen Zustand (Geradeausfahrt mit konstanter Fahrgeschwindigkeit oder stationäre Kreisfahrt mit konstanter Gierrate) wird die Fahrzeugreaktion auf eine Anregung betrachtet, die über Lenkrad, Bremspedal oder Fahrpedal erfolgt. Bewertet werden die instationären Zeitverläufe der Fahrzeugparameter wie Gierrate .ψ, Querbeschleunigung ÿ, Schwimmwinkel β und Lenkradmoment ML.

Aktive und semi-aktive Systeme bieten die Möglichkeit, die in den vorhergehenden Kapiteln diskutierten Zielkonflikte zu minimieren und den Einsatzbereich eines Fahrzeugs zu erweitern. Unterschiedliche Abstimmungen können so realisiert werden, dass ein Fahrzeug auf „Knopfdruck“ z. B. sportlicher oder komfortabler geschaltetwerden kann. Insbesondere können sie das Fahrzeug in kritischen Fahrmanövern stabilisieren und insgesamt die längsund querdynamischen Fahrzeugeigenschaften verbessern [2].

Das Fahrzeug stellt ein relativ komplexes Schwingungssystem dar. Alle in der Schwingungstechnik bekannten Typen von Schwingungen, wie lineare, nichtlineare Schwingungen mit periodischer und stochastischer sowie transienter Anregung können in Fahrzeugen auftreten. Die komplexe Anregungsfunktion ℎ resultiert im Sinne der 3F-Methodik (Kap. 2 ) aus den Bereichen „Fahrumgebung“, „Fahrzeug“ und „Fahrer“ (Abb. 30.1).

In Teil IV wird die Fahrbahnunebenheit als die wesentliche Anregungsquelle betrachtet. Damit stehen die periodischen, stochastischen und transienten Funktionen in Abhängigkeit vonWeg und / oder Zeit im Vordergrund. Als Reaktion des Fahrzeugs auf die Fahrbahnanregung ergeben sich „Antwortfunktionen“, die mit Hilfe der in Kap. 33 erstellten linearen Schwingungsmodelle mit unterschiedlicher Anzahl von Freiheitsgraden ermittelt warden können.

Wie im einführenden Kapitel erwähnt, stellt die Kenntnis der Anregung eine wichtige Voraussetzung bei der Auslegung von Schwingungssystemen dar. Insofern ist die praxisnahe Bestimmung und Beschreibung von Fahrbahnunebenheiten als Anregungsquelle unter anderem im Zusammenhang mit der Ermittlung folgender Parameter von zentraler Bedeutung:

In der Vertikaldynamik interessiert insbesondere der Einfluss von Fahrbahnunebenheiten auf die beiden Auslegungskriterien Fahrkomfort und Fahrsicherheit, die sich wiederum anhand von Aufbau- und Sitzbeschleunigungen bzw. Radlastschwankungen quantifizieren lassen. Für grundlegende Untersuchungen ist es daher ausreichend, die durch die Fahrbahnunebenheiten angeregten Hubschwingungen von Sitz, Aufbau und Rad sowie die Nick- und Wankschwingungen des Aufbaus zu berücksichtigen.Werden dabei nur Schwingungen im niedrigen Frequenzbereich bis etwa 30 Hz betrachtet, können die schwingungsfähigen Körper in der Regel durch Starrkörper hinreichend genau und aufgrund der Einfachheit sehr effizient modelliert werden.

Zur Beurteilung des von Fahrzeuginsassen empfundenen Schwingungskomforts spielen die Schwingungsanregungen der Körperteile als Kontaktstellen des sitzenden Menschen zum Fahrzeug, wie Gesäß, Rücken, Hände, Arme und Füße, eine zentrale Rolle. Da die Intensität der Schwingungswahrnehmung des Menschen ganz wesentlich von der Schwingungsfrequenz und der Beschleunigung abhängt, bedarf es – in Analogie zu der A-Bewertung der Geräuschspektren – auch hier einer Bewertungsfunktion, welche die simulierten oder gemessenen Beschleunigungen der oben genannten Körperteile in Abhängigkeit von der Einwirkungsrichtung der Schwingungen mit ihren Frequenzen bewertet.

Neben den Reifen (Kap. 1.3 ), Radaufhängungen (Kap. 23 ) und Stabilisatoren (Kap. 25.1 ) hängen der vertikaldynamische Fahrkomfort und die fahrdynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs ganz wesentlich von den Aufbaufedern und -dämpfern ab (Abb. 35.1), deren prinzipielle Aufbauten und grundsätzliche Eigenschaften in diesem Kapitel erläutert werden.