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Front Matter |
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Abstract
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,Einleitung und Geschichte, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Der große Vorteil der Kraftfahrzeuge gegenüber der Eisenbahn liegt darin, dass der Fahrer die Spur des Fahrzeugs bestimmt oder mit anderen Worten, Kraftfahrzeuge sind lenkbar und an keine externe Spurvorgabe gebunden. Die Baugruppe Lenkung ist dem Fahrwerk zugeordnet. Das Fahrwerk überträgt alle Kräfte zwischen dem Fahrzeugaufbau und der Straße, abgesehen von den aerodynamischen Kräften. Typischerweise teilt man die Aufgaben des Fahrwerks in Vertikal-, Längsund Querdynamik ein. Die Querdynamik wird im Wesentlichen von der Lenkung gemeinsam mit der Radaufhängung und dem Reifen geprägt.
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,Grundlegendes zum Lenkvorgang, |
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Abstract
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,Anforderungen an die Lenkung – ein Überblick, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Bei der Kaufentscheidung für ein neues Auto kommt dem subjektiven Fahreindruck des Kunden ein hoher Stellenwert zu. Dabei übt das Fahrwerk einen entscheidenden Einfluss auf das Fahrverhalten aus. Im Rahmen der Fahrwerksentwicklung wird besonderes Augenmerk auf die Fahrdynamik, den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit gelegt. Einen ausschlaggebenden Teil der Fahrdynamik wird dabei durch das Lenkverhalten bestimmt, welches wiederum maßgeblich durch das Lenksystem geprägt wird. Die Hauptaufgabe des Lenksystems besteht darin, den vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel in eine adäquate Fahrtrichtungsänderung umzusetzen. Durch die vom Fahrer eingeleitete Lenkwinkeländerung werden die Räder eingeschlagen, wodurch sich die Fahrtkursänderung ergibt. Dabei muss für den Fahrer die Fahrzeugreaktion eindeutig vorhersehbar sein.
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,Lenkkinematik, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Grundsätzlich gibt es verschiedene Arten die Richtung eines Fahrzeugs gezielt zu beeinflussen. An mehrspurigen Fahrzeugen mit Luftreifen finden sich Drehschemellenkungen, Knicklenkungen und Achsschenkellenkungen. Die beiden ersten Arten haben den Nachteil, dass sich beim Lenken die Standfläche verringert und Störkräfte an einem Hebelarm wirken, der der halben Spurweite entspricht. Außerdem können die Vorder- oder die Hinterräder sowie alle Räder gelenkt werden. Bei schnellen Fahrzeugen hat sich jedoch eine Bauart allein durchgesetzt: Die Achsschenkellenkung an der Vorderachse. In Folge wird deshalb nur diese betrachtet. Die Drehachse des Radträgers bzw. „Achsschenkels“ gegenüber der Radaufhängung (z. B. ein „Achsschenkelbolzen“) ist im Allgemeinen während des reinen Lenkvorgangs unveränderlich (reine Drehbewegung des Radträgers); inzwischen gibt es aber bei Pkw oft Radaufhängungen mit veränderlicher Drehachse („virtueller“ Drehachse).
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,Fahrdynamische Grundlagen der Querdynamik, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
In diesem Kapitel erfolgt eine Einführung in die Querdynamik und in die stationäre und dynamische Kurvenfahrt. Mit zuerst einfachen Modellbetrachtungen sollen die wesentlichen Faktoren analysiert werden, welche die Querdynamik des Fahrzeugs, aber auch den vom Fahrer indizierten Lenkradwinkel bzw. das Lenkradmoment, beeinflussen. Ausgehend von den prinzipiellen Zusammenhängen für die langsame bzw. schnelle Kurvenfahrt (siehe B) werden zur genaueren Analyse Modelle benötigt.Ausgehend vom linearen Einspurmodell wird die stationäre Kreisfahrt analysiert und auf die dynamische Kurvenfahrt übergeleitet. Dies erfolgt klassisch mit analytischen Formeln. Der große Vorteil von diesen ist, dass die Zusammenhänge explizit einsehbar sind. Zur Berücksichtigung der Effekte der Radlastverlagerung muss das Einspurmodell auf ein Zweispurmodell erweitert werden. Dies erfolgt üblicherweise mit numerischen Simulationsmodellen, da mit geschlossenen Formeln diese Zusammenhänge kaum mehr erschlossen werden können.
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,Akustik und Schwingungen, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
In den letzten Jahren hat die „Technische Akustik und Schwingungstechnik“ innerhalb der Fahrzeugentwicklung zunehmend an Bedeutung gewonnen und einen deutlichen Fortschritt erlebt. An Klangbild und Lautstärke von Geräuschen sowie Vibrationsfrequenz und -stärke im Automobil werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt und in Folge dessen verschiedenste Problemlösungen schon während der Fahrzeugentwicklung erarbeitet. So sollen als unangenehm empfundene Geräuschemöglichst leise sein, Warngeräusche hingegen laut genug, um bestimmte Sicherheitskriterien zu erfüllen. Zusätzlich werden besonders in der automobilen Mittel- und Oberklasse Geräusche so „designed“, dass sie den Kundenerwartungen entsprechen. Ähnliches gilt auch für fühlbare Vibrationen. Mit ständigem Kontakt zum Lenkrad spürt der Fahrzeuglenker die am Lenkrad auftretenden Vibrationen. Die schwingungstechnische Auslegung des Lenkrades inklusive der Anbauteile sowie der Karosserie stellt hinsichtlich des Schwingungskomforts eines Fahrzeugs eine bedeutende Aufgabe dar. Das Erleben der akustischen und schwingungstechnischen Wertigkeit beeinflusst in zunehmendem Maße die Kaufentscheidung.
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,Lenkgefühl, Interaktion Fahrer – Fahrzeug, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Das Lenkgefühl ist das subjektive Empfinden des Fahrers beim Lenken eines Fahrzeugs. Dieses Lenkgefühl resultiert aus der Empfindung und der Beurteilung des Fahrers vom Lenkverhalten bzw. des Fahrverhaltens des Fahrzeugs, es entsteht aus der Interaktion Fahrer-Fahrzeug. AlsFahrverhalten bezeichnet man allgemein die Reaktion des Fahrzeugs auf Fahrereingaben und auf Störungen wie beispielsweise Seitenwind oder Straßenunebenheiten. Das Lenkverhalten ist ein Teilbereich des Fahrverhaltens und beschreibt die Reaktion des Fahrzeugs auf Lenkeingaben und Störungen. Die Optimierung des Lenkgefühls ist eine zentrale Aufgabe in der Fahrdynamikentwicklung. Zwar begann man schon Ende der 30er Jahre des vorigen Jahrhunderts, das Handling und insbesondere das Eigenlenkverhalten von Personenwagen quantitativ zu erfassen (Olley 1938), dennoch wurde und wird das so genannte Lenkgefühl fast ausschließlich subjektiv von erfahrenen Testfahrern bewertet und optimiert. Ein Grund dafür war und ist bis heute, dass das Lenkgefühl eng mit dem Fahrverhalten bzw. den Handlingeigenschaften eines Fahrzeugs gekoppelt ist. Die Objektivierung des Lenkgefühls, getrieben durch den anhaltenden Trend einer immer stärke
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,Auslegung von Lenkungen, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Ein ausgezeichnetes Fahr- und Lenkgefühl kann nur mit einem entsprechend präzisen Lenksystem erreicht werden. Die Konstruktion eines Lenkgetriebes muss in der Lage sein, einerseits hohe Kräfte zu übertragen, andererseits dabei geringste Spiele, wenig Elastizitäten und geringe Reibung in den beweglichen Bauteilen zu erreichen. Weiterhin muss das Lenkgetriebe in Verbindung mit der Servounterstützungseinheit in der Lage sein eine ausreichend hohe Lenkdynamik zu realisieren. Nur durch Einhaltung dieser Randbedingungen ist das schnelle und präzise Lenken eines Fahrzeugs möglich. Im Folgenden werden für die funktionale Grundauslegung eines Lenksystems die Aspekte Lenkleistung und Lenkgetriebereibung näher beschrieben.
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,Lenkrad, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Als eines der ersten Bauteile im Innenraum eines Fahrzeugs nimmt der Fahrer das Lenkrad wahr. Es ist eines der wichtigsten Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine, da zum einen die Lenkbewegungen über das Lenkrad eingeleitet werden und zum anderen eine direkte Rückkopplung der Fahrsituation an den Fahrer erfolgt.
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,Lenksäule und Lenkzwischenwelle, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Lenksäule und Lenkzwischenwelle stellen in ihrer Grundfunktion die mechanische Kopplung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe her. Hierbei werden Lenkrad und Torsionsstab des Lenkgetriebes so miteinander gekoppelt, dass die am Lenkrad eingeleitete Drehbewegung quasi verlustfrei und ohne Spiel übertragen wird. Ebenso werden die vom Lenkgetriebe ausgehenden Drehmomente an das Lenkrad übertragen. Somit werden durch die Koppelglieder Lenksäule und Lenkzwischenwelle das Fahrverhalten und der fühlbare Kontakt zur Fahrbahn wesentlich beeinflusst. Neben dieser mechanischen Grundfunktion werden an beide Baugruppen heute vielfältige Anforderungen gestellt. Bei der Betrachtung der hier vorgestellten Komponenten, vom Fahrer hin zur Vorderachse, übernimmt die Lenksäule primär die Lagerung des oberen Lenkstrangs, bestehend aus einer einoder mehrteiligen Welle mit Schnittstellen zum Lenkrad und zur Lenkzwischenwelle. Ein solches Konstruktionselement wird als starre Lenksäule bezeichnet, die lediglich die Lenkfunktion überträgt, aber keine Anpassung der Lenkradposition erlaubt. Diese Systeme sind inzwischen selten und aufgrund ihrer erheblichen Defizite nur noch in sehr wenigen Segmenten vertreten. Ei
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,Mechanische und hydraulische Lenkungen, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Die Familie der Lenkungsanlagen umfasst neben hydrostatischen Lenkungen und Kugelumlauflenkungen auch manuelle Zahnstangenlenkungen sowie Zahnstangen-Servolenkungen. Bei diesen zuletzt genannten Lenkungen setzt das Zahnstangenlenkgetriebe die Drehbewegung des Lenkrades in die Schiebebewegung der Zahnstange und somit in die Lenkbewegung der Räder um.
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,Spurstangen, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Die Spurstange verbindet das Lenkgetriebe mit dem Radträger und überträgt so den Lenkgetriebehub auf den Radträger bzw. auf das Vorderrad.
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,Hydraulische Energieversorgung, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Hydraulisch unterstützte Lenksysteme sind seit Jahren der Standard in der Automobilindustrie, wobei sie sich selbst in Kleinwagen etabliert haben. Das open-center Lenksystem mit volumenstromgeregelter Flügelzellenpumpe hat sich unter den verschiedenen möglichen Lenksystemen vor allem aus Kostengründen durchgesetzt. Durch die stark angefachte Diskussion zur Energieeinsparung ist dieses Lenksystem jedoch mehr und mehr in Frage gestellt, sodass heute zunehmend energiesparende Hydrauliksysteme auf dem Vormarsch sind, denn die generierte Verlustleistung in einer abgeregelten Flügelzelle ist heutzutage nicht mehr vernachlässigbar. Auf diese Systeme wird im Folgenden eingegangen.
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,Elektrohydraulische Lenksysteme (EPHS), |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Aus der Anforderung nach energiesparenden Lenksystemen, die unabhängig vom Verbrennungsmotor bedarfsgerecht gesteuert werden können, haben sich Anfang der 90er Jahre elektrohydraulische Lenksysteme entwickelt. Diese Systeme sind sukzessiv in ihrer Leistung erweitert worden.
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,Elektromechanische Lenksysteme (EPS), |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Bei den Pkw-Lenksystemen vollzieht sich in den letzten Jahren ein Wandel von hydraulischen Systemen zu rein elektrisch betriebenen Lenksystemen (Electric Power Steering EPS). Der Einsatz dieser Systeme war zunächst auf Kleinfahrzeuge beschränkt, da die Leistungsdichte derelektronischen Komponenten und die aus dem Bordnetz verfügbare Energie nicht ausreichte, um größere Fahrzeuge und damit höhere Lenkleistungen zu bedienen. Durch neue Technologien ist es möglich, die EPS heute flächendeckend in der Oberklasse einzusetzen. Dazu haben sich in den unterschiedlichen Fahrzeugklassen verschiedene EPS-Varianten am Markt etabliert (siehe Bild O-1). Diese Systeme werden im Kapitel O 2 detailliert beschrieben.
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,Überlagerungslenkung, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Durch die zunehmenden Möglichkeiten der Mechatronik im Bereich der Lenksysteme lassen sich neue Lenkungsfunktionalitäten erschließen. Eine dieser neuen Funktionalitäten ist die Überlagerungslenkung. Hierbei wird durch gezielte Lenkwinkelüberlagerung die Lenkeingabe des Fahrers um einen additiv aufgebrachten Überlagerungswinkel ergänzt. Hierdurch können neue Lenkungsfunktionen wie z. B. eine variable Lenkübersetzung, Lenkdynamik- und Lenkstabilisierungsfunktionen, sowie in Kombination mit einer Lenkmomentenüberlagerung auch ansonsten Steer-by-wire vorbehaltene Funktionalitäten wie z. B. frei programmierbare Lenkfunktionalitäten dargestellt werden.
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,Allradlenkung, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
In den vorangegangenen Kapiteln wurden unterschiedliche Lenksysteme beschrieben, die alle an den Vorderrädern einen Lenkwinkel aufbringen um die Fahraufgabe zu erfüllen. Bei so genannten Allradlenkungen wird neben der Lenkung an der Vorderachse zusätzlich die Möglichkeit geschaffen die Hinterräder lenkbar zu machen.
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,Steer-by-Wire, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Unter . versteht man ein System in der Kraftfahrzeugtechnik, bei dem ein Lenkbefehl von einem Bedienelement (Lenkrad) über ein Steuergerät elektrisch zu einem Aktor weitergeleitet wird, der den Lenkbefehl an den gelenkten Rädern ausführt. Bei diesen Systemen besteht keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern. Zur besseren Handhabung wird der Fahrzustand haptisch über ein aktives Bedienelement an den Fahrer rückgemeldet.
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,Überblick – Fahrerassistenzsystemfunktionen, |
Peter Pfeffer,Manfred Harrer |
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Abstract
Die ständige Zunahme des Straßenverkehrs und die steigenden Anforderungen an den Fahrer haben in den letzten Jahren zu einer Vielzahl von Assistenzsystemen geführt, die den Fahrer bei seiner Fahraufgabe unterstützen. Hinsichtlich der Kurshaltung existieren Systeme, die in die Bremse oder in den Antriebsstrang eingreifen. Es liegt nahe, zu diesem Zweck auch die Lenkung mit einzubeziehen.
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