Beschreiben Sie den wesentlichen Inhalt und die Ziele der Lehrveranstaltung!
grundlegender Begriffe der Fahrzeugdynamik bzgl: Längs-, Quer und Vertikalverhalten
numerische Berechnungsergebnisse beurteilen und überprüfen
Was versteht man unter dem Begriff Fahrzeugdynamik?
Verhalten eines Fahrzeuges unter Einwirkung von Kräften (unebene Straßen, Kurvenfahrt oder Beschleunigungs- / Bremsvorgänge)
gliedert sich in Längsdynamik (Beschleunigen/Bremsen), Querdynamik (Kurvenfahrt/Stabilität), Vertikaldynamik (Komfort/Schwingungen).
alle Disziplinen sind miteinander gekoppelt
Welche Versuchs- und Berechnungsdisziplinen gibt es in der Fahrzeugtechnik?
Festigkeit und Strukturdynamik
Betriebsfestigkeiten und Lebensdaueranalysen
Akustik
Fahrkomfort
Aerodynamik
Fahrzeugsicherheit
Fahrdynamik
Antreiben, Bremsen und Achskinematik
Herstellungsprozesse
Wärmemanagement
Was versteht man unter den Begriffen Vertikal-, Quer- und Längsdynamik?
Vertikal:
Betrachtet Kräfte und Bewegungen entlang der vertikalen Achse (Komfort/Schwingungen)
Quer:
Bezieht sich auf alle quer zur Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Kräfte (Kurvenfahrt/Stabilität).
Längsdynamik:
Befasst sich mit allen in Fahrzeuglängsrichtung wirkenden Kräften (beschleunigen/bremsen)
Welche wichtigen Effekte werden nicht berücksichtigt, wenn man die Vertikal-, Quer- und Längsdynamik jeweils getrennt voneinander behandelt?
Wechselwirkungen zwischen den drei Bewegungsrichtungen werden ignoriert.
Bsp: Beim Bremsen in einer Kurve wirken Längs- und Querdynamik zusammen. Ein getrenntes Modell könnte das Über-/Untersteuern nicht genau abbilden.
Durch welche Grundversuche kann man die für Vertikal-, Quer- und Längsdynamik jeweils relevanten Eigenschaften der Reifen messen?
Vertikaldynamik:
Viertelfahrzeugmodell → zyklischer Zug Druck-Versuch auf Schwingungsprüfstand
Querdynamik:
Einspurmodell
stationäre Kreisfahrt
Lenkwinkelsprung
Beschleunigung
Bremsen
Wie lautet die Ungleichung, die für stabiles bzw. untersteuerndes Fahrverhalten von Fahrzeugen erfüllt sein muss und was bedeuten die darin stehenden Parameter?
a: Abstand Vorderachse zum Fahrzeugschwerpunkt
b: Abstand Hinterachse zum Fahrzeugschwerpunkt
c_hinten und c_vorne : Schräglaufsteifigkeiten
Welches der drei Gebiete (Vertikal-, Quer- und Längsdynamik) ist Ihrer Meinung nach am wichtigsten und warum?
Querdynamik ist das wichtigste Gebiet, da Stabilität und Handling des Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen (z. B. plötzliche Ausweichmanöver) lebensentscheidend sind.
Welche Effekte sollen in der Längsdynamik modelliert werden?
Fahrzeugverhalten in Längsrichtung
Antreiben und Bremsen
Fahrwiderstände
Skizzieren Sie das Fahrzeugmodell und erläutern Sie alle Modellparameter und Elemente.
Skizzieren Sie die typischen Verläufe der für die Längsdynamik relevanten Reifenkraftverläufe und erläutern Sie die Kurven
linearer Anstieg: Haftreibung vorhanden
Plateau ab s=0.1. max. Bremskraft erreicht
links: Gleitreibung -> Bremskraft sinkt
rechts: Durchdrehen -> Antriebskraft sinkt
Wie werden Reifeneigenschaften in der Längsdynamik modelliert?
mit:
rω: Umfangsgeschwindigkeit des Rades und
v: Fahrzeuggeschwindigkeit.
nü: Kraftschlussbeiwert
p: Reifendruck
N: Normalkraft
Was versteht man unter dem Begriff Schlupfsteifigkeit?
Schlupfsteifigkeit: cu_v und cu_h
Die Schlupfsteifigkeit beschreibt, wie stark sich ein Reifen unter Belastung verformt oder verwindet, wenn er im Bereich kleinen Schlupfes arbeitet
Ergänzung:
Hohe Schlupfsteifigkeit:
Der Reifen ist steifer und verformt sich weniger und ermöglicht schnelle Übertragung der Kräfte, z. B. für präzise Traktion und Bremsen
Niedrige Schlupfsteifigkeit:
Der Reifen verformt sich stärker und die Kraftübertragung ist träger, jedoch oft besser für Komfort oder weiche Straßenoberflächen.
Was versteht man unter dem Begriff Schlupf und wie verhält er sich bei einer Vollbremsung sowie bei durchdrehenden Rädern?
Schlupf beschreibt den relativen Unterschied zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Reifens (rω) und der Fahrzeuggeschwindigkeit (v)
Vollbremsung (negativer Schlupf):
rω<v
worst case: Blockierende Räder (rω=0): Schlupf erreicht s=−1 (maximaler Brems-Schlupf).
Effekt: Haftreibung geht verloren -> Bremswirkung sinkt.
Durchdrehende Räder (positiver Schlupf):
rω>v
worst case: Bei starkem Durchdrehen: Schlupf s>1
Effekt: Haftreibung geht verloren -> Durchdrehen.
Was versteht man unter der dynamischen Radlaständerung in der Längsdynamik?
Die Veränderung der auf Vorder- und Hinterräder wirkenden Normalkräfte (N_v und N_h) durch Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge infolge von Trägheitskräften
Bremsen: Gewicht verlagert sich nach vorne → Vorderachse: Radlast nimmt zu -> höhere Bremskräfte an der Vorderachse
Beschleunigen: Gewicht verlagert sich nach hinten → Hinterachse: Radlast nimmt zu -> verbessert die Traktion (Heckantrieb)
Ergänzung: je dichter der Fahrzeugschwerpunkt an der Verbindungslinie der Radnaben liegt, desto geringer die dyn. Radl.
Top Fuel Dragster erreichen sehr hohe Beschleunigungen. Mit welcher wesentlichen Maßnahme kann man dies erreichen und warum
maximaler Traktion (hoher Abtrieb, spezielle Reifen)
extremer Motorleistung
und leichtem Fahrzeugdesign
Extras: extrem langer Radstand, eine niedrige Schwerpunktlage und Heckspoiler für Downforce
Welchen Einfluss hat die dynamische Radlaständerung auf das Verhalten von Fahrzeugen beim Bremsen?
Vorderachse: Erhöhte Radlast (Gewicht verlagert sich nach vorne) ermöglicht größere Bremskräfte.
Hinterachse: Reduzierte Radlast erhöht das Risiko von blockierenden Rädern und Instabilität.
Ergebnis: Ohne ABS kann es zu Heckausbrechen und längeren Bremswegen kommen.
Wie lang sind die kürzesten Bremswege, die man mit gewöhnlichen PKW bei einer Vollbremsung aus 100 km/h erreichen kann?
~ 30m
Welchen Einfluss hat die dynamische Radlaständerung auf das Verhalten von Fahrzeugen beim Antreiben?
Hinterachse: Erhöhte Radlast (Gewicht verlagert sich nach hinten) verbessert Traktion (Heckantrieb)
Vorderachse: Reduzierte Radlast führt bei Frontantrieb zu Schlupf und Durchdrehen der Räder.
Welche Vor- und Nachteile haben Fahrzeuge mit reinem Heck- und mit reinem Frontantrieb im Vergleich zu Fahrzeugen mit Allradantrieb?
Frontantrieb:
Vorteile: Kostengünstig, gute Traktion auf trockenen Straßen.
Nachteile: Probleme bei rutschigen Bedingungen.
Heckantrieb:
Vorteile: Sportliches Handling
Nachteile: Anfällig für Traktionsprobleme beim beschleunigen
Allradantrieb:
Vorteile: Beste Traktion auf rutschigen Straßen, ideal für Gelände.
Nachteile: Teurer und erhöhter Kraftstoffverbrauch.
Welche Einflüsse sind bei der Auslegung von Bremsanlagen zu berücksichtigen?
Bremskraft: Abhängig von Bremsbelägen und Scheibenradien.
Scheibengröße: Vorne größer als hinten, für optimale Kraftverteilung.
Reibkoeffizient: Hängt von Materialpaarung und Temperatur ab.
Erwärmung: Belüftung und hitzebeständige Materialien nötig.
Fahrzeugmasse: Beeinflusst die benötigte Bremsleistung.
An welcher der beiden Achsen sollte stärker gebremst werden und warum?
Frontantrieb: Vorderräder werden bei Vollbremsung stärker gebremst, um Traktion zu gewährleisten und Untersteuern zu vermeiden.
Heckantrieb: Bremskraft wird auf die Hinterräder konzentriert, um Übersteuern zu vermeiden und das Fahrzeugheck stabil zu halten.
Allradantrieb: Bremssystem verteilt die Bremskraft auf alle Räder, um Traktion und Stabilität zu maximieren.
Welche Eigenschaften bzw. Vor- und Nachteile haben Luftfedern im Vergleich zu konventionellen Stahlfedern? In welchen Fahrzeugklassen setzt man Luftfedern ein und warum?
Einstellbarer Höhenstand des Fahrzeugs
Beladungsunabhängige Aufbaueigenfrequenz
höhere Kosten im Vergleich zu Stahlfedern
Kompressor muss verfügbar sein
Einsatzgebiete: Oberklasse PKW; Schwere LKW
Skizzieren Sie das physikalische Modell einer Luftfeder und erläutern sämtliche Parameter und Größen!
Mit welchem Modell beschreibt man das Verhalten des Gases?
Welche weiteren Komponenten für Fahrzeuge kennen Sie, die mit Luft als Arbeitsmedium betrieben werden?
Turbolader
Pneumatische Bremssysteme, Türsysteme, Reifenfüllsysteme
Vergleichen Sie ein luftgefedertes mit einem konventionell gefederten Fahrzeug in zwei unterschiedlichen Beladungszuständen. Wie verhalten sich ihre Eigenfrequenzen bei Vertikalschwingungen?
Stahlfeder:
Unbeladen: Feder wird weniger belastet und wirkt steifer -> Eigenfrequenz ist höher
Beladen: Feder wird stärker zsmgedrückt, reagiert weicher -> Eigenfrequenz sinkt
Luftfeder:
Unbeladen/Beladen: Eigenfrequenz bleibt nahezu konstant, da sie die Belastung durch Anpassung des Luftdrucks kompensieren kann.
Skizzieren Sie die Kraft/Weg-Kennlinien einer Luftfeder für isothermes und für adiabates Verhalten
Skizzieren Sie das frequenzabhängige Verhalten der dynamischen Steifigkeit einer Luftfeder!
Aus welchem Grund haben Fahrzeugluftfedern meist einen variablen Kolbenquerschnitt?
Anpassung der Federungs- und Dämpfungseigenschaften an Beladung
Hält Fahrzeugniveau konstant durch Luftdruckregelung
Optimiert Fahrkomfort und Straßenlage
Was kann durch die Anbringung eines Zusatzvolumens an eine Luftfeder erreicht werden?
Ein angebrachtes Zusatzvolumen kann nur die Steifigkeit reduzieren
Aus welchen Gründen werden in Fahrzeugen Hydrolager verwendet, die einen deutlich komplizierten Aufbau besitzen als Elastomerlager?
Mit Hilfe von Hydrolagern lassen sich sehr gezielt unerwünschte Schwingungen dämpfen bzw. tilgen, deren Frequenz bekannt ist.
Skizzieren und erläutern Sie das Funktionsprinzip eines Hydrolagers?
Belastung: Schwingungen oder Kräfte drücken die Elastomerschicht zusammen.
Dämpfung: Hydraulikfluid wird durch Kanäle gepresst und absorbiert die Energie.
Frequenzabhängigkeit: Weich bei niedrigen Frequenzen (Komfort), steifer bei hohen Frequenzen (Stabilität).
Welche wichtigen Eigenschaften sollte das in einem Hydrolager befindliche Fluid besitzen?
Viskosität: Für Dämpfungseigenschaften
Temperatur- und Alterungsbeständigkeit: Lange Lebensdauer
Kompressibilität: Präzise Kraftübertragung
Korrosionsschutz: Vermeidung von Schäden
Skizzieren und erläutern Sie die frequenzabhängigen Verläufe von dynamischer Steifigkeit und Phasenwinkel eines typischen Hydrolagers?
dynamische Steifigkeit
konstant niedrige Werte bei kleinen Frequenzen
Ein ausgeprägtes Maximum im Resonanzbereich.
Abfall und konstantes Niveau bei hohen Frequenzen.
-> Effektive Masse: Je größer die Masse, desto niedriger liegt die Resonanzfrequenz.
Phasenwinkel
Niedrige Frequenzen: Elastisches Verhalten (kleiner Phasenwinkel).
Resonanzfrequenz: Maximale Dämpfung (hoher Phasenwinkel).
Hohe Frequenzen: Starres Verhalten (Phasenwinkel fällt ab).
-> Effektive Masse: Je größer die Masse, desto niedriger liegt der Bereich maximaler Dämpfung.
Gegen welchen Wert konvergiert die dynamische Steifigkeit des Hydrolagers für sehr hohe Anregungsfrequenzen?
gegen die Materialsteifigkeit des Hydrolagers.
Erklärung: weil das Fluid keine Bewegung mehr zulässt und das Lager wie ein starrer Körper wirkt.
Begründen Sie anhand des Verlaufes des Phasenwinkels, dass man mit Hydrolagern im Gegensatz zu Elastomerlagern dämpfen kann?
Hydrolager
Maximum 90°:
-> Verzögerung um Viertelperiode
-> typisch für eine dämpfende Wirkung ist.
Elastomerlager:
Phasenwinkel kleiner, weil es elastisch reagiert und keine Energie durch Dämpfung absorbiert
Gegeben ist das Modell eines Hydrolagers mit der Anregungsfunktion u(t) und der Kraftantwort F(t):
Wie würden Sie vorgehen, um aus dem Modell die dynamische Steifigkeit zu berechnen?
Durch Fourier-Transf. werden u(t) und z(t) als harmonische Schwingung betrachtet
Bestimmung der Übertragungsfkt H(w) durch Anregung u und innerer Variable z
Definition dyn. Steifigkeit: Die dynamische Steifigkeit c_dyn ergibt sich aus der Kraftantwort F geteilt durch die Verschiebung
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