Mensch und Fahrzeug (eBook)

Prof. Dr. techn. Dr. hc. Ernst Fiala lehrte nach seiner Zeit als Versuchsingenieur bei Daimler Benz an der TU Berlin und wechselte danach zur Volkswagen AG als Forschungs- und Entwicklungsleiter. Zuletzt war er Mitglied des Vorstands, gilt als "Vater des VW Golf" und ist heute als Honorarprofessor an der TU Wien tätig in den Gebieten Forschung Kfz-Technik, Biomechanik, Fahrzeugentwicklung, Mensch und Fahrzeug.

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
Einleitung 10
Das Fahrzeug in Zeit und Raum 10
1 Mensch als Regler – Human Operator 18
1.1 Human Operator 19
1.2 Experimente zur Erforschung des Human Operators 25
1.2.1 Seitliche Störkraft 26
1.2.2 Fahrsimulatoren 26
1.2.3 Folgeaufgaben 29
1.3 Signalflussbilder 30
1.4 Fahrhilfen 31
1.4.1 Automatische Fahrzeugführung 34
1.5 Assistenzsysteme 38
1.5.1 Funktionsverknüpfung 39
1.5.2 Fahrer-Assistenzsysteme 39
1.5.2.1 Assistenzsysteme mit Warnung oder Hinweis für den Fahrer 41
1.5.2.2 Assistenzsysteme mit Eingriff ins Fahrzeug 41
2 Fahrzeugführung längs 48
2.1 Folgen 48
2.2 Anhalten 52
2.3 Fortpflanzung einer Störung 53
2.4 Fahrspurkapazität 54
2.5 Fahrwiderstand, Verbrauch, Leistungsbedarf, Getriebe 56
2.6 Antriebsmotor 62
2.7 Verbrauchsverbesserung 71
2.7.1 Angepasste Steigung 71
2.7.2 Intermittierendes Beschleunigen 71
2.7.3 Hybrid-Antrieb 74
2.7.3.1 Serien-Hybrid 75
2.7.3.2 Verzweigungs-Hybrid 90
2.7.3.2.1 Verzweigungshybrid für Zweiachsantrieb 98
2.7.3.3 Vergleich Verbrauchseinsparung 100
3 Lenken – Fahrzeugführung quer 106
3.1 Lenken 107
3.2 Reales Fahrzeug, Fahrdynamik 110
3.3 Stationäres Fahren 132
3.4 Einfluss der Luftkräfte 141
3.5 Allradlenkung 143
3.7 Straße 148
4 Fahrzeugführung vertikal, Federung 154
4.1 Fahrzeuge ohne Federung – Ochsenkarren 156
4.2 Ideale Federung –Transrapid 157
4.3 Erträglichkeit mechanischer Schwingungen, Federungskomfort 158
4.4 2-Masse Federungsmodell 159
4.5 Verbesserungsmöglichkeiten 164
4.6 Nichtlinearitäten 167
4.6.1 Nichtlineare Federn 167
4.6.2 Nichtlineare Dämpfer 167
4.7 Mehrachsigkeit und Mehrspurigkeit 168
4.8 Ausgleichsfederung 169
5 Sicherheit 170
5.1 Rückhalteeinrichtungen (restraint systems) 172
5.2 Fußgänger- und Zweiradfahrer-Schutz 174
5.3 Biomechanik 175
5.4 Experimentelle Sicherheitsforschung 176
5.5 Maßnahmen zur Erhöhung der Verkehrssicherheit 177
5.6 Kompatibilität 182
6 Wirtschaft, Verkehr, Umwelt 186
6.1 Bruttoinlandsprodukt (BIP) 189
6.2 Ressourcen 195
6.3 Emissionen und Umweltschutz 204
6.4 Flächenbedarf 209
6.5 Minutenmaut, Marktwirtschaft im Verkehr 211
7 Produktplanung und Unternehmenserfolg 218
7.1 Produktplanung und Ertragsmaximierung 219
7.2 Kundenwert 221
7.3 Ansprüche ans Auto 226
7.3.1 Abmessungen 226
7.3.2 Fahrleistungen 227
7.3.3 Sicherheit 228
7.3.4 Design 228
7.3.5 Befriedigung aller Sinne 233
7.3.6 Qualität 236
7.4 Evolution der Bauform 237
7.4.1 Standardbauform 238
7.4.2 Frontblock 240
7.4.3 Heckblock 241
7.4.4 Exoten 242
7.4.5 Retro 243
7.5 Sanfte Technik 244
8 Anhang 248
8.1 Eine kurze Geschichte der Fahrzeugführung 248
8.1.1 Fahrrad 248
8.1.2 Auto (siehe Tabellen T8-2 und T8-4) 248
8.1.3 Richtungsstabilität 251
8.2 Festigkeit, Steifigkeit, Material 252
8.2.1 Selbsttragende Karosserie 254
8.2.2 Leichtbau 256
8.3 Geregelte Federung 257
8.4 Kettenloses Fahrrad (Kurbelantrieb) 260
8.5 Entwicklungshilfe, Ethik und Wirtschaft 261
8.6 Akustikbahn – minimaler Fahrwiderstand 267
T8-1: Zeittafel Fahrradentwicklung 274
T8-2: Zeittafel Fahrzeugentwicklung von Daimler und Benz 275
T8-3: Zeittafel Fahrzeugentwicklung und Erfinder 276
T8-4: Zeittafel Illustrierte Fahrzeugentwicklung 277
Historische Bilder 280
Sachwort- und Namenverzeichnis 298

5 Sicherheit (S. 161-162)

In der raschen Bewegung relativ zur Umgebung liegt eine Gefahr: die kinetische Energie. Es kommt nicht auf die absolute Geschwindigkeit an. Wir bewegen uns relativ zum Erdmittelpunkt mit 1 000 km/h um diesen herum, die Erde rast mit 100 000 km/h um die Sonne und diese bewegt sich mit noch höherer Geschwindigkeit auf die Andromeda zu. Das alles bleibt ungefährlich, solange die Geschwindigkeit gleich bleibt. Auch im Verkehr ist es so: die Geschwindigkeit bleibt abgesehen von Fahrwiderständen ohne Konsequenz.

Erst wenn sich etwas in den Weg stellt sind die Folgen dramatisch. Je rascher die Geschwindigkeit sich ändert, umso größer sind die auftretenden Beschleunigungen und zerstörerischen Kräfte. Der kinetischen Geschwindigkeit entspricht eine Fallhöhe von h = v2/2 g: es begleitet uns bildlich gesprochen ein Phantomkörper, der bei 50 km/h 10 m über uns liegt, bei 70 km/h 20 m, bei 100 km/h 40 m, bei 140 km/h 80 m und so fort. Aus dieser Höhe stürzt der Phantomkörper herunter, wenn sich die Geschwindigkeit gegen die Umgebung auf 0 reduziert.

Zunächst sind alle Maßnahmen zu ergreifen, die einen Unfall vermeiden helfen („aktive Sicherheit"): der Fahrer muss so gut wie möglich informiert werden (Scheinwerfer, Nachtsichtgerät, Kommunikation Fahrzeug-Fahrzeug, die auf Gefahren im voraus liegenden Streckenabschnitt hinweist (Nebel, Glatteis, Unfall), Warnsignal beim Spurwechsel bei befahrener Nebenfahrbahn usw). Das Fahrzeug muss seinen Vorgaben exakt folgen (Bremsassistent, ABS, ESP).

Neben der aktiven Beeinflussung des Fahrers auf den Fahrvorgang und der Vermeidung von Kollisionen, hat sich aber auch gezeigt, dass passive Sicherheitssysteme unverzichtbar sind. Diese werden permanent weiter entwickelt, um das Verletzungsrisiko weiter zu reduzieren, Beispiel 8. Die Schuld an Unfallfolgen ist daher dem Quadrat Geschwindigkeit zuzuschreiben. Aber es kommt darauf an, wie die kinetische Energie umgesetzt wird. Wenn sie von den Bremsen in Wärme gewandelt wird, die Beschleunigungen in Rahmen von wenigen m/s2 bleibt, dann ist die Geschwindigkeitsänderung für die Insassen harmlos, weil sie die Massenkräfte gegen das Fahrzeug abstützen können.

Seit es Verkehr gibt, gibt es auch Unfälle. Man konnte niedergetrampelt werden, „unter die Räder kommen". Die ersten Theorien über Unfallstatistik (die noch in den 50er Jahren des vorigen Jahrhunderts gelehrt wurden) gingen von einer überproportionalen Zunahme der Unfälle mit der Zahl der Fahrzeuge im Verkehr aus: jedes der n Fahrzeuge konnte allein verunfallen oder mit einem anderen Fahrzeug zusammenstoßen: Die Zahl der Unfälle Z werde mit der Zahl der Fahrzeuge im Verkehr n nach der Gleichung Z = a · n + b · n2 zunehmen. In der ersten Welle der Motorisierung (1950–1970) schien diese Gleichung auch richtig zu sein.

Dann aber stieg die Zahl der Unfallopfer so sehr an, dass ernsthafte Maßnahmen an allen verkehrsbildenden Faktoren ergriffen wurden: die Sicherheit der Fahrzeuge und Straßen wurde angegangen, die Verkehrserziehung verbessert, die Überwachung verschärft. Nach einem Maximum von etwa 22 Verkehrstoten pro 100 000 Einwohnern und Jahr (oder etwa 2 % der Sterbefälle) fällt in den vollmotorisierten Ländern die Zahl unter zehn (unter 1 % der Sterbefälle, Bild 5-12).

Dieser Anteil scheint akzeptiert zu werden, obwohl es natürlich anhaltende Bestrebungen gibt, die Zahl der Verkehrsopfer kontinuierlich oder sprunghaft herabzusetzen. Schlichte Gemüter setzen bei der Geschwindigkeit an: weil die Unfallfolgen proportional der umgesetzten Energie im Unfall seien, also proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit, sei die Herabsetzung der Geschwindigkeit das beste Mittel.