Fahrwerkhandbuch (eBook)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. i.R. Bernd Heißing leitete über 10 Jahre den Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik an der TU München. Davor war er fast 15 Jahre in leitender Funktion in der Fahrwerkentwicklung bei Audi und im Strategiekreis „Fahrwerk“ des VW Konzerns. Er engagiert sich heute in zahlreichen Forschungsprojekten, bei Tagungen und Kongressen für Fahrwerkthemen. Prof. Dr.-Ing. Metin Ersoy promovierte über Konstruktionssystematik an der TU Braunschweig und war mehr als 35 Jahre in verschiedenen Firmen an leitender Stelle tätig, davon 22 Jahre für ZF Lemförder, zuletzt als Leiter Vorentwicklung. Ebenfalls ist er Honorarprofessor an der Fachhochschule Osnabrück für Fahrwerktechnik. Prof. Dr.-Ing. Stefan Gies ist Leiter des Instituts für Kraftfahrwesen Aachen (IKA).

Vorwort 5
Autorenverzeichnis 6
Inhaltsverzeichnis 8
Abkürzungen 20
1 Einleitung und Grundlagen 23
1.1 Geschichte, Definition, Bedeutung 24
1.1.1 Entstehungsgeschichte 24
1.1.2 Definition und Abgrenzung 30
1.1.3 Aufgabe und Bedeutung 30
1.2 Fahrwerkaufbau 31
1.2.1 Fahrzeugklassen 31
1.2.2 Antriebskonzepte 33
1.2.3 Fahrwerkkonzeption Achsantrieb, 36
1.2.4 Trends in der Fahrwerkkonzeption 36
1.3 Fahrwerkauslegung 38
1.3.1 Anforderungen an das Fahrwerk 39
1.3.2 Fahrwerk-Kinematikauslegung 41
1.3.3 Kinematik der Radaufhängung 41
1.3.3.1 Kenngrößen des Fahrwerks am Fahrzeug 41
1.3.3.2 Momentanpole der Radaufhängung 43
1.3.3.3 Radhubkinematik 44
1.3.3.4 Kenngrößen der Radhubkinematik 44
1.3.3.5 Kenngrößen der Lenkkinematik 47
1.3.3.6 Kinematische Kennwerte aktueller Fahrzeugsmodelle 51
1.3.3.7 Raderhebungskurven 51
1.3.3.8 Software zur Radkinematikberechnung 54
1.3.4 Elastokinematik und Bauteilelastizitäten der Radaufhängung 55
1.3.5 Zielwerte für die Kenngrößen 56
1.3.6 Synthese der Radaufhängungen 56
Literatur 57
2 Fahrdynamik 59
2.1 Fahrwiderstände und Energiebedarf 60
2.1.1 Fahrwiderstände 60
2.1.1.1 Radwiderstände 60
2.1.1.2 Anteil der Fahrbahn FR,Tr 64
2.1.1.3 Luftwiderstand 68
2.1.1.4 Steigungswiderstand 68
2.1.1.5 Beschleunigungswiderstand 70
2.1.1.6 Gesamtfahrwiderstand 71
2.1.2 Seitenwindkräfte 71
2.1.3 Leistungsund Energiebedarf 74
2.1.4 Kraftstoffverbrauch 75
2.2 Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn 77
2.2.1 Physik der Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn 79
2.2.1.1 Bremsen und Antreiben 82
2.2.1.2 Kurvenfahrt 84
2.2.2 Reifenkräfte im Detail 88
2.2.3 Wirkung der Reifenkräfte auf die Fahrstabilität 90
2.3 Längsdynamik 91
2.3.1 Anfahren und Bremsen 92
2.3.1.1 Bremsnickausgleich 92
2.3.1.2 Anfahrnickausgleich 93
2.3.1.3 Lastwechsel bei Geradeausfahrt 93
2.4 Vertikaldynamik 94
2.4.1 Aufbaufedern 94
2.4.1.1 Federübersetzung 95
2.4.1.2 Eigenfrequenzen 95
2.4.2 Schwingungsdämpfer 96
2.4.3 Fahrbahn als Anregung 97
2.4.3.1 Harmonische Anregungen 97
2.4.3.2 Periodische Unebenheiten 98
2.4.3.3 Stochastische Unebenheiten 98
2.4.3.4 Spektrale Dichte der Fahrbahnunebenheiten 99
2.4.3.5 Gemessene, reale Fahrbahnunebenheiten 99
2.4.4 Zweimassen Feder-Dämpfersystem mit dem Reifen als Federelement 100
2.4.5 Federungsmodelle 102
2.4.5.1 Einmassen-Ersatzsystem 102
2.4.5.2 Zweimassen-Ersatzsystem 102
2.4.5.3 Erweiterung um Sitzfederung 103
2.4.5.4 Einspur-Federungsmodell 104
2.4.5.5 Zweispur-Federungsmodell 105
2.4.6 Parametervariation 107
2.4.7 Verknüpfung Fahrbahn–Fahrzeug 109
2.4.7.1 Spektrale Dichte der Aufbaubeschleunigung 110
2.4.7.2 Spektrale Dichte der Radlastschwankungen 111
2.4.8 Menschliche Schwingungsbewertung 112
2.4.9 Erkenntnisse aus den 113
2.5 Querdynamik 114
2.5.1 Anforderungen an das Fahrverhalten 114
2.5.2 Lenkkinematik 115
2.5.2.1 Statische Lenkungsauslegung 116
2.5.2.2 Dynamische Len kungsauslegung 116
2.5.3 Fahrzeugmodellierung 117
2.5.3.1 Einfaches Einspurmodell 117
2.5.3.2 Einfache Betrachtungen Fahrdynamik 119
2.5.3.3 Bewegungsvorgänge beim Über- undUntersteuern 122
2.5.3.4 Erweitertes Einspurmodell mit Hinterradlenkung 122
2.5.3.5 Nichtlineares Einspurmodell 124
2.5.3.6 Instationäre Betrachtungen des einfachen Einspurmodells 125
2.5.4 Die Regelstrecke „Fahrzeug“ im Regelkreis 128
2.5.4.1 Dynamisches Verhalten der Regelstrecke Fahrzeug 128
2.5.4.2 Schwimmwinkelkompensation mittels GleiHinterradlenkung 131
2.5.5 Frequenzgangbetrachtung bei variierten Fahrzeugkonfigurationen 132
2.5.5.1 Variation der Fahrgeschwindigkeit 133
2.5.5.2 Variation des Gierträgheitsmomentes 133
2.5.5.3 Variation der hinteren Schräglaufsteifigkeit 133
2.5.6 Zweispur-Fahrzeugmodellierung 134
2.5.7 Parametervariation 137
2.5.7.1 Variation der Schwerpunkthöhe (Variante 1) 137
2.5.7.2 Variation der Schwerpunktlage inLängsrichtung (Variante 2) 138
2.5.7.3 Variation der Wankachse (Variante 3) 138
2.5.7.4 Variation der Wankfederverteilung(Variante 4) 139
2.5.7.5 Variation des Antriebskonzepts(Variante 5) 140
2.6 Allgemeine Fahrdynamik 141
2.6.1 Wechselwirkungen zwischen Vertikal-, Längs- und Querdynamik 141
2.6.1.1 Vertikalkraftschwankungen 141
2.6.2 Kritische Fahrsituationen 142
2.6.2.1 Bremsen in der Kurve 142
2.6.2.2 Beschleunigte Kurvenfahrt 143
2.6.2.3 Lastwechsel in der Kurve 144
2.6.2.4 Vertikalanregung durch Fahrbahnunebenheiten bei Kurvenfahrt 145
2.6.2.5 Bremsen und Anfahren auf einer inhomogenen Fahrbahnobe (µ-Split) 145
2.7 Fahrverhalten 146
2.7.1 Beurteilung des Fahrverhaltens 147
2.7.2 Fahrmanöver 148
2.7.3 Fahrmanöver Parameterraum 151
2.7.4 Abstimmungsmaßnahmen 153
2.7.4.1 Abstimmungsmaßnahmen zumstationären Lenkverhalten 153
2.7.5 Subjektive Fahrverhaltensbeurteilung 153
2.7.5.1 Bewertungsmethoden und Darstellung 153
2.7.5.2 Anfahrverhalten 156
2.7.5.3 Bremsverhalten 156
2.7.5.4 Lenkverhalten 156
2.7.5.5 Kurvenverhalten 160
2.7.5.6 Geradeausfahrt 160
2.7.5.7 Fahrkomfort (subjektiv) 160
2.7.6 Objektive Fahrverhaltensbeurteilung 165
2.7.6.1 Messgrößen 165
2.7.6.2 Anfahrverhalten 165
2.7.6.3 Bremsverhalten 166
2.7.6.4 Lenkverhalten 168
2.7.6.5 Kurvenverhalten 169
2.7.6.6 Geradeausfahrt 171
2.7.6.7 Fahrkomfort (objektiv) 173
2.8 Aktive und passive Sicherheit 173
Literatur 175
3 Bestandteile des Fahrwerks 177
3.1 Struktur des Fahrwerks 177
3.1.1 Funktionelle Struktur des Fahrwerks 177
3.1.2 Modulare Struktur des Fahrwerks 178
3.1.3 Bestandteile des Fahrwerks 178
3.2 Antriebsstrang 179
3.2.1 Anordnungen 179
3.2.2.2 Sperrdifferenziale 180
3.2.2.4 Torque Vectoring 181
3.2.2.3 Aktive Sperrdifferenziale 181
3.2.2.4 Torque Vectoring 181
3.2.3 Allradantrieb (Längsverteiler) 183
3.2.4 Allradantrieb (Längs-/Querverteiler) 184
3.2.5 Betriebsstrategien 185
3.2.6 Aktuelle Allradsysteme 185
3.2.7 Seitenwellen 187
3.3 Radbremsen Bremssysteme 188
3.3.1 Aufgaben und Grundlagen 188
3.3.2 Arten von Bremsanlagen 189
3.3.2.1 Allgemeine Anforderungen 189
3.3.3 Gesetzliche Vorschriften 191
3.3.4 Auslegung der Bremsanlage 191
3.3.4.1 Bremskraftverteilung 191
3.3.4.2 Dimensionierung 193
3.3.4.3 Bremskennung 193
3.3.5 Bremsmomente und Dynamik 194
3.3.5.1 Bremsmomente 194
3.3.5.2 Bremsdynamik 195
3.3.6 Komponenten des Bremssystems 195
3.3.6.1 Bremssattel 196
3.3.6.2 Bremsscheiben 200
3.3.6.3 Bremsbeläge 201
3.3.6.4 Trommelbremsen 201
3.3.6.5 Bremsleitungen und -schläuche 203
3.3.6.6 Bremsflüssigkeit 203
3.3.6.7 Bremskraftverstärker 204
3.3.6.8 Tandem-Hauptzylinder 206
3.3.6.9 Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) 207
3.3.7 Elektronische Bremsregelsysteme 211
3.3.7.1 Bremsassistent (MBA, EBA, HBA) 211
3.3.7.2 Hydraulisch/Elektronische Regeleinheit (HECU) 213
3.3.7.3 Raddrehzahlsensor 214
3.3.7.4 Funktionen der elektronischen Bremssysteme 215
3.3.8 Neuartige Bremssysteme 221
3.3.8.1 Elektrohydraulische Bremse (EHB) 221
3.3.8.2 Elektromechanische Bremse (EMB) 222
3.3.8.3 Elektrohydraulische Kombibremse (EHC) 223
3.3.8.4 Regenerative Bremssyteme 224
3.3.9 Vernetztes Chassis 225
3.4 Lenksysteme 227
3.4.1 Anforderungen und Bauformen 227
3.4.2 Hydraulische Zahnstangenlenkung 229
3.4.2.1 Technik und Funktion 229
3.4.2.2 Aufbau und Bauteile 232
3.4.2.3 Spurstangen 235
3.4.3 Lenkstrang und Lenksäule 239
3.4.3.1 Komponenten und Funktionseinheiten 239
3.4.3.2 Auslegung und Erprobung 241
3.4.3.3 Crashanforderungen und Energieverzehrmechanismen 242
3.4.3.4 Ausblick und Modularisierung 245
3.4.4 Lenkrad 245
3.4.5 Elektromechanische Lenkung 247
3.4.5.1 Bauformen 247
3.4.5.2 Aufbau und Vorteile 249
3.4.5.3 Bedeutung der Lenkung für die Assistenzsysteme 252
3.4.6 Überlagerungsoder Aktivlenkung 253
3.4.6.1 Überlagerung von Momenten 253
3.4.6.2 Überlagerung von Winkeln 254
3.4.6.3 Stellervarianten der Aktivlenkung 254
3.4.6.4 Überlagerungsaktor am Lenkgetriebe 254
3.4.6.5 Überlagerungsaktor in der Lenksäule 256
3.4.6.6 Steuergerät und Sicherheitskonzept 257
3.4.6.7 Funktionen der Aktivlenkung 257
3.4.7 Zahnstangenservolenkung mit Momenten- und Winkelsteller 259
3.4.8 Hinterachsund Allradlenkung 260
3.4.9 Steer-by-wire-Lenksystem und Einzelradlenkung 262
3.4.9.1 Systemkonzept und Bauteile 263
3.4.9.2 Technik, Vorteile und Chancen 265
3.5 Federn und Stabilisatoren 266
3.5.1 Aufgabe der Federung 266
3.5.2 Systematik der Federarten 267
3.5.3 Konstruktion und Berechnung von Stahlfedern 267
3.5.3.1 Blattfedern 267
3.5.3.2 Drehstabfedern 270
3.5.3.3 Stabilisatoren 271
3.5.3.4 Schraubenfedern 279
3.5.4 Werkstoffe für Stahlfedern 287
3.5.5.1 Warmumformung 289
3.5.5 Herstellung von Stahlfedern 289
3.5.5.1 Warmumformung 289
3.5.5.2 Vergütung warmgeformter Federn 291
3.5.5.3 Kaltumformung 291
3.5.5.4 Kugelstrahlen 292
3.5.5.5 Plastifizieren 293
3.5.5.6 Korrosionsschutz 293
3.5.5.7 Endkontrolle und Markierung 294
3.5.6 Compositfedern 294
3.5.7 Federung für Niveauregelung 295
3.5.7.1 Aufgaben und Bauarten 295
3.5.7.2 Berechnung von Gasfedern und deren Eigenschaften 296
3.5.8 Federung durch Elastomerfeder 299
3.5.9 Federung durch Gaskompression 299
3.5.9.1 Vorund Nachteile von Gasfedern 300
3.5.9.2 Luftfederung 300
3.5.9.3 Hydropneumatische Federung 301
3.6 Dämpfung 301
3.6.1 Aufgabe der Dämpfung 301
3.6.2 Teleskopdämpfer-Bauarten 305
3.6.2.1 Zweirohrdämpfer 305
3.6.2.2 Einrohrdämpfer 306
3.6.2.3 Vergleich beider Dämpferarten 306
3.6.2.4 Sonderbauarten 307
3.6.3 Stoßdämpferberechnung 307
3.6.4 Zusatzfunktionen im Dämpfer 308
3.6.4.1 Zug- und Druckanschläge 308
3.6.4.2 Hubabhängige Dämpfung 311
3.6.4.3 Amplitudenselektive Dämpfung 312
3.6.5 Dämpferlager 313
3.6.6 Semiaktive Dämpfung 314
3.6.6.1 Lastabhängige Dämpfung 314
3.6.6.2 Elektrisch verstellbare Dämpfung 314
3.6.7 Alternative Dämpfungsprinzipien 318
3.6.7.1 Dämpfer mit rheologischen Flüssigkeiten 319
3.6.7.2 Verbunddämpfung 319
3.6.7.3 Elektrischer Dämpfer 320
3.6.8 Kombinierte Feder-/Dämpfereinheiten 320
3.6.8.1 Federträger und Federbein 320
3.6.8.2 Hydropneumatische Federung 322
3.6.8.3 Selbstpumpendes, hydropneumatisches Feder- und Dämpferelement 322
3.6.8.4 Luftfederung und hydraulischer Dämpfer 325
3.6.9 Gas-Feder-Dämpfereinheiten (GFD) 327
3.6.9.1 Physikalische Grundlagen 327
3.6.9.2 Auslegung der Gas-Feder-Dämpfereinheit 331
3.6.9.3 Ausführungsbeispiele von Gas-Feder-Dämpfereinheiten 337
3.6.9.4 Formelzeichen und Basisformeln 339
3.7 Radführung 339
3.7.1 Aufgaben, Struktur und Systematik 339
3.7.2 Lenker Aufgaben, Struktur und Systematik 341
3.7.2.1 Führungslenker 342
3.7.2.2 Traglenker 342
3.7.2.3 Hilfslenker 343
3.7.2.4 Anforderungen an Fahrwerkslenker 343
3.7.2.5 Werkstoffe für Fahrwerkslenker 343
3.7.2.6 Herstellverfahren für Fahrwerklenker 344
3.7.2.7 Herstellverfahren für Aluminiumlenker 352
3.7.2.8 Auslegung und Optimierung der Lenker 353
3.7.2.9 Integration der Gelenke an den Lenker 354
3.7.3 Kugelgelenk 355
3.7.3.1 Aufgabe und Anforderungen 355
3.7.3.2 Systematik für Kugelgelenke 356
3.7.3.3 Aufbau der Kugelgelenke 356
3.7.3.4 Lagersystem (Schale, Fett) 359
3.7.3.5 Dichtsystem (Balg, Spannring) 362
3.7.3.6 Führungsgelenke 365
3.7.3.7 Traggelenke 366
3.7.3.8 Hülsengelenke 368
3.7.4 Gummilager 369
3.7.4.1 Aufgabe, Anforderungen, Funktion 369
3.7.4.2 Ausführungen 372
3.7.5 Drehgelenk 373
3.7.6 Drehschubgelenk 374
3.7.7 Kugelschubgelenk 375
3.7.8 Achsträger 375
3.7.8.1 Aufgabe und Anforderungen 375
3.7.8.2 Systematik und Bauarten 376
3.8 Radträger und Radlager 378
3.8.1 Bauarten für Radträger 379
3.8.2 Werkstoffe und Herstellverfahren für Radträger 380
3.8.3 Bauarten für Radlager 380
3.8.3.1 Dichtung 384
3.8.3.2 Schmierung 384
3.8.3.3 ABS-Sensoren 385
3.8.4 Herstellung von Radlagern 387
3.8.4.1 Ringe und Flansche 387
3.8.4.2 Käfige und Wälzkörper 387
3.8.4.3 Montage 388
3.8.5 Anforderung, Auslegung und 388
3.8.5.1 Ermüdungslebensdauer (Überrollfestigkeit) des Radlagers 390
3.8.5.2 Bauteilfestigkeit und Kippsteifigkeit 392
3.8.5.3 Verifizierung durch Prüfmethoden 393
3.8.6 Ausblick 395
3.9 Reifen und Räder 399
3.9.1 Anforderungen an den Reifen 399
3.9.1.1 Gebrauchseigenschaften 399
3.9.1.2 Gesetzliche Anforderungen 403
3.9.1.3 Umweltaspekte 404
3.9.2 Bauarten, Aufbau und Material 405
3.9.2.1 Reifenbauarten 405
3.9.2.3 Sommer-, Winter-, All- Seasonreifen 406
3.9.2.4 Reifenmaterialien 406
3.9.2.5 Viskoelastische Eigenschaften von Gummi 408
3.9.3 Kraftübertragung Reifen–Fahrbahn 409
3.9.3.1 Tragverhalten 409
3.9.3.2 Kraftschlussverhalten, Aufbau von Haftbereich 409
3.9.3.3 Antreiben und Bremsen, Umfangskräfte 410
3.9.3.4 Schräglauf, Seitenkräfte und Rückstellmomente 411
3.9.3.5 Schräglaufsteifigkeit 412
3.9.3.6 Reifen unter Querund Längsschlupf 413
3.9.3.7 Reifengleichförmigkeit 414
3.9.4 Reifenmodelle für die Simulation 414
3.9.4.1 Reifenmodelle für die Horizontaldynamik 414
3.9.4.2 Reifenmodelle mit Finiten Elementen (FEM-Modelle) 416
3.9.4.3 Reifenmodelle für die Vertikaldynamik 416
3.9.4.4 Reifenmoden 417
3.9.4.5 Eigenschwingung der Kavität 417
3.9.4.6 Gesamtmodelle 417
3.9.5 Auswahl und Entwicklung von Die ReifenaufReifen und Rädern 418
3.9.5.1 Reifen 418
3.9.5.2 Rad 418
3.9.6 Moderne Reifentechnologien 419
3.9.6.1 Reifensensorik 419
3.9.6.2 Reifennotlaufsysteme 421
3.9.6.3 Reifen und Regelsysteme 422
3.9.6.4 High-Performance-(HP-) und Ultra-High-Performance-(UHP-)Reifen 423
3.9.7 Test und Messmethoden im Fahrversuch 425
3.9.7.1 Subjektive Testverfahren 425
3.9.7.2 Objektive Testverfahren für die Längshaftung 426
3.9.7.3 Objektive Testverfahren für die Seitenhaftung 427
3.9.7.4 Akustik 427
3.9.8 Test und Messmethoden im Labor 427
3.9.8.1 Grundkonzepte für Reifenprüfstände 427
3.9.8.2 Festigkeitsprüfung 428
3.9.8.3 Charakteristikmessungen am Prüfstand 428
3.9.8.4 Charakteristikmessungen mit demLaborfahrzeug 429
3.9.8.5 Rollwiderstandsmessung 429
3.9.8.6 Uniformityund Geometrie-Messung 430
3.9.8.7 Streckenmessung und Modellierung 431
3.9.8.8 Verlustleistungsanalyse 431
3.9.8.9 Reifentemperaturverfahren 432
3.9.9 Zukünftige Reifentechnologien 433
3.9.9.1 Materialentwicklung 433
3.9.9.2 Rollwiderstandsenkung (Sparreifen) 433
3.9.9.3 Neuartige Reifenkonzepte 434
Literatur 434
4 Achsen und Radaufhängungen 438
4.1 Starrachsen 440
4.1.1 Starrachsen mit 442
4.1.2 Starrachsen mit Längsund Querlenker 443
4.1.3 De-Dion-Achse: angetriebene Starrachse mit Zentralgelenk 445
4.1.4 Starrachsen mit Zentralgelenk- und Querlenkerführung (Deichselachse) 445
4.2 Halbstarrachsen 445
4.2.1 Verbundlenkerachsen 445
4.2.1.1 Torsionskurbelachse 447
4.2.1.2 Koppellenkerachse 447
4.2.1.3 Verbundlenkerachse 448
4.2.1.4 Verbundlenkerachse mit Wattgestänge 448
4.2.1.5 Verbundlenkerachse mit entkoppeltem Radträger 448
4.2.2 Dynamische Verbundachse (DVA) 449
4.3 Einzelradaufhängungen 449
4.3.1 Kinematik der Einzelradaufhängung 449
4.3.2 Eigenschaften der Einzelradaufhängungen 452
4.3.3 Einzelradaufhängungen mit einem Lenker 452
4.3.3.1 Längslenker-Einzelradaufhängungen 452
4.3.3.2 Schräglenker-Einzelradaufhängungen 453
4.3.3.3 Schraublenker-Einzelradaufhängungen 455
4.3.4 Einzelradaufhängungen mit zwei Lenkern 455
4.3.4.1 Quer-Längs-Pendelachsen 455
4.3.4.2 Trapezlenker mit einem Querlenker 455
4.3.4.3 Trapezlenker mit einem flexiblen Querlenker (Porsche Weissachachse) 456
4.3.5 Einzelradaufhängungen mit drei Lenkern 456
4.3.5.1 Längslenker mit zwei Querlenkern 456
4.3.5.2 Längslenker mit zwei Schräglenkern (Zentrallenker-Einzelradaufhängung) 457
4.3.5.3 Doppelquerlenker-Einzelradaufhängungen 457
4.3.6 Vierlenker – Einzelradaufhängungen der Hinterachse (Mehrlenker) 460
4.3.6.1 Mehrlenkerhinterachsen durch Auflösung des unteren 3-Punkt-Lenkers 461
4.3.6.2 Mehrlenkerhinterachsen durch Auflösung der oberen 3-Punkt-Lenker 462
4.3.6.3 Trapezlenkeraufhängung (Integrallenker) 462
4.3.6.4 Mehrlenkerhinterachsen mit Längslenker 463
4.3.7 Vierlenker – Einzelradaufhängungen der Vorderachse (Mehrlenker) 465
4.3.8 Einzelradaufhängungen mit fünf Lenkern 467
4.3.8.1 Fünflenker Einzelradaufhängung –Vorderachse 467
4.3.8.2 Fünflenker Einzelradaufhängung –Hinterachse (Raumlenker) 467
4.3.9 Federbein-Einzelradaufhängungen 469
4.3.9.1 Dreieckslenker-Federbeinaufhängung 469
4.3.9.2 McPherson mit Querverbindungstraverse 471
4.3.9.3 McPherson mit optimiertem Lenker 471
4.3.9.4 McPherson mit aufgelöstem unteren Lenker (Dreilenker-Federbein) 471
4.3.9.5 McPherson mit doppeltem Radträger 472
4.3.9.6 Federbeinaufhängung für die Hinterachse 472
4.4 Einzelradaufhängungen der Vorderachse 473
4.4.1 Anforderungen an die Vorderachsaufhängungen 473
4.4.2 Komponenten der Vorderachse 474
4.4.3 Einsatzgebiete der Vorderachstypen 475
4.4.4 Besonderheiten der Vorderachsaufhängungen 475
4.5 Einzelradaufhängungen der Hinterachse 476
4.5.1 Anforderungen an die Hinterachse 476
4.5.2 Komponenten der Hinterachse 478
4.5.3 Einsatzgebiete der Hinterachstypen 478
4.5.4 Besonderheiten der Hinterachsaufhängungen 479
4.5.4.1 Nicht angetriebene Hinterachse 479
4.5.4.2 Angetriebene Hinterachse 479
4.5.4.3 Verbundlenker-Hinterachsen 479
4.5.4.4 Mehrlenker-Hinterachsen 480
4.6 Gesamtfahrwerk 480
4.6.1 Zusammenspiel von Vorder- und Hinterachse 480
4.6.2 Eigenlenkverhalten des Fahrzeugs 480
4.6.3 Achslastverlagerungen 480
4.6.4 Konstruktionskatalog als Auswahlhilfe für die Achstypen 480
4.7 Radaufhängungen der Zukunft 481
4.7.1 Achstypen der letzten 20 Jahre 481
4.7.2 Häufigkeit der aktuellen Achstypen 481
4.7.3 Die zukünftigen Vorderachstypen (Tendenzen) 483
4.7.4 Die zukünftigen Hinterachstypen (Tendenzen) 483
Literatur 484
5 Fahrkomfort 486
5.1 Grundlagen, Mensch und NVH 486
5.1.1 Begriffe und Definitionen 486
5.1.2 Schwingungs- und Geräuschquellen 488
5.1.3 Wahrnehmungsgrenzen des Menschen 488
5.1.4 Das Wohlbefinden des Menschen 489
5.1.5 Maßnahmen gegen Schwingungen und Geräusche 490
5.1.6 Vorgehen bei der NVH-Optimierung 491
5.2 Gummiverbundteile 492
5.2.1 Funktion der Gummiverbundteile 492
5.2.1.1 Kräfte übertragen 492
5.2.1.2 Definierte Bewegungen ermöglichen 492
5.2.1.3 Geräusche isolieren 492
5.2.1.4 Schwingungen dämpfen 493
5.2.2 Elastomer spezifische Definitionen 494
5.2.2.1 Kennlinien 494
5.2.2.2 Dämpfung 495
5.2.2.3 Setzung 495
5.3 Aggregatelager 496
5.4 Fahrwerk – Gummilager 500
5.4.1 Hülsenlager 500
5.4.2 Gleitlager 502
5.4.3 Hydraulisch dämpfende Buchsen 502
5.4.5 Verbundlenkerlager 505
5.5 Achsträgerlager 505
5.6 Federbeinstützlager 507
5.7 Berechnungsmethoden 508
5.8 Akustische Bewertung von Gummiverbundteilen 509
5.9 Zukünftige Bauteilausführungen 510
5.9.1 Sensorik 511
5.9.2 Schaltbares Fahrwerklager 512
5.9.3 Regelbares Fahrwerklager 513
Literatur 514
6 Fahrwerkentwicklung 515
6.1 Entstehung des Fahrwerks 515
6.1.1 Entwicklungsprozess 516
6.1.2 Projektmanagement (PM) 521
6.2 Planung und Definitionsphase 521
6.2.1 Zielwertkaskadierung 522
6.3 Konzeptphase 523
6.4 Virtuelle Simulation 523
6.4.1 Software für dieMehrkörpersimulation (MKS) 524
6.4.1.1 Aufbau von MKS-Fahrwerksmodellen mit ADAMS/Car 524
6.4.1.2 CAD-Fahrwerkmodell und Mehrkörpersystem 524
6.4.1.3 Mehrkörpersimulation mit starren und flexiblen MKS-Modellen 524
6.4.1.4 Mehrkörpersimulation mit Gesamtfahrzeug-,Fahrwerk- und Achsmodellen 526
6.4.1.5 Einfluss der Fertigungstoleranzen auf die kinematischen Kennwerte 526
6.4.2 Software für Finite Elemente Methode (FEM) 526
6.4.2.1 Klassifizierung der Analysen 528
6.4.2.2 Festigkeitsanalysen 528
6.4.2.3 Steifigkeitsanalysen 528
6.4.2.4 Eigenfrequenzanalysen 528
6.4.2.5 Lebensdauer-Betriebsfestigkeit 529
6.4.2.6 Crash-Simulationen 530
6.4.2.7 Topologie- und Formoptimierung 530
6.4.2.8 Simulation der Fertigungsverfahren 530
6.4.3 Vollfahrzeugsimulation 531
6.4.3.1 Fahrdynamiksimulation 531
6.4.3.2 Kinematik/Elastokinematik 531
6.4.3.3 Standard-Lastfälle 532
6.4.3.4 MKS-Modellverifikation 532
6.4.3.5 NVH 533
6.4.3.6 Loadmanagement (Lastenkaskadierung vom System zur Komponente) 534
6.4.3.7 Vollfahrzeug Betriebsfestigkeitssimulation 538
6.5 Integrierte Simulationsumgebung 539
6.5.1 Kinematische Analyse:Basistool ABE 539
6.5.2 Vollautomatische Kinematik- und Elastokinematik-Optimierung OPT 541
6.5.3 Virtuelle Produktentwicklungsumgebung 542
6.6 Serienentwicklung und Absicherung 544
6.6.1 Konstruktion 544
6.6.1.1 Bauteilkonstruktion 545
6.6.1.2 Bauraum „Package“ 545
6.6.1.3 Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse 546
6.6.1.4 Toleranzuntersuchungen 546
6.6.2 Validierung 546
6.6.2.1 Prototypen 546
6.6.2.2 Validierung am Prüfstand 547
6.6.2.3 Straßen-Simulationsprüfstand (SSP) 549
6.6.3 Validierung am Gesamtfahrzeug 550
6.6.4 Optimierung und Abstimmung 551
6.7 Serienbegleitende Entwicklung 551
6.8 Ausblick und Zusammenfassung 552
Literatur 553
7 Fahrwerkelektronik 554
7.1 Motivation und Nutzen 554
7.1.1 Grenzen passiver Fahrwerke 554
7.1.1.1 Zielkonflikt Dämpfungsauslegung 554
7.1.1.2 Zielkonflikt Federungsauslegung 555
7.1.1.3 Zielkonflikt Lenkübersetzung 555
7.1.1.4 Forderung nach aktiven Systemen 555
7.1.2 Fahrzeugführung 556
7.1.2.1 Regelkreis Fahrer–Fahrzeug 556
7.1.2.2 Vereinfachte Fahrzeugführung 556
7.2 Unterteilung der Fahrwerkregelsysteme 557
7.2.1 Begriffsbestimmungen 557
7.2.2 Unterteilung der Fahrwerkregelsysteme in Domänen 557
7.3 Längsdynamikfunktionen 558
7.3.1 Traktionsregelung mit dem Allradverteilergetriebe 558
7.3.2 Traktionsregelung Achsgetriebe 559
7.3.3 Torque Vectoring 560
7.4 Vertikaldynamikfunktionen 561
7.4.1 Variable Dämpfer 561
7.4.2 Aktiver Stabilisator 562
7.4.3 Niveauregulierung 563
7.5 Querdynamikfunktionen 563
7.5.1 Elektrolenkung 564
7.5.2 Überlagerungslenkung 565
7.5.3 Hinterachslenkung 565
7.6 Systemvernetzung und Funktionsintegration 566
7.6.1 Systemvernetzung 566
7.6.2 Fahrdynamikregelung 567
7.6.3 Funktionsintegration 570
7.6.4 Funktionsarchitektur 570
7.6.5 Standardschnittstellen / Autosar 571
7.7 Elektronik-Hardware,Sensorik und Aktuatorik 572
7.7.1 Technologiebeispiele 572
7.7.2 Umweltanforderungen 575
7.7.3 Bussysteme im Fahrwerk 576
7.7.3.1 CAN-Bus 576
7.7.3.2 FlexRay 576
7.7.4 Aktuatoren im Fahrwerk 577
7.7.5 Sensoren im Fahrwerk 578
7.8 Entwicklung der Fahrwerkregelsysteme 580
7.8.1 Entwicklung gemäß Automotive SPICE 580
7.8.2 Funktionale Sicherheit 582
7.8.3 Simulation der Fahrwerkelektronik 583
7.8.4 Hardware-in-the-Loop-Simulation 584
Literatur 585
8 Elektronische Systeme im Fahrwerk 587
8.1 Elektronische Struktur des Fahrwerks 587
8.2 Mechatronische Längsdynamiksysteme 587
8.2.1 Antriebssysteme 587
8.2.1.1 xDrive 588
8.2.1.2 Active Yaw Control (AYC) 589
8.2.1.3 Quattro Sport Differential 590
8.2.1.4 Weitere aktive Allradantriebssysteme 592
8.2.1.5 Systeme mit Frontantrieb-Querverteiler Überlagerungsdifferenzial 592
8.2.1.6 4Motion von VW 593
8.2.2 Bremssysteme 593
8.2.2.1 Grundlagen des Bremsen-Fahrdynamikreglers 593
8.2.2.2 Zusatzfunktionen in aktiven Bremssystemen 594
8.3 Mechatronische Vertikaldynamiksysteme 595
8.3.1 Anforderungen an die Vertikalsysteme 595
8.3.2 Einteilung der Vertikalsysteme 595
8.3.3 Dämpfungssysteme 596
8.3.3.1 Adaptive Dämpfungssysteme 597
8.3.3.2 Semi-aktive Dämpfungssysteme 598
8.3.3.3 Regelstrategien für semi-aktive Dämpfer 600
8.3.4 Niveauregulierungssysteme 601
8.3.5 Adaptive Luftfederungssysteme 602
8.3.6 Aktuelle aktive Federungssysteme 603
8.3.6.1 Langsam-aktive Fahrwerksysteme 604
8.3.6.2 Voll-aktive, integrierte Fahrwerksysteme 606
8.3.7 Lagersysteme 609
8.4 Mechatronische Querdynamiksysteme 610
8.4.1 Vorderradlenkung 611
8.4.2 Hinterradlenkung 613
8.4.3 Wankstabilisierungssysteme 619
8.4.3.1 Passiver Stabilisator 620
8.4.3.2 Schaltbare Off-Road-Stabilisatoren 620
8.4.3.3 Schaltbare On-Road-Stabilisatoren 620
8.4.3.4 Semiaktive Stabilisatoren 621
8.4.3.5 Hydraulische aktive Stabilisatoren 622
8.4.3.6 Elektrische aktive Stabilisatoren 625
8.4.4 Aktive Kinematik 627
8.4.5 Gegenüberstellung der Fahrdynamiksysteme 630
8.4.6 Vernetzung der Fahrwerksysteme 632
8.5 X-by-wire 633
8.5.1 Steer-by-wire 633
8.5.2 Brake-by-wire 634
8.5.2.1 Elektrohydraulische Bremse (EHB) 635
8.5.2.2 Elektromechanische Bremse (EMB) 635
8.5.2.3 Elektromechanische Bremse von Teves 635
8.5.2.4 Elektrohydraulische Combi-Bremse (EHC) 636
8.5.2.5 Radialbremse 637
8.5.2.6 Keilbremse 637
8.5.2.7 Mechatronische Bremse 638
8.5.3 Leveling-by-wire 639
8.6 Fahrerinformationssysteme 639
8.7 Fahrerwarnsysteme 640
8.7.1 Fahrerwarnung bei der Längsführung 640
8.7.2 Fahrerwarnung bei der Querführung 641
8.8 Fahrerassistenzsysteme 641
8.8.1 Bremsassistenz 643
8.8.1.1 Sicherheitsrelevante Bremsassistenz 643
8.8.1.2 Komfortorientierte Bremsassistenz 644
8.8.1.3 Anforderungen an die Bremsassistenz 644
8.8.2 Distanzhalteassistenz 644
8.8.3 Lenkassistenz 645
8.8.3.1 Lenkassistenz durch Anpassung der Unterstützungskraft 646
8.8.3.2 Lenkassistenz durch Überlagerung des Fahrerhandmoments 646
8.8.3.3 Lenkassistenz durch Überlagerung des Fahrerlenkwinkels 649
8.8.3.4 Lenkassistenz durch kombinierten Eingriff aus Lenkradwinkel und -moment 649
8.8.4 Einparkassistenz 649
8.8.4.1 Einführung 649
8.8.4.2 Parklückenerkennung 650
8.8.4.3 Einparkvorgang 651
8.8.4.4 Lenkaktuator 652
8.8.5 Zusammenfassung 652
Literatur 653
9 Zukunftsaspekte des Fahrwerks 656
9.1 Fahrwerkkonzepte –Fokussierung auf den Kundenwert 657
9.1.1 Auslegung des Fahrverhaltens 657
9.1.2 Diversifizierung und Stabilisierung der Fahrwerkskonzepte 658
9.1.2.1 Vorderachsen 659
9.1.2.2 Hinterachsen 659
9.1.3 Fahrwerkbestandteile der Zukunft 659
9.1.3.1 Achsantrieb der Zukunft 659
9.1.3.2 Bremse der Zukunft 660
9.1.3.3 Lenkung der Zukunft 660
9.1.3.4 Federung der Zukunft 660
9.1.3.5 Dämpfung der Zukunft 660
9.1.3.6 Radführung der Zukunft 660
9.1.3.7 Radlager der Zukunft 660
9.1.3.8 Reifen und Räder der Zukunft 660
9.1.4 Elektronische Fahrwerksysteme der Zukunft 660
9.1.4.1 Systemvernetzung 661
9.1.4.2 Leistungsfähigkeit 661
9.1.4.3 Systemsicherheit 662
9.1.4.4 Elektronik Entwicklungsprozess 662
9.1.4.5 Anforderungen an die Datenübertragung 662
9.2 Umweltschutz und CO2 663
9.2.1 Bedeutung der CO2-Senkung 663
9.2.2 Beitrag des Fahrwerks zurCO2-Senkung 663
9.2.2.1 Reifen und Bremse 663
9.2.2.2 Nebenaggregate mit Elektroantrieb 664
9.2.2.3 Fahrwerkgewicht 664
9.2.2.4 Fahrwiderstand 665
9.2.2.5 Energierückgewinnung an Stoßdämpfern 665
9.2.2.6 Zusammenfassung 665
9.2.3 Beitrag des Hybridantriebs zur CO2-Senkung 665
9.2.3.1 Mild- und Parallel-Hybridantriebe 667
9.2.3.2 Seriell-Hybridantriebe 667
9.2.4 Bremsblending für Rekuperation 668
9.3 Elektrofahrzeuge 670
9.3.1 Antriebskonzepte für das Elektrofahrzeug 670
9.3.2 Fahrwerkkonzepte für Elektro-Autos 672
9.3.2.1 Fahrwerkkonzepte mit zentralem Elektromotor 672
9.3.2.2 Fahrwerkkonzepte für zwei Elektromotoren 672
9.3.2.3 Fahrwerkkonzepte für radnahen Antrieb 673
9.3.2.4 Fahrwerkkonzepte für Radnaben-Antriebe 674
9.3.2.5 Gegenüberstellung radnahe Antriebe und Radnaben-Antriebe 676
9.3.3 Elektro-Radnabenfahrwerk„eCorner“ 676
9.4 X-by-wire-Systeme der Zukunft 677
9.5 Fahrerassistenz-Systeme der Zukunft 678
9.6 Vorausschauende und intelligente Fahrwerke der Zukunft 679
9.6.1 Fahrzeugsensorik 679
9.6.2 Aktuatorik 680
9.6.3 Vorausschauendes Fahren 680
9.7 Autonomes Fahren in der Zukunft? 683
9.7.1 Selbstfahrendes Chassis,Rolling/Driving Chassis 683
9.7.2 Urban Challenge 2007: Die ersten Schritte zum autonomen Fahren 684
9.7.3 Autofahren ohne Fahrer 686
9.8 Zukunftsszenarien für das Auto und sein Fahrwerk 687
9.8.1 Trends aus der Vergangenheit 688
9.8.2 Trends aus der Gegenwart 688
9.8.3 Trends der Zukunft 688
9.8.4 Szenarioanalyse 688
9.8.5 Mögliche Zukunftsvisionen 689
9.9 Ausblick 690
Literatur 692
Glossar 694
Sachwortverzeichnis 717