Fahrdynamische Begriffe

Grundlagen

Fahrdynamik

Die Fahrdynamik untersucht die Vorgänge, die bei der Bewegung eines Fahrzeuges ablaufen. Man beobachtet dabei das Zusammenspiel aller Kräfte, die auf das Fahrzeug während der Fahrbewegung wirken. Die wirksamen Kräfte werden von folgenden Parametern verursacht oder beeinflusst:

8 Fahrzeuggewicht 8 Beschleunigung

8 Verzögerung (Bremsen) 8 Fahrbahnunebenheiten

8 Kurvenfahrten 8 Luftströmung

Gemäß den drei Koordinaten im Raum unterteilt man die Fahrdynamik in die Teilgebiete Längsdynamik, Querdynamik und Vertikaldynamik.

Koordinatensystem

Für einen freibeweglichen Körper existieren insgesamt sechs Freiheitsgrade im Raum. Einer für jede der drei Achsen im Koordinatensystem und zusätzlich ist die Drehung um jede Achse möglich. (Bild 1)

Längsachse

Die Längsachse geht längs durch das Fahrzeug und entspricht der x- Achse im Koordinatensystem. Sie ist nach vorn, das heißt, in Fahrtrichtung gerichtet. Wege, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen nach vorn werden deshalb als positiv gewertet. Bremswege und Verzögerungen sind negativ definiert. Drehschwingungen um die x- Achse werden als “Wanken” oder “Schlingern” bezeichnet.

Querachse

Die y- Achse des Koordinatensystems wird Querachse genannt. Sie ist senkrecht zur Fahrtrichtung und zur Längsachse angeordnet. Sie zeigt nach links, das heißt, Bewegungen nach links werden als positiv betrachtet. Geradlinige Schwingungen in Richtung der Querachse nennt man “Schütteln” oder “Querschwingungen”. Drehschwingungen heißen “Nicken” bzw. “Stampfen”.

Hochachse

Die z- Achse wird als Hochachse bezeichnet. Sie steht rechtwinklig zur Längs- und Querachse und zeigt nach oben. Geradlinige Schwingungen bezeichnet man als “Heben” oder “Senken”, Drehschwingungen als “Gieren” bzw. “Schleudern”.

Entsprechend der Bewegung des Fahrzeugs in den sechs Freiheitsgraden werden die drei Dynamikbereiche als:

4 Längsdynamik 4 Vertikaldynamik 4 Querdynamik

bezeichnet.

Zur Längsdynamik zählen das Beschleunigen und Verzögern. Die Vertikaldynamik betrachtet das Heben, Senken, Nicken und Wanken. Zur Querdynamik zählen die Querbewegungen und das Gieren.

Da Radlastschwankungen bei allen Fahrzeug- oder Aufbaubewegungen zur Änder-ung der Seitenführungskräfte führen, beeinflussen sich die drei Dynamikbereiche gegenseitig.

Bild 1 Fahrzeugbewegungen im Koordinatensystem

x Längsachse

1 Beschleunigen, Verzögern

2 Wanken (Schlingern)

y Querachse

3 Querschwingen (Schütteln)

4 Nicken (Stampfen)

z Hochachse

5 Heben, Senken

6 Gieren (Schleudern)

Fahrwiderstände, Rollwiderstand

Fahrzeuglängsdynamik

Die Fahrzeuglängsdynamik ist ein Teilgebiet der Fahrdynamik. Sie befasst sich mit allen in Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Kräften.

Um ein Fahrzeug in Bewegung zu bringen, müssen Fahrwiderstände überwunden werden. Wie jeder andere Körper aus Masse und Volumen auch, setzt ein Fahrzeug dem Versuch, es zu beschleunigen und es in Bewegung zu halten, verschiedene Fahrwiderstände entgegen. Man unterteilt den Gesamtwiderstand in vier Hauptbestandteile:

8 Rollwiderstand 8 Steigungswiderstand

8 Beschleunigungswiderstand 8 Luftwiderstand

Je nach Fahrsituation wirken sich die einzelnen Fahrwiderstände unterschiedlich stark aus. Bei der Entwicklung von Fahrzeugen versucht man die Fahrwiderstände zu verringern, um so den Kraftstoffverbrauch zu verringern und den Wirkungsgrad des Fahrzeugs zu verbessern.

Rollwiderstand

Der Rollwiderstand FR entsteht durch Form Änderungsarbeit beim Abrollen der Räder auf der Fahrbahn. Er wird durch das Fahrzeuggewicht und durch den Rollwiderstandsbeiwert uR bestimmt, der wiederum von der Art des Reifens und der Fahrbahn abhängt. Je größer der Rollwiderstandsbeiwert und je höher das Fahrzeuggewicht bzw. die Radlast GR umso größer ist auch der Rollwiderstand.

FR = uR x GR = uR x m x g

Der Rollwiderstand setzt sich zusammen aus:

4 Rollreibung 4 Walkarbeit

4 Luftreibung im Reifen 4 Reibung im Radlager

Der Rollwiderstand lässt sich durch folgende Maßnahmen verringern:

4 Einsatzgerechte Bereifung

4 Korrekte Einstellung der Lenk- und Achskinematik

4 Regelmäßige Kontrolle des Reifenluftdrucks.

Rollwiderstandsbeiwert

Mit zunehmender Belastung und abnehmenden Reifenluftdruck PL steigt der Rollwiderstandsbeiwert und somit die zu überwindende Rollwiderstandsleistung.

Der Rollwiderstandsbeiwert hängt von folgenden Faktoren ab:

4 Gefahrene Geschwindigkeit 4 Fahrzeuggewicht

4 Reifenbauart 4 Lenkgeometrie/ Achskinematik

4 Straßenzustand/ Fahrbahn

Kurvenwiderstandsbeiwert

In Kurven kommt zum Rollwiderstand der Kurvenwiderstand hinzu. Der zugehörige Faktor ist der Kurvenwiderstandsbeiwert. Er hängt vom Schräg-laufverhalten des Reifens ab.

Da sich der Reifen unter einem Schräglaufwinkel über die Fahrbahnoberfläche bewegt, baut sich eine Seitenkraft Fs auf. Deren Sinusanteil erhöht den Gesamtrollwiderstand FR . Gleichzeitig verringert sich der reine Rollwiderstand FRol auf seinen Cosinusanteil.

F Rol = Fs x sin + F Rol x cos.

Steigungen

Zum Gesamtwiderstand zählt neben den zur Bewegung in der Ebene zu über-windenden Roll- und Luftwiderständen zusätzlich der Steigungswiderstand.

Beschleunigen und Verzögern

Über die bei gleichmäßiger Fahrt wirkenden Fahrwiderstände hinaus entstehen beim Beschleunigen Massenträgheitskräfte entgegengesetzt zur Richtung der Beschleunigung.

Da Verzögern ein negatives Beschleunigen darstellt, wirken in diesem Fall die Trägheitskräfte mit der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Den Anteil der Trägheitskräfte nennt man Beschleunigungswiderstand.

Translatorisch und rotatorisch

Der Beschleunigungswiderstand teilt sich auf in einen translatorischen Teil, resultierend aus der Gesamtmasse des Fahrzeugs und einem rotatorischen Teil, der durch die Massenträgheiten drehender Bauteile des Fahrzeugantriebs entsteht. Letztgenannter Anteil ist für die Gesamtsumme der Fahrwiderstände relativ unerheblich.

Steigungswiderstand

Der Steigungswiderstand ist der Anteil des Gesamtfahrwiderstands, der durch die Topographie beeinflusst wird. Beim Befahren einer Steigung wirkt die Hangabtriebskraft Fst entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs und bei einer Gefällefahrt in Fahrtrichtung. Sie ist umso größer, je steiler der Anstieg oder das Gefälle und je größer das Gewicht G des Fahrzeugs ist.

FsT = G x sin st

Hierbei gibt ST den Steigungs- bzw. Gefällewinkel an.

Beschleunigungswiderstand

Massenträgheitskräfte wirken bei jeder Geschwindigkeitsänderung auf das Fahrzeug. Je größer die Fahrbescheunigung a, das heißt , je schneller die

Geschwindigkeitsänderung erfolgt, desto größer ist auch die zur Überwindung des Beschleunigungswiderstands benötigte Kraft. Wie die Hangabtriebskraft, so steigt auch die Beschleunigungskraft FT (tranlatorische Kraft) mit der Masse m des beschleunigten Fahrzeugs.

FT = m x a

Verzögerung

Für die Verzögerung des Fahrzeugs gelten die gleichen Verhältnisse wie für die Beschleunigung, nur in umgekehrter Richtung. Das bedeutet, beim Bremsen schiebt die Trägheitskraft das Fahrzeug weiterhin in seine Bewegungsrichtung an - bei Nfz durch deren hohe Masse ein sehr großer Faktor.

Steigungs- und Beschleunigungswiderstände

A Kräfte an Steigungen B Kräfte beim Beschleunigen

a Fahrzeugbeschleunigung m Masse des Fahrzeugs

ST Steigungswinkel G Fahrzeuggewicht

FST Steigungswiderstand FT Beschleunigungswiderstand

Fahrwiderstände,Luftwiderstand

Luftwiderstand

Neben dem Rollwiderstand bildet der Luftwiderstand den größten Anteil am Gesamtwiderstand. Er entsteht wie der Rollwiderstand bei der Bewegung des

Fahrzeugs und steigt mit Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit im Quadrat.

Der Luftwiderstand FL hängt von folgenden Faktoren ab:

8 Gefahrenen Geschwindigkeit v

8 Größe und Form des Fahrzeugs 8 Luftdichte

Die Berechnungsformel lautet: FL = 0,5 x CW x A x p x v

Der Widerstand der durch die Form des Fahrzeugs entsteht, wird in Wind-kanälen ermittelt und durch den Luftwiderstandsbeiwert (CW - Wert) quantifiziert. Der Luftwiderstand lässt sich durch folgende Maßnahmen verringern:

4 Einsatz Vollverkleideter Fahrzeuge (Dachspoiler, Bugschürze, Seitenver- kleidung usw.)

4 Strömungsgünstige Formenentwicklung an Zugfahrzeugen und Anhängern

4 Aufbauten mit Plane straff verzurrt bzw. auf niedrigste Stufe eingestellt.

Beispiel: Bei einem Nfz mit einer Motorleistung von 301 kw (410 PS), mit einem Gesamtgewicht von 40t und einer Fahrgeschwindigkeit von 85km/h betragen Luftwiderstand und Rollwiderstand jeweils 33 % .

Überschussleistung für Beispiel Bild

40 t zGG 301 kw 410 PS Motorleistung

Anteile von Luftwiderstand, Rollwiderstand und Überschussleistung.

Aerodynamik Aerodynamische Grundbegriffe

Aerodynamik

Die Aerodynamik beschäftigt sich als teil der Physik mit allen Vorgängen, die bei der Umströmung und Durchströmung eines Körpers beobachtet werden können.

Der Luftwiderstand eines Fahrzeugs wird im Strömungskanal ermittelt. Der charakteristische Wert, der den Luftwiderstand beschreibt , ist der Luftwider-standsbeiwert.

Niedrige CW- Werte bedeuten geringen Luftwiderstand und ermöglichen eine höhere Endgeschwindigkeit sowie einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Im Zuge steigender Kraftstoffpreise wird eine günstige Aerodynamik auch für Nfz immer bedeutsamer. Von den meisten Nutzfahrzeugherstellern, die den CW - Wert verbessern. Der Trend geht hin zum “Vollverkleideten” Nutzfahrzeug.

Luftwiderstand

Mit steigender Geschwindigkeit eines Fahrzeugs erhöht sich auch sein Luft-widerstand. Die Zunahme des Luftwiderstands bei steigender Geschwindigkeit erfolgt im Quadrat, das heißt bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit vervierfacht sich der Luftwiderstand. Bei einer Geschwindigkeit von 85 km/h beträgt der Luftwiderstand mehr als 40 % der gesamten Fahrwiderstände.

Der Luftwiderstand eines angeströmten Fahrzeugs setzt sich zusammen aus den Anteilen: 8 Druckwiderstand 8 Induzierter Widerstand

8 Oberflächenwiderstand 8 Innerer Widerstand

Druckwiderstand

Der Druckwiderstand wird durch die Größe der Gebiete turbulenter, abgelöster Strömung bestimmt. Hauptanteil hat hierbei die Größe der Heckabrisszone. An Stellen, an denen die Strömung abreißt entsteht Unterdruck, der den Druckwiderstand auslöst. Prinzipiell versucht man, kleine Abrissflächen und damit kleine Unterdruckzonen zu realisieren. Dies ist im Nfz- Bereich besonders schwierig, weil ein maximales Ladevolumen angestrebt wird und damit bestimmte, meist kastenförmige Aufbauformen bevorzugt werden.

Induzierter Luftwiderstand

Der Induzierte Luftwiderstand zählt zum Druckwiderstand und entsteht durch die bei der Bewegung entstehenden Luftdruckunterschiede zwischen Querseite und Unterseite des Fahrzeugs. Druckwiderstand und induzierter Widerstand zusammen bilden mit 50 bis 90 % den größten Anteil des Gesamtluftwiderstands.

Oberflächenwiderstand

Als Oberflächenwiderstand bezeichnet man den Reibungswiderstand, den die “Außenhaut” des Fahrzeugs der anliegenden (laminaren) Luftströmung entgegensetzt. Er wirkt bei allen langen Fahrzeugen, wie Sattelzügen und Bussen verstärkt aus. Am Gesamtluftwiderstand ist der Oberflächenluftwiderstand mit etwa 3 bis 30 % beteiligt.

Innerer Luftwiderstand

Der innere Luftwiderstand ist der Anteil des Luftwiderstands, dem das Fahrzeug aufgrund seiner Durchströmung zur Aggregatkühlung und Innenraum- bzw. Fahrerhausbelüftung ausgesetzt ist. Der Anteil des inneren Widerstands am Gesamtluftwiderstand beträgt etwa 3 bis 11 %.

Bild induzierter Luftwiderstand: - Unterdruck + Überdruck

Aerodynamik

Aerodynamische Maßnahmen

Fahrzeugdesign

Durch die Abrundung der Frontpartie des Fahrerhauses in Verbindung mit Luftelementen und die Verwendung einer Bugschürze kann das Fahrzeug-design strömungstechnisch optimiert werden.

Ein strömungsgünstig gestaltetes Fahrerhaus allein bewirkt jedoch eine verstärkte Anströmung des nicht optimierten Aufbaus. Der dann insgesamt erreichte Cw- Wert ist sogar höher als der eines Nfz mit kantigem Fahrerhaus und nicht optimiertem Aufbau. Der Grund dafür ist, dass bei einem kantigen Fahrerhaus die Frontpartie des Aufbaus in einer Ablösezone liegt und somit einem geringeren Luftwiderstand ausgesetzt ist.

Luftleiteinrichtungen

Um eine gute strömungstechnische Abstimmung von Fahrerhaus und Aufbau zu

realisieren, setzt man zusätzlich abschirmende Luftleiteinrichtungen ein. Man unterteilt sie in drei Gruppen:

8 Luftleitschilde auf dem Fahrerhaus

8 Anströmkörper am Aufbau

8 Seitenverkleidungen am Fahrgestell

Vollverkleidete Nfz erreichen beste Verbrauchswerte und erhöhen so den Nutzen für den Fuhrparkbetreiber.

Luftleitschilde auf dem Fahrerhaus

Die optimale strömungstechnische Abstimmung von Fahrerhaus und Frontpartie des Aufbaus ist von hoher Bedeutung. Ein Dachspoiler auf dem Fahrerhaus, der gegebenenfalls verlängert und durch Seitenklappen (side-flaps) und Dachansätze ergänzt wird. Kann den Luftwiderstand eines Nfz mit Aufbau erheblich reduzieren.

Anströmkörper am Aufbau

Eine Verbesserung des Luftwiderstandsbeiwertes durch die Veränderung der äußeren Form des Aufbaus ist bei Nfz nur in geringem Maß möglich, da durch eine Abrundung der Ecken und kanten des Aufbaus der Laderaum verkleinert wird, und somit Ladevolumen abnimmt. Spezielle Anströmkörper an der Frontpartie des Aufbaus verringern den Luftstrom, der in der Ablösezone der Luftleitschilde des Fahrerhauses vor den Aufbau gelangen kann

Seitenverkleidung

Neben der angesprochenen Verringerung des Luftwiderstands durch die Form von Fahrerhaus und Aufbau wird das Fahrzeug auch durch eine Verkleidung des normalerweise freiliegenden Fahrgestells aerodynamisch optimiert. Sie verringert vor allem bei Seitenwind den Luftwiderstand des Nfz.

Vollverkleideter Sattelzug der MAN Trucknology Generation

1 Fahrerhaus- Frontpartie abgerundet mit Luftleitelement und Bugschürze

2 Dachspoiler 3 Dachansatz 4 Seitenklappe (sideflaps)

5 Fahrgestell- Seitenverkleidung 6 Anströmkörper (Aufbau)

7 Fahrgestellverkleidung (Aufbau)

Antriebskräfte und Aquaplaning

Antriebskräfte

Zum Überwinden der bisher beschriebenen Fahrwiderstände müssen an den Rädern der angetriebenen Achse(n) ausreichend hohe Antriebskräfte zur Verfügung stehen. Für das Befahren von Steigungen oder zum Beschleunigen sind entsprechende Kraftreserven notwendig. Nur Fahrzeuge mit hohen Leistungsreserven erreichen auf bergigen und überholintensiven Strecken hohe Durchschnittsgeschwindigkeiten.

Bodenhaftung

Sowohl für das effiziente Übertragen der Antriebskräfte als auch für die sichere Verzögerung ist ein ausreichender Kraftschluss zwischen den Reifen und der Fahrbahnoberfläche erforderlich. Die Haftreibung muss entsprechend groß sein.

Können die am Fahrzeug angreifenden Kräfte von der Reifenaufstandsfläche (Reifenlatsch) nicht vollständig auf die Fahrbahnoberfläche übertragen werden, kommt es zum Verlust der Bodenhaftung und das Fahrzeug bricht aus.

Wirksame Antriebskräfte

Je größer das vom Motor abgegebene Drehmoment M ist, desto größer kann die an den Berührungsflächen zwischen den Reifen und Straße wirksame Antriebskraft F Ant. werden.

F Ant. = (M x i) / r

Die Antriebskraft steigt mit zunehmender Gesamtübersetzung i und verringert sich mit steigendem Reifenradius r bzw. Reifendurchmesser. Die Gesamtübersetzung ist das Produkt aus der Hinterachsübersetzung und der Getriebeübersetzung. Beide sind auf den Einsatz des Fahrzeugs abgestimmt.

Aquaplaning

Probleme bei der Kraftübertragung Reifen/ Straße können sich bei regen-nasser Fahrbahn ergeben. Der Haftreibungsbeiwert ist grundsätzlich abhängig von Fahrgeschwindigkeit, Reifen- und Fahrbahnzustand. Bei nasser Fahrbahn sinkt der Haftreibungsbeiwert sehr stark, da ein Teil der Gesamtreibung aus Flüssigkeitsreibung besteht. Kommt es zum auf schwimmen des Reifens auf dem Wasserfilm, spricht man von Aquaplaning. Bei Auftreten von Aquaplaning können weder Brems- noch Lenkkräfte auf die Fahrbahn übertragen werden, da es sich dann um eine Flüssigkeitsreibung handelt. Ein Wasserkeil schiebt sich dabei unter

die gesamte Aufstandsfläche des Reifens und hebt ihn vom Boden ab. Zu diesem Effekt kommt es umso leichter, je schlechter das Profil, je höher der Abnutzungsgrad des Reifens, je höher die Geschwindigkeit und je größer die Wasserhöhe auf der Fahrbahn sind. Hohes Fahrzeuggewicht und damit hohe Anpresskräfte zwischen Reifen und Fahrbahn verringern die Neigung zum Aquaplaning.

Aquaplaning 1 Reifen 2 Wasserkeil 3 Fahrbahn

Fahrzeugquerdynamik

Fahrverhalten und Seitenführung

Fahrzeugquerdynamik

Die Fahrzeugquerdynamik als Teilgebiet der Fahrzeugdynamik behandelt alle Bewegungen und Kräfte quer zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs.

Fahrstabilität

Das System Fahrer- Fahrzeug sollte sich unter dem Einfluss von äußeren Störungen bezüglich der vorgegebenen Kurswahl stabil verhalten, denn der Fahrer als Regelmechanismus verfügt nur über begrenzte Eingriffsmöglich-keiten. Moderne elektronische Systeme wie EBS und ESP sind in der Lage, viele kritische instabile Fahrsituationen durch gezielte Eingriffe, z. B. an einzelnen Rädern zu stabilisieren.

Fahrverhalten

Das Fahrverhalten bezieht sich nur auf Eigenschaften des Fahrzeugs. Unter gutem Fahrverhalten versteht man:

4 Wenn ein sinnvoller Zusammenhang zwischen Lenkwinkel und Kursänderung besteht

4 Wenn dem Fahrer sinnvolle Informationen (z. B. Reifengeräusch) über den Bewegungszustand des Fahrzeugs gegeben werden.

4 Wenn von außen einwirkende Störungen (z. B. Seitenwind) nur geringe Kursabweichungen hervorrufen.

4 Wenn die erreichbaren Kurvengeschwindigkeiten und Querbeschleu- nigungen im Hinblick auf die Fahrsicherheit und Leistung hoch sind.

Seitenführungskräfte

Wirken Kräfte von außen auf das Fahrzeug ein, wie Seitenwind oder Zentrifu-galkräfte bei Kurvenfahrt, entstehen durch Haftreibung in den Reifenauf-standsflächen entgegen gesetzte Reaktionskräfte. Diese Seitenführungskräfte haben das Bestreben, die Reifen in seiner Abrollrichtung und damit das Fahrzeug auf Kurs zu halten. Da jedoch die Haftreibung begrenzt ist und sich der reifen unter den äußeren Kräften verformt, rollen Reifen dann immer unter Schräglaufwinkel ab.

Die Höhe der Seitenführungskräfte Fs hängt von mehreren Bedingungen ab:

8 Fs steigt mit dem Schräglaufwinkel

8 Fs steigt mit der Radlast

8 Fs steigt mit dem Luftdruck bis auf ein Maximum und fällt dann wieder

8 Fs steigt mit dem Haftreibungsbeiwert der Fahrbahnoberfläche

8 Bauart und Profilierung des Reifens beeinflussen ebenfalls die Seitenführungskräfte Fs.

Zu jedem Zeitpunkt der Fahrt sollten aus Gründen der Fahrstabilität und des Fahrverhaltens die äußeren Kräfte und die von den Reifen aufgebauten Seitenführungskräften im Gleichgewicht stehen. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu instabilen, unkontrollierten Fahrzeugbewegungen innerhalb der sechs Freiheitsgrade. Das elektronische Stabilitätsprogramm ESP kann dies verhindern.

Bezogen auf die Fahrzeugquerdynamik sind die Querbewegungen und das Gieren von besonderer Bedeutung. Da das Wanken in Kurven starke Radlast änderungen zur Folge und damit große Auswirkungen auf die Seitenführungskräfte hat, wird diese Fahrzeugbewegung auch querdynamisch betrachtet.

Kurvenverhalten

Bei der Fahrt auf einer Kreisbahn greift die Fliehkraft Fc im Schwerpunkt des Fahrzeugs an und wirkt in radialer Richtung vom Mittelpunkt der Kreisbahn nach außen. Sie nimmt mit steigender Masse und gefahrener Geschwindigkeit des Fahrzeugs und abnehmendem Kurvenradius zu.

Querbeschleunigung

Die die Fliehkräfte abstützenden Seitenführungskräfte der Reifen bewirken die Querbeschleunigung des Fahrzeugs Richtung Kurvenmittelpunkt.

Je nach stärke der Fliehkräfte kommt es zu unterschiedlich großen Schräglaufwinkeln der Räder. Mit zunehmender Querbeschleunigung steigen diese an.

Radlastunterschiede

Alle oberhalb der Fahrbahnoberfläche auf das Fahrzeug einwirkende Kräfte haben Radlastunterschiede zur Folge.

Diese Radlastunterschiede verringern die möglichen Seitenführungskräfte bei gleich bleibenden Schräglaufwinkeln. Im anderen Fall müssen die Außenkräfte und damit die aufzubringenden Seitenführungskräfte durch größere Schräglaufwinkel, also bei Bedarf stärkeres Einlenken, realisiert werden.

Kurvenfahrt

Zwei grundlegende negative Auswirkungen auf das Fahrzeug lassen sich bei Kurvenfahrt beobachten:

4 Schleudern und Ausbrechen (Gieren)

4 Neigung zum Kurvenaußenrand (Wanken)

Schleudern oder Ausbrechen können durch das ESP weitestgehend vermieden werden.

Gieren

Bewegt sich das Fahrzeug nicht nur geradlinig in positiver Richtung entlang seiner Längsachse X, sondern dreht sich um die Hochachse Z, spricht man von Gieren.

Erfolgt diese zusätzliche Rotation in gleicher Richtung wie die der Fahrzeuglängsachse über dem Untergrund, übersteuert das Fahrzeug, andernfalls untersteuert es.

Das Giermoment MG entsteht durch die Produkte der äußeren Kräfte und der Seitenführungskräfte der einzelnen Räder mit ihren jeweiligen Hebelarmen zum Schwerpunkt S.

Wanken

Durch die im Schwerpunkt des Fahrzeugs angreifenden Fliehkräfte oder durch die resultierende kraft des Seitenwindes auf dem Flächendruckpunkt kommt es zur Neigung des Fahrzeugs aus der Kurve.

Die Neigung bzw. der Wankwinkel hängt von den Federraten der Federung und der Stabilisatoren und dem Abstand r des Schwerpunktes vom Momentanpol (Wank- oder Rollachse) ab.

Der Momentanpol oder die Rollachse des Fahrzeugs ist die gedachte Achse, um die sich das Fahrzeug bei der Wankbewegung dreht (Bild).

Es entsteht ein Wankmoment Mw um die Rollachse aus der Kraft und dem Hebelarm r.

Je höher der Schwerpunkt und je tiefer die Rollachse eines Nfz. Liegen, desto größer wird das Wankmoment und der damit verbundene Wankwinkel. Bei der Konstruktion und vor allem beim Beladen von Nfz. Sollte deshalb unbedingt auf einen niedrig liegenden Schwerpunkt geachtet werden.

Wanken erhöht die Radlasten der Kurvenäußeren Räder sehr stark.

Giermoment Linkskurve

Legende: Fc = Zentrifugalkraft (Fliehkraft)

Fs = Seitenführungskraft

S = Schwerpunkt

MG = Giermoment

Mw = Wankmoment

r = Hebelarm des Wankmoments

MP = Momentanpol

Wankmoment Linkskurve

Seitenwind

Vor allem Nfz. Sind aufgrund ihrer Größe und Höhe großer Belastung durch Seitenwind ausgesetzt. Besonders bei plötzlich einsetzenden Seitenwind, wie er beim Überholen oder aus dem Ausfahren aus einem Einschnitt oder Tunnel auftritt, wird die Wirkung spürbar. Dies kann bei hohen Fahrgeschwindigkeiten sogar zur seitlichen Versetzungen des Fahrzeugs führen. Die durch den Seitenwind verursachte Kraft ist eine Flächenkraft. Diese lässt sich durch eine Einzelkraft, die im Druckpunkt der Flächen angreift, ersetzen. Je nach Lage von Druck- und Schwerpunkt zueinander kann es zu seitlichen Versetzungen oder zum Ab- und Eindrehen (Gieren) des Fahrzeugs kommen.

Seiten- und Umfangskräfte

Während jeder Fahrt müssen seitlich wirkende Kräfte und Umfangskräfte. Also Antreiben oder Bremsen, oft gleichzeitig von den Reifen auf die Fahrbahn übertragen werden. Ein frei rollendes Rad kann maximale Seitenführungskräfte aufbauen. Müssen über dieses rad aber gleichzeitig Umfangskräfte auf den Untergrund übertragen werden, verringern sich die möglichen Seitenfüh-rungskräfte. Die möglichen Verhältnisse zwischen Seiten- und Umfangskräften bei Kurvenfahrt unter den vorgegebenen Schräglaufwinkel werden in dem Seitenkraft- Traktionskennfeld nach Krempel verdeutlich . Die Hüllkurve H liefert Werte über die in beliebiger Richtung maximal übertragbaren Kräfte. Wird während der Kurvenfahrt gebremst oder angetrieben, kann es zum Ausbrechen des Nfz kommen, weil die maximal möglichen Seitenführungskräfte nicht mehr dazu ausreichen, den Kurs zu halten.

Bremsen bei Kurvenfahrt

Rollt das Nfz in der Kurve mit gleich bleibender Geschwindigkeit ( Punkt A) und geringen Antriebskräften dahin, befindet man sich mit den geforderten Seitenführungskräften innerhalb der Hüllkurve H- ein stabiler Fahrzustand,

Taucht nun plötzlich ein Hindernis auf und der Fahrer muss bremsen, wechseln die Umfangskräfte die Richtung und steigen gleichzeitig stark an. Da die Kurvengeschwindigkeit aber noch nicht verringert wurde, bleiben die notwendigen Seitenführungskräfte gleich groß, können aber bei dem vorgenommenen Schräglaufwinkel nicht realisiert werden. Der Betriebspunkt wandert durch zu starkes Bremsen von A nach B (Punkt B) und liegt damit außerhalb der Hüllkurve.

Ein untersteuerndes Nfz schiebt sich über die Vorderräder aus der Kurve.

Durch weniger starkes Bremsen und stärkeres Einlenken (größerer Schräglaufwinkel) kann das Fahrzeug noch sicher verzögert werden. Punkt C liegt noch innerhalb der Hüllkurve. Stärker gebremst werden kann erst, wenn die Geschwindigkeit und deshalb die Seitenführungskräfte geringer geworden sind (Punkt D).

Seitenkraft- Traktionskennfeld nach Krempel

A-D Betriebspunkte bei Kurvenfahrt

FAnt. Antriebskraft am Reifenumfang

F Br. Bremskraft am Reifenumfang

Fs Seitenführungskraft

H Hüllkurve

Schräglaufwinkel

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