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Untersteuern und Übersteuern im Fahrzeugdesign verstehen

Unter- und Übersteuern sind dynamische Begriffe, die verwendet werden, um die Empfindlichkeit des Fahrzeugs gegenüber Lenkwinkeländerungen zu beschreiben, die mit Änderungen der Querbeschleunigung verbunden sind. Diese grundlegenden Handhabungseigenschaften spielen eine entscheidende Rolle für die Sicherheit, Leistung und das Fahrerlebnis des Fahrzeugs. Für Automobilingenieure ist es unerlässlich zu verstehen, wie diese Grenzwerte berechnet und optimiert werden können, um Fahrzeuge zu schaffen, die unter verschiedenen Fahrbedingungen sowohl vorhersehbar als auch sicher sind.

Wenn ein Fahrzeug eine Kurve fährt, wirken komplexe Kräfte zwischen Reifen, Fahrbahnoberfläche, Federung und Fahrzeugmasse zusammen. Die Ausgewogenheit dieser Kräfte bestimmt, ob ein Fahrzeug untersteuert, übersteuert oder neutrale Lenkeigenschaften aufweist. Jedes Verhalten hat unterschiedliche Auswirkungen auf die Fahrzeugstabilität, die Fahrerkontrolle und die Gesamthandhabungsleistung.

Die Grundlagen von Understeer und Oversteer

Was ist Understeer?

Das Untersteuern erfolgt, wenn sich ein Fahrzeug aufgrund der Lenkeingabe weniger stark dreht, als der Fahrer beabsichtigt. In der Praxis folgt das Fahrzeug, wenn man das Lenkrad während einer Kurve dreht, einer Bahn mit einem größeren Radius als erwartet. Wenn ein untersteuerndes Fahrzeug an die Griffgrenze der Reifen gebracht wird, wo es nicht mehr möglich ist, die Querbeschleunigung zu erhöhen, folgt das Fahrzeug einer Bahn mit einem Radius, der größer ist als beabsichtigt.

Die Hauptursache für Untersteuern ist, dass die Vorderreifen vor den Hinterreifen den Halt verlieren. Wenn ein Fahrzeug untersteuert, dann weisen die Vorderreifen einen größeren Reifenschlupfwinkel auf als die Hinterreifen. Dieser Zustand wird im Allgemeinen als sicherer für den durchschnittlichen Fahrer angesehen, da die Reaktion des Fahrzeugs intuitiver ist - das Auto fährt einfach geradeaus statt sich zu drehen.

Was ist Oversteer?

Das Übersteuern stellt den umgekehrten Zustand dar, bei dem sich das Fahrzeug stärker als vorgesehen dreht. Wird ein übersteuerndes Fahrzeug an die Griffgrenze der Reifen gebracht, wird es dynamisch instabil und neigt zum Schleudern. In diesem Szenario verlieren die Hinterreifen die Traktion vor den Vorderreifen, wodurch das Heck des Fahrzeugs nach außen schwingt.

Wenn ein Fahrzeug übersteuert, dann weisen die Hinterreifen einen größeren Schräglaufwinkel auf als die Vorderreifen. Während das Übersteuern schwieriger zu steuern sein kann, kann ein erfahrener Fahrer die Kontrolle über den Punkt der Instabilität mit Gegenlenken und/oder korrekter Verwendung des Gaspedals oder sogar der Bremsen behalten; dies geschieht absichtlich im Driftsport.

Neutrales Steer: Der Balance Point

Das Fahrzeug gilt als neutral, wenn der Lenkwinkel zur Beibehaltung einer Kurvenbahn nur vom Kurvenradius und nicht von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt. Bei einem neutralen gelenkten Fahrzeug erreichen sowohl Vorder- als auch Hinterreifen gleichzeitig ihre Traktionsgrenze, und der Lenkwinkel, der zur Aufrechterhaltung einer konstanten Radiuskurve erforderlich ist, bleibt unabhängig von der Geschwindigkeit (innerhalb des linearen Betriebsbereichs) unverändert.

Der Lenkwinkel, der zur Beibehaltung einer Kurve mit einem beliebigen Radius erforderlich ist, wird als Ackermannwinkel bezeichnet, dessen Wert unabhängig von der Geschwindigkeit ist. Der Fahrer übt bei 10 km/h genau die gleiche Lenkwirkung aus wie bei 100 km/h. Dieses Verhalten wird als neutrales Lenken bezeichnet und definiert die Grenze zwischen Unter- und Übersteuern.

Der Understeer Gradient: Ein Schlüsselparameter

Definieren des Untersteuergradienten

Die Unterlenkneigung ist als Ableitung des mittleren Lenkwinkels der Vorderreifen in Bezug auf die dem Fahrzeug in seinem Schwerpunkt aufgetragene Querbeschleunigung definiert und dient als primäres quantitatives Maß zur Charakterisierung des stationären Kurvenverhaltens eines Fahrzeugs.

Das Fahrzeug lenkt, wenn die Unterlenkung positiv ist, übersteuert, wenn die Unterlenkung negativ ist, und neutral lenkt, wenn die Unterlenkung null ist. Die Unterlenkung wird typischerweise in Grad pro g Querbeschleunigung (deg/g) ausgedrückt, wodurch den Ingenieuren eine standardisierte Metrik zum Vergleich verschiedener Fahrzeugkonfigurationen zur Verfügung gestellt wird.

Mathematisches Fundament

Die Beziehung zwischen Lenkwinkel, Querbeschleunigung und Fahrzeuggeometrie kann durch eine grundlegende Gleichung ausgedrückt werden: Der durch die Querbeschleunigung erzielte Gewinn ist die Unterlenkneigung. Die Grundformel bezieht sich auf den Lenkwinkel (δ) auf den Radstand (L), den Kurvenradius (R), die Unterlenkneigung (K) und die Querbeschleunigung (ay):

δ = L/R + K × ay

Dabei steht der erste Term (L/R) für den Ackermann-Lenkwinkel - den bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten benötigten geometrischen Lenkwinkel - und der zweite Term für die zusätzliche Lenkung, die aufgrund von Reifenschlupfwinkeln bei höheren Querbeschleunigungen erforderlich ist.

Die Unterlenkneigung selbst kann aus Fahrzeug- und Reifenparametern berechnet werden. Eine detailliertere Formulierung berücksichtigt die Kurvensteifigkeit der Vorder- und Hinterreifen. Die Unterlenkneigung K kann wie folgt ausgedrückt werden:

K = (Wf/Cf) - (Wr/Cr)

Dabei sind Wf und Wr die Vorder- und Hinterachslasten und Cf und Cr die Steifigkeit der Vorder- und Hinterreifenkurven.

Interpretation der Gradientenwerte

Dieser Parameter bewertet die Tendenz des Fahrzeugs, bei einem stationären Kurvenmanöver untersteuern zu müssen (Fahrzeug erfordert höhere Lenkwinkel, um den gleichen Kurvenradius bei höheren Geschwindigkeiten beizubehalten) oder übersteuern zu müssen (Fahrzeug verlangt niedrigere Lenkwinkel, um den gleichen Kurvenradius bei höheren Geschwindigkeiten beizubehalten).

Das Vorzeichen und die Größe der Unterlenkneigung geben einen unmittelbaren Einblick in das Fahrzeugverhalten:

  • Positive K (K > 0): Das Auto soll untersteuern. Mit zunehmender Geschwindigkeit in einer konstanten Radiuskurve ist mehr Lenkeingabe erforderlich.
  • Negativ K (K < 0): Das Auto soll übersteuern. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird weniger Lenkeingabe benötigt, und das Fahrzeug kann über eine kritische Geschwindigkeit hinaus instabil werden.
  • Null K (K = 0): Das Fahrzeug wird als neutrales Lenkrad bezeichnet. Der Lenkwinkel bleibt unabhängig von der Geschwindigkeit im linearen Bereich konstant.

Reifeneckensteifigkeit: Die Grundlage der Handling-Analyse

Cornering Steifigkeit verstehen

Die Steifigkeit der Kurven ist definiert als die Rate der Zunahme der Seitenkraft in Bezug auf den Gleitwinkel. Mathematisch kann sie dargestellt werden als: C = dFy/dα, wobei C die Ecksteifigkeit, Fy die Seitenkraft und α der Gleitwinkel ist.

Die Kurvenkraft wird durch Reifenschlupf erzeugt und ist proportional zum Schräglaufwinkel bei niedrigen Schräglaufwinkeln. Wenn ein Reifen in einem Schräglaufwinkel arbeitet - dem Winkel zwischen der Richtung, in die der Reifen zeigt und der Richtung, in der er tatsächlich fährt - erzeugt er eine Seitenkraft. Bei kleinen Schräglaufwinkeln ist diese Beziehung ungefähr linear, und die Steigung dieser Beziehung ist die Kurvensteifigkeit.

Typische Ecksteifigkeitswerte

Ein typischer Wert für die Kurvensteifigkeit pro Grad des Schräglaufwinkels beträgt etwa 16-17% der Reifenlast. Dies ist eine nützliche Faustregel für erste Fahrzeugkonstruktionsberechnungen, beispielsweise würde ein Reifen, der 5000 N vertikale Last trägt, typischerweise eine Kurvensteifigkeit von etwa 800-850 N pro Grad des Schräglaufwinkels haben.

Die Steifigkeit der Kurvenfahrt ist jedoch nicht konstant - sie variiert mit mehreren Faktoren, einschließlich vertikaler Belastung, Reifendruck, Reifentemperatur und Reifenkonstruktion. Die Koeffizienten, die in diesen Ausdrücken erscheinen, sind Funktionen der vertikalen Belastung. Für kleine Variationen in Bezug auf den Durchschnittswert schreiben wir für die Kurvenfahrt und die Sturzkraftsteifigkeiten die linearisierten Ausdrücke.

Lastempfindlichkeit und seitliche Lastübertragung

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Reifenverhaltens besteht darin, dass die Steifigkeit der Kurvenfahrt nicht linear mit der Last zunimmt. Bei Fahrzeugkurven erfolgt eine seitliche Lastübertragung - Gewichtsverschiebungen von den Innenreifen zu den Außenreifen. Die Außenreifen nehmen vertikal zu, während die Innenreifen sie verlieren. Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Last und Kurvenfahrtsteifigkeit nimmt die von einer Achse erzeugte Gesamtkurvenfahrtkraft typischerweise mit zunehmender Lastübertragung ab.

Diese Lastempfindlichkeit ist ein Hauptgrund, warum das Federungsdesign einen so tiefgreifenden Einfluss auf das Fahrverhalten hat: Durch die Kontrolle, wie viel Last während der Kurvenfahrt auf jede Achse übertragen wird, können Ingenieure die Unter- und Übersteuerung des Fahrzeugs abstimmen.

Prüfmethoden zur Messung von Unter- und Übersteuern

Standardprüfverfahren

Diese Empfindlichkeit wird für eine ebene Straße für einen gegebenen stationären Betriebszustand durch die Society of Automotive Engineers (SAE) in Dokument J670 und durch die Internationale Organisation für Normung (ISO) in Dokument 8855 definiert. Diese Normen enthalten formale Verfahren zur Messung der Fahreigenschaften von Fahrzeugen in einer wiederholbaren und vergleichbaren Weise.

Zur Bestimmung der Unterlenkneigung können mehrere Prüfungen verwendet werden: konstanter Radius (wiederholte Prüfungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten), konstante Geschwindigkeit (wiederholte Prüfungen mit unterschiedlichen Lenkwinkeln) oder konstanter Lenker (wiederholte Prüfungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten); formale Beschreibungen dieser drei Arten von Prüfungen sind von der ISO-Norm vorgesehen.

Prüfmethode für den konstanten Radius

Eine der einfachsten Möglichkeiten, Unter- und Übersteuern zu messen, besteht darin, eine stationäre Kreisprüfung durchzuführen, bei der das Fahrzeug mit zunehmender Geschwindigkeit um einen festen Radiuskreis gefahren wird, bis es die Grenze seiner Querbeschleunigung erreicht, und die Unter- oder Überlenkgradienten werden dann als Änderung des Lenkradwinkels pro Einheit der Querbeschleunigung berechnet.

Bei dieser Prüfung wird das Fahrzeug mit zunehmend höheren Geschwindigkeiten um einen Kreis mit bekanntem Radius (normalerweise 30-100 Meter) gefahren. Bei jeder Geschwindigkeit werden der Lenkwinkel und die Querbeschleunigung aufgezeichnet. Die Unterlenkneigung wird dann aus der Steigung des Lenkwinkels gegenüber der Querbeschleunigung ermittelt.

Prüfmethode für konstante Drehzahl

Für unsere Zwecke führen wir einen Konstantgeschwindigkeitstest durch, bei dem das Fahrzeug auf einer konstanten Vorwärtsgeschwindigkeit gehalten wird und die Lenkung langsam bis zur vollen Blockierung hochgefahren wird. Dabei behält das Fahrzeug eine konstante Geschwindigkeit bei, während der Lenkwinkel allmählich erhöht wird, der resultierende Bahnradius abnimmt und die Querbeschleunigung zunimmt. Diese Methode ist besonders nützlich, um das Handling bei bestimmten Geschwindigkeiten zu bewerten.

Methode für die Prüfung mit konstantem Lenkverhalten

Bei der Konstantlenkmethode wird das Lenkrad bei erhöhter Fahrzeuggeschwindigkeit in einem festen Winkel gehalten, wobei sich bei einer gegebenen Lenkeingabe der Bahnradius des Fahrzeugs mit der Geschwindigkeit ändert und dabei Unter- oder Überlenkneigungen unmittelbar erkennbar sind.

Bedeutung der Prüfspezifikation

Die Ergebnisse hängen von der Art der Prüfung ab, so dass die Angabe eines Grad/g-Wertes nicht ausreicht; es ist auch erforderlich, die Art des Verfahrens zur Messung der Steigung anzugeben. Verschiedene Prüfverfahren können unterschiedliche numerische Werte für die Unterlenkneigung ergeben, selbst für dasselbe Fahrzeug. Daher ist eine vollständige Dokumentation der Prüfbedingungen für aussagekräftige Vergleiche unerlässlich.

Fahrzeuge sind von Natur aus nichtlineare Systeme, und es ist normal, dass K über den Prüfbereich variiert. Es ist möglich, dass ein Fahrzeug unter bestimmten Bedingungen untersteuert und unter anderen übersteuert wird. Daher müssen Geschwindigkeit und Querbeschleunigung bei der Meldung von Untersteuer-/Übersteuereigenschaften angegeben werden.

Das Fahrradmodell: Vereinfachung der Fahrzeugdynamik

Modellannahmen und Struktur

Ein weit verbreitetes vereinfachtes Modell zur Darstellung des Fahrzeugs für die Querdynamik ist das Fahrradmodell, bei dem sowohl Reifen der rechten als auch der linken Hand in einer Einheit zusammengefasst sind und angenommen wird, dass die Masse des Fahrzeugs entlang seiner Mittellinie verteilt ist.

Das Fahrradmodell macht mehrere wichtige Annahmen:

  • Links und rechts werden auf jeder Achse zu einem einzigen gleichwertigen Reifen kombiniert.
  • Das Fahrzeug arbeitet im linearen Bereich des Reifenverhaltens (kleine Schlupfwinkel)
  • Roll, Pitch und vertikale Bewegungen werden vernachlässigt
  • Das Fahrzeug fährt auf einer ebenen, ebenen Fläche
  • Längsgeschwindigkeit ist konstant

Trotz dieser Vereinfachungen liefert das Fahrradmodell hervorragende Vorhersagen zum stationären Fahrverhalten und wird sowohl in der akademischen Forschung als auch in der praktischen Fahrzeugentwicklung weit verbreitet eingesetzt.

Eckwerte im Fahrradmodell

Das Fahrradmodell erfordert mehrere grundlegende Parameter:

  • Radbasis (L): Der Abstand zwischen Vorder- und Hinterachsen
  • Achsabstand (a): Abstand vom Schwerpunkt zur Vorderachse
  • Hinterachsabstand (b): Abstand vom Schwerpunkt zur Hinterachse
  • Fahrzeugmasse (m): Gesamtmasse des Fahrzeugs
  • Front Corning Steifigkeit (Cf): Kombinierte Kurvensteifigkeit beider Vorderreifen
  • Hintere Kurvensteifigkeit (Cr): Kombinierte Kurvensteifigkeit beider Hinterreifen

Diese Parameter ermöglichen es Ingenieuren, das Fahrzeugverhalten vorherzusagen und den Untersteuerungsgradienten analytisch zu berechnen, bevor physikalische Prototypen gebaut werden.

Berechnung von Untersteuerungsgrenzen: Detaillierte Methodik

Schritt 1: Fahrzeugparameter bestimmen

Der erste Schritt bei der Berechnung der Untersteuerungsgrenzen besteht in der Erfassung genauer Fahrzeugdaten, darunter:

  • Messung des Radstands und der Lage des Schwerpunkts
  • Bestimmung der statischen Gewichtsverteilung (Last der Vorderachse und der Hinterachse)
  • Erhalt von Daten über die Steifigkeit der Reifenkurven von Reifenherstellern oder Tests
  • Dokumentation der Aufhängegeometrie und der Walzensteifigkeitsverteilung

Für die Schwerpunktlage sind sowohl Längs- als auch Vertikalpositionen wichtig, wobei die Längslage die statische Gewichtsverteilung bestimmt, während die Vertikalposition die Lastübertragung bei Kurvenfahrten beeinflusst.

Schritt 2: Berechnen Sie die effektive Ecksteifigkeit

Wir werden zunächst die effektive Steifigkeit der Achskurven ableiten, die unter diesen Bedingungen verwendet werden kann. die Auswirkungen der Lastübertragung, des Körperrollens, der Lenkeinhaltung, des Seitenkraftlenkens und der anfänglichen Sturz- und Zehenwinkel werden in den ultimativen Ausdruck für die effektive Steifigkeit der Achskurven einbezogen.

Die effektive Kurvensteifigkeit ist für verschiedene reale Effekte verantwortlich, die über die grundlegenden Reifeneigenschaften hinausgehen. Die seitliche Lastübertragung während der Kurvenfahrt verändert die vertikalen Belastungen einzelner Reifen, was sich wiederum auf ihre Kurvensteifigkeit auswirkt.

Für eine vereinfachte Analyse können die grundlegenden Werte der Kurvensteifigkeit direkt verwendet werden, für genauere Vorhersagen müssen die Ingenieure jedoch Lastübertragungseffekte anhand der Lastempfindlichkeitseigenschaften des Reifens berücksichtigen.

Schritt 3: Wenden Sie die Understeer Gradient Formula an

Mit den Fahrzeugparametern und Reifendaten in der Hand kann die Unterlenkneigung berechnet werden.

K = (m/L2) × [(b/Cr) - (a/Cf)]

Wobei:

  • m = Fahrzeugmasse
  • L = Radstand (a + b)
  • a = Abstand von Vorderachse zu Schwerpunkt
  • b = Abstand von der Hinterachse zum Schwerpunkt
  • Cf = Steifigkeit der Vorderachse bei Kurvenfahrt
  • Cr = Steifigkeit der Hinterachsenkurven

Diese Formel bezieht die physikalischen Eigenschaften des Fahrzeugs direkt auf sein Fahrverhalten, ein positives Ergebnis zeigt Untersteuern, ein negatives Übersteuern und Nullen neutrales Lenken an.

Schritt 4: Laterale Beschleunigungsgrenzen bestimmen

Die maximale Querbeschleunigung, die ein Fahrzeug aushalten kann, ist durch Reifenreibung begrenzt.

Fy,insgesamt = m × ay,max

Bei einem untersteuernden Fahrzeug erreichen die Vorderreifen zuerst ihren Grenzwert, die maximale Querbeschleunigung tritt dann ein, wenn die Vorderreifenschlupfwinkel die Spitze der Reifenschlupfwinkelkurve erreichen, und danach sättigen die Vorderreifen und können unabhängig von Lenkeingaben keine zusätzliche Querkraft erzeugen.

Bei einem übersteuernden Fahrzeug sättigen die Hinterreifen zuerst, was zu dynamischer Instabilität führt, so dass das Fahrzeug beim Ausschwenken des hinteren Endes schwer oder unmöglich zu steuern ist.

Schritt 5: Berechnen der kritischen Geschwindigkeit (für Übersteuerungsfahrzeuge)

Die Steigung des Untersteuerns ist eine der Hauptmaßnahmen zur Charakterisierung des Kurvenverhaltens im stationären Zustand, sie ist an anderen Eigenschaften beteiligt, wie z. B. der charakteristischen Geschwindigkeit (die Geschwindigkeit für ein untersteuerndes Fahrzeug, bei dem der Lenkwinkel für das Ausfahren einer Kurve doppelt so hoch ist wie der Ackermann-Winkel), der seitlichen Beschleunigungszunahme (g/deg), der Giergeschwindigkeitszunahme (1/s) und der kritischen Geschwindigkeit (die Geschwindigkeit, bei der ein übersteuerndes Fahrzeug unendliche seitliche Beschleunigungszunahme aufweist).

Bei Fahrzeugen mit Überlenkcharakteristik (negativ K) liegt eine kritische Geschwindigkeit vor, ab der das Fahrzeug instabil wird, bei der der Nenner in der Lenkungsgleichung gegen Null geht und das Fahrzeug eine unendliche Verstärkung aufweist - d.h. kleine Lenkeingaben erzeugen sehr große Reaktionen -, die eine absolute Grenze für den sicheren Betrieb eines übersteuernden Fahrzeugs darstellt.

Neutral Steer Point und Statische Marge

Den neutralen Steer Point verstehen

Der neutrale Lenkpunkt ist der Punkt, an dem eine externe Querkraft keine stationäre Giergeschwindigkeit erzeugt. Dieses Konzept bietet eine weitere Möglichkeit, die Fahreigenschaften des Fahrzeugs zu verstehen und zu quantifizieren. Der neutrale Lenkpunkt (NSP) ist eine Stelle entlang der Längsachse des Fahrzeugs, an der eine Querkraft aufgebracht werden kann, ohne dass das Fahrzeug zum Gieren gebracht wird.

In der Regel Pkw, Reifen der gleichen Größe werden oft für die vier Räder ausgewählt, und die NSP befindet sich in der Nähe des Mittelpunkts des Radstandes auf der X-Achse.Und die Lenkeigenschaften werden durch die Lagebeziehung zwischen diesem NSP und dem Schwerpunkt (CG) bestimmt.

Definition des statischen Einschusses

Der statische Abstand quantifiziert die Beziehung zwischen dem Schwerpunkt und dem neutralen Lenkpunkt. Befindet sich der neutrale Lenkpunkt hinter der Zugrichtung, ist der statische Abstand positiv und das Fahrzeug hat Fahrkurveneigenschaften. Umgekehrt ist der neutrale Lenkpunkt vor der Zugrichtung negativ und das Fahrzeug hat Fahrkurveneigenschaften. Ein neutraler Lenkpunkt an der Zugrichtung erzeugt einen Null-Stellbereich und ein neutrales Kurvenverhalten.

Bei typischen Fahrzeugen liegt der statische Abstand zwischen +0,03 und +0,07. Dieser positive statische Abstand bietet eine inhärente Stabilität, die das Fahrzeug unter normalen Bedingungen einfacher und sicherer macht.

Faktoren, die das Unter- und Übersteuern des Gleichgewichts beeinflussen

Gewichtsverteilung

Die Gewichtsverteilung wirkt sich auf die Normalkraft jedes Reifens und damit auf dessen Griffigkeit aus, wobei die Längslage des Schwerpunkts die statischen Belastungen der Vorder- und Hinterachse direkt beeinflusst, wobei ein Schwerpunkt die Vorderachsenlast erhöht und typischerweise das Untersteuern erhöht, während ein Schwerpunkt nach hinten den gegenteiligen Effekt hat.

Wird der Schwerpunkt nach vorne bewegt, so nimmt die Unterlenkneigung aufgrund der Reifenlastempfindlichkeit zu, während bei Rückwärtsbewegung der Schwerpunkt zur Abnahme neigt, was nicht nur auf die Änderung der statischen Belastungen zurückzuführen ist, sondern auch auf den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Reifenlast und Kurvensteifigkeit.

Aufhängungsgeometrie und Rollsteifigkeit

Während Gewichtsverteilung und Aufhängungsgeometrie den größten Einfluss auf das gemessene Unterlenkgefälle in einem stationären Test haben, werden Leistungsverteilung, Bremsvorspannung und Gewichtsübertragung von vorne nach hinten auch beeinflussen, welche Räder in vielen realen Szenarien zuerst die Traktion verlieren.

Die Verteilung der Rollsteifigkeit zwischen Vorder- und Hinterachse wirkt sich erheblich auf die Handlingbalance aus, wobei die zunehmende Rollsteifigkeit gegenüber dem Hinterrad die seitliche Lastübertragung an der Vorderachse erhöht, was typischerweise das Untersteuern erhöht, und ebenso die zunehmende Rollsteifigkeit tendenziell das Übersteuern erhöht.

Zur Einstellung dieses Gleichgewichts werden üblicherweise Überrollschutzbügel (auch Wankstangen oder Stabilisatorstäbe genannt) verwendet, die durch eine Änderung der Steifigkeit des vorderen oder hinteren Überrollschutzbügels die Fahreigenschaften des Fahrzeugs ohne größere strukturelle Veränderungen verfeinern können.

Reifenauswahl und Druck

Die Reifeneigenschaften haben einen großen Einfluss auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs. Unterschiedliche Reifenkonstruktionen, Reifenmischungen und -konstruktionen weisen unterschiedliche Ecksteifigkeitswerte und Belastungsempfindlichkeit auf. Durch die Auswahl von Reifen mit unterschiedlichen Eigenschaften für die Vorder- und Hinterachse können Ingenieure die Unter- und Übersteuerungsbalance einstellen.

Der Reifendruck wirkt sich auch auf die Steifigkeit der Kurvenfahrt aus. Höhere Drücke erhöhen im Allgemeinen die Steifigkeit der Kurvenfahrt, während niedrigere Drücke sie verringern. Die Einstellung der Druckdifferenz zwischen Vorder- und Hinterreifen stellt eine einfache Methode zur Abstimmung des Fahrverhaltens dar, obwohl dies innerhalb des vom Reifenhersteller empfohlenen Bereichs erfolgen muss.

Dynamische Lastübertragung

Die Verschiebung des Schwerpunkts ist proportional zur Beschleunigung und wird durch die Höhe des Schwerpunkts beeinflusst. Beim Bremsen wird mehr Gewicht (Last) des Fahrzeugs auf die Vorderreifen und weniger auf die Hinterreifen aufgebracht.

Während der Bremsung erhöht die Vorwärtslast die Griffigkeit der Vorderreifen, während die Hinterreifengriffigkeit verringert wird, was zu einem Übersteuern führen kann. Während der Beschleunigung tritt das Gegenteil ein - bei Fahrzeugen mit Vorderradantrieb kann die Rückwärtslast bei Fahrzeugen mit Hinterradantrieb zu Untersteuern oder bei Fahrzeugen mit Hinterradantrieb zu Übersteuern führen. Die Höhe des Schwerpunkts verstärkt diese Effekte; bei einem höheren Schwerpunkt wird bei gegebener Beschleunigung mehr Lastübertragung erzeugt.

Das Understeer Budget

Manchmal bezeichnen Fahrzeugdynamiker das "Untersteuerbudget", d. h. die Summe aller Beiträge mit einem für jeden berechneten Betrag, der dann mit dem gemessenen Betrag verglichen werden kann, um eine sichere und analytische Messung der Leistung zu ermöglichen.

Viele Eigenschaften des Fahrzeugs beeinflussen die Unterlenkneigung, wie z. B. Steifigkeit der Reifenkurven, Sturzschub, Nachgiebigkeit der Seitenkraft, selbstjustierendes Drehmoment, seitliche Gewichtsübertragung und Nachgiebigkeit im Lenksystem.

Der untersteuernde Budgetansatz unterteilt die gesamte Untersteuerungsneigung in einzelne Beiträge von jedem System und jeder Komponente. Auf diese Weise können Ingenieure ermitteln, welche Faktoren den größten Einfluss haben und wo Designänderungen am effektivsten sind.

Praktische Tests und Datenerfassung

Geräteanforderungen

Am Fahrzeug braucht man nur die Querbeschleunigung im Schwerpunkt (oder gegebenenfalls aus Beschleunigungsmessern an jeder Achse) und den gelenkten Winkel zu messen, danach muss der Eckradius bekannt sein, und es ist einfach, einer bekannten Kreisbahn zu folgen.

Moderne Fahrzeugtests verwenden typischerweise ausgeklügelte Datenerfassungssysteme, die mehrere Kanäle gleichzeitig aufzeichnen:

  • Lenkwinkelsensor: misst den Lenkradwinkel oder den Straßenradwinkel
  • Lateraler Beschleunigungsmesser: misst die Querbeschleunigung im Schwerpunkt des Fahrzeugs
  • Gyaw Rate Sensor: misst die Rotationsgeschwindigkeit des Fahrzeugs um seine vertikale Achse
  • Geschwindigkeitssensoren: Spurgeschwindigkeit des Fahrzeugs
  • GPS-Systeme: Geben Sie Positionsdaten und können den Bahnradius berechnen

Prüfungsausführungsüberlegungen

Aus Sicherheitsgründen wird eine Prüfgeschwindigkeit von 30 km/h gewählt, die im Vergleich zu den meisten Fahrmanövern relativ gering ist; bei einer Prüfung mit niedriger Geschwindigkeit ist jedoch die Wahrscheinlichkeit eines Kontrollverlustes geringer. Sicherheit muss bei der Durchführung von Fahrdynamikprüfungen immer im Vordergrund stehen.

Das Fahrzeug wird dann mit konstanter Geschwindigkeit um den bekannten Radiuskreis gefahren und Daten aufgezeichnet, was zur Parametrierung des Effekts üblicherweise für einen Bereich von Geschwindigkeiten und Eckradien erfolgt und ein Kennfeld des Untersteuerns erhält.

Professionelle Testprotokolle umfassen typischerweise:

  • Mehrfache Wiederholungen jeder Testbedingung, um Wiederholbarkeit zu gewährleisten
  • Testen in Links- und Rechtsabbiegerichtungen zur Identifizierung von Asymmetrien
  • Kontrollierte Umweltbedingungen (Trockenbelag, konstante Temperatur)
  • Warmlaufverfahren, um Reifen auf Betriebstemperatur zu bringen
  • Systematische Variation der Prüfparameter (Geschwindigkeit, Radius, Lenkgeschwindigkeit)

Datenanalyse und Validierung

Wenn gute Daten aufgezeichnet werden, kann der Vergleich des realen Autos mit Computersimulationen stattfinden, und es kann ein rationaler Vergleich der Messdaten beginnen, es ist natürlich möglich, ein Fahrzeug zu testen und aus Erfahrung eine qualitative Beschreibung zu erhalten, aber bis zum Vergleich von numerischen Daten und Simulation ist alles ziemlich subjektiv und es fehlt an Strenge.

Die moderne Fahrzeugentwicklung setzt in hohem Maße auf die Integration von Test und Simulation. Physikalische Testdaten validieren Simulationsmodelle, während Simulationen dazu beitragen, Testergebnisse zu interpretieren und das Verhalten unter Bedingungen vorherzusagen, die physisch schwer oder gefährlich zu testen sind.

Fortgeschrittene Überlegungen und nichtlineare Effekte

Limit Behavior vs. Linear Understeer / Oversteer

Es ist sehr darauf zu achten, daß das Unter-/Übersteuerverhalten nicht mit dem Grenzverhalten eines Fahrzeuges verwechselt wird. Die Physik ist sehr unterschiedlich, sie haben unterschiedliche Handhabungsimplikationen und unterschiedliche Ursachen. Erstere betrifft Reifenverzugseffekte durch Schlupf- und Sturzwinkel bei zunehmender Querbeschleunigung, letztere betrifft den Grenzreibungsfall, bei dem entweder die Vorder- oder Hinterräder zuerst gesättigt werden.

Die lineare Unterlenkung beschreibt das Fahrzeugverhalten bei mäßigen Querbeschleunigungen, bei denen Reifen in ihrem linearen Bereich arbeiten, wobei am Grenzbereich, wenn Reifen sich ihrem maximalen Reibungsvermögen nähern oder dieses überschreiten, das Fahrzeugverhalten stark nichtlinear wird und die lineare Unterlenkung das Ansprechen nicht mehr genau vorhersagt.

Transient Response und Yaw Dynamics

Während stationäre Tests wichtige Handhabungseigenschaften zeigen, beinhaltet das Fahren in der realen Welt konstante Transienten - Änderungen der Geschwindigkeit, des Lenkwinkels und der Straßenverhältnisse. Das transiente Verhalten des Fahrzeugs hängt von zusätzlichen Faktoren ab, einschließlich des Giermoments der Trägheit, der Federungsdämpfung und der Länge der Reifenentspannung.

Die Untersuchung der Gierrate bei einem periodischen Lenker ist bei der Untersuchung der fahrzeugeigenen dynamischen Eigenschaften sehr häufig. Bei kleiner Lenkerfrequenz ist die Gierrate bei einer Lenkerverstärkung nahezu konstant. Mit zunehmender Lenkerfrequenz erreicht die US-Fahrzeugverstärkung bei einer bestimmten Frequenz einen Spitzenwert und nimmt dann ab. Bei OS- und NS-Fahrzeugen gibt es keinen Spitzenwert, und ihre Verstärkung nimmt mit der Lenkerfrequenz ab.

Auswirkungen auf Umwelt- und Betriebsbedingungen

Im realen Fahrbetrieb gibt es kontinuierliche Änderungen in Geschwindigkeit, Beschleunigung (Fahrzeugbremsung oder -beschleunigung), Lenkwinkel usw. Diese Änderungen verändern ständig die Lastverteilung des Fahrzeugs, was zusammen mit Änderungen der Reifentemperaturen und der Straßenbeschaffenheit die maximale Zugkraft ändert, die an jedem Reifen verfügbar ist.

Faktoren, die die reale Handhabung beeinflussen, sind:

  • Bedingungen der Fahrbahnoberfläche (nass, eisig, rauer Fahrbahnbelag)
  • Reifentemperatur und Verschleißzustand
  • Fahrzeugbeladung (Verteilung von Personen und Fracht)
  • Aerodynamische Kräfte bei hohen Geschwindigkeiten
  • Brems- und Drosseleingänge während der Kurvenfahrt

Strategien zur Designoptimierung

Merkmale der Zielbehandlung

Verschiedene Fahrzeugtypen und Anwendungen erfordern unterschiedliche Fahreigenschaften. Die meisten Personenkraftwagen sind mit einem leichten Untersteuern für Stabilität und Sicherheit ausgestattet. Wenn das Fahrzeug in eine Kurve einfährt, benötigen wir auch ein leichtes Untersteuern, um die Stabilität zu gewährleisten, während der Fahrer die Bremsen abbremst und Kurvenkraft aufbaut. In der mittleren Kurve brauchen wir neutrales Lenken. In der Ausstiegsphase wird ein leichtes Übersteuern begrüßt, da es hilft, den Weg zu verengen.

Sportwagen und Performance-Fahrzeuge können näher am neutralen Lenker oder mit milden Übersteuerungseigenschaften ausgelegt werden, um ein reaktionsschnelleres Handling zu ermöglichen, dies erfordert jedoch mehr erfahrene Fahrer und ausgeklügelte Stabilitätskontrollsysteme, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Iterativer Designprozess

Die Optimierung des Fahrzeughandlings folgt typischerweise einem iterativen Prozess:

  1. Erstdesign: Berechnen Sie den vorhergesagten Untersteuergradienten basierend auf der Zielgewichtsverteilung, dem Aufhängungsdesign und der Reifenauswahl
  2. Simulation: Verwenden Sie Fahrzeugdynamik-Software, um das Fahrverhalten unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen.
  3. Prototyp-Tests: Bauen Sie physische Prototypen und führen Sie standardisierte Handhabungstests durch
  4. Analyse: Vergleichen Sie gemessene Daten mit Vorhersagen und identifizieren Sie Diskrepanzen
  5. Refinement: Passen Sie die Einstellung der Aufhängung, die Reifenauswahl oder andere Parameter an, um die Zieleigenschaften zu erreichen
  6. Validierung: Bestätigen Sie, dass Änderungen gewünschte Verbesserungen ohne negative Nebenwirkungen bewirken

Abstimmmethoden

Ingenieure haben mehrere Werkzeuge zur Verfügung, um Untersteuerung / Übersteuerung Gleichgewicht einzustellen:

  • Anti-Roll-Bar-Steifigkeit: Schnelle und reversible Änderungen an der Verteilung der Rollsteifigkeit
  • Frühlingsraten: beeinflussen sowohl die Fahrqualität als auch die Fahrbalance
  • Reifenauswahl: Verschiedene Reifenmodelle oder -größen von vorne nach hinten
  • Reifendruck: Feinabstimmung innerhalb der Herstellerspezifikationen
  • Ausrichtungseinstellungen: Zehen-, Sturz- und Rollenanpassungen
  • Dampfer-Tuning: beeinflusst transientes Ansprechen und Lastübertragungsraten

Simulationstools und Software

Simulationsplattformen für Fahrzeugdynamik

Ein vierter Weg, Unter- und Übersteuern zu messen, besteht darin, Software-Simulationstools zu verwenden, mit denen die Fahrzeugdynamik und die Interaktion zwischen Reifen und Straße modelliert werden können, mit denen verschiedene Szenarien des Grenzhandlings simuliert und numerische und grafische Ausgaben der Reaktion des Fahrzeugs auf verschiedene Lenkeingaben geliefert werden können.

Zu den gängigen Simulationsplattformen, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden, gehören:

  • CarSim: Weit verbreitet für die Simulation von Fahrdynamiken mit validierten Reifenmodellen
  • MATLAB/Simulink: Flexible Plattform für individuelle Fahrdynamikmodelle
  • Adams Car: Multibody Dynamics Software für detaillierte Suspensionsanalyse
  • IPG CarMaker: Komplette Fahrzeugsimulationsumgebung

Diese Tools ermöglichen es Ingenieuren, eine Vielzahl von Designvariationen und Betriebsbedingungen zu erkunden, ohne Zeit und Kosten für die Erstellung physischer Prototypen für jede Iteration.

Modellvalidierung

Simulationsmodelle müssen mit physikalischen Testdaten validiert werden, um Genauigkeit zu gewährleisten. Da es sehr wichtig ist, die Ergebnisse experimenteller Tests zu validieren, wurde die Fahrdynamik-Software CarSim verwendet, um diese Tests zu simulieren. Ein Fahrzeugmodell für den Ford Expedition 2003 wurde in CarSim gebaut und mit bestimmten quasistatischen und dynamischen Manövern validiert. Dieses Modell wurde für die Simulation von Untersteuerungsgefälletests in CarSim verwendet. Dieses Modell wurde ausgewählt, da die Expedition in die gleiche Klasse von Fahrzeugen fällt wie das Outback und ein gut validiertes Fahrzeugmodell gibt uns Vertrauen in die Simulationsergebnisse.

Der Validierungsprozess beinhaltet in der Regel den Vergleich simulierter und gemessener Reaktionen für Standardmanöver, dann die Anpassung von Modellparametern, um Diskrepanzen zu minimieren. Sobald validiert, kann das Modell mit Sicherheit verwendet werden, um das Verhalten unter Bedingungen vorherzusagen, die nicht physisch getestet wurden.

Sicherheitsauswirkungen und Stabilitätskontrolle

Inhärente Stabilitätsüberlegungen

Das Fahrzeug kann zwar die Querbeschleunigung nicht erhöhen, ist aber dynamisch stabil. Diese Aussage bezieht sich auf untersteuernde Fahrzeuge am Limit. Die inhärente Stabilität des Untersteuerns ist der Grund, warum die meisten Personenfahrzeuge mit dieser Eigenschaft ausgelegt sind - wenn der durchschnittliche Fahrer die Grenzen des Fahrzeugs überschreitet, bietet das Untersteuern ein vorhersehbareres und überschaubareres Verhalten als das Übersteuern.

Dagegen ist es in der Gierebene nicht stabil, wenn es übersteuert und über die kritische Geschwindigkeit gefahren wird, Übersteuernde Fahrzeuge erfordern mehr Geschicklichkeit zu steuern, insbesondere am Limit, und können instabil werden, wenn sie über ihre kritische Geschwindigkeit gefahren werden.

Elektronische Fahrdynamik-Regelsysteme

Moderne Fahrzeuge verwenden elektronische Stabilitätsregelungssysteme (ESC), die das Fahrzeugverhalten in Echtzeit verändern können. Diese Systeme verwenden Sensoren zur Überwachung von Lenkwinkeln, Gierrate, Querbeschleunigung und individuellen Radgeschwindigkeiten. Wenn das System erkennt, dass das Fahrzeug nicht wie vorgesehen auf die Lenkeingabe des Fahrers reagiert, kann es einzelne Radbremsen anwenden, um korrigierende Giermomente zu erzeugen.

ESC-Systeme haben die Fahrzeugsicherheit insbesondere bei Notfahrmanövern und widrigen Bedingungen dramatisch verbessert, aber die grundlegenden Unter-/Übersteuereigenschaften des Fahrzeugs bestimmen immer noch sein Grundverhalten und wie viel Eingriff das Stabilitätsregelsystem leisten muss.

Fallstudien und Real-World-Anwendungen

Fahrzeugkonstruktion

Typische Personenkraftwagen sind mit Unterlenkgradienten im Bereich von 2-6 Grad/g ausgelegt. Dies ermöglicht ein stabiles, vorhersehbares und für Fahrer mit unterschiedlichen Fähigkeiten geeignetes Handling. Das Untersteuern steigt mit der Querbeschleunigung an und ist eine natürliche Warnung, wenn sich das Fahrzeug seinen Grenzen nähert - der Fahrer muss schrittweise mehr Lenkung anwenden, um die Kurve zu halten.

Sportwagen-Tuning

Hochleistungssportwagen sind oft mit geringeren Unterlenkgradienten ausgelegt, die sich manchmal dem neutralen Lenker nähern. Dies bietet ein reaktionsschnelleres Handling und ermöglicht es qualifizierten Fahrern, Techniken wie die Spurbremsung zu verwenden, um das Fahrzeug in Kurven zu drehen. Diese Fahrzeuge erfordern jedoch mehr Fahrergeschick und umfassen typischerweise ausgeklügelte Stabilitätskontrollsysteme als Sicherheitsnetz.

Überlegungen zu Nutzfahrzeugen

Trucks and commercial vehicles present unique challenges due to their variable loading conditions. The understeer/oversteer balance can change significantly depending on cargo weight and distribution. The articulated vehicle is understeer if Ku is positive, neutral steer if it is equal to zero, and oversteer if it is negative. It is not stable in the yaw plane if it is oversteer and driven above the critical speed.

Gelenkfahrzeuge (Anhänger) müssen besondere Beachtung finden, da die Dynamik des Anhängers mit den Fahreigenschaften der Zugmaschine zusammenhängt.

Aktive Suspensionssysteme

Fortgeschrittene aktive Federungssysteme können Dämpfungsraten, Federsteifigkeit und sogar Fahrhöhe in Echtzeit basierend auf Fahrbedingungen einstellen Diese Systeme können die Untersteuer-/Übersteuerbalance dynamisch optimieren und bieten ein stabiles Untersteuern für normales Fahren, während sie neutralere oder sogar übersteuernde Eigenschaften während des besessenen Fahrens auf einer Rennstrecke ermöglichen.

Drehmomentvektor

Durch die Verwendung von mehr Drehmoment auf das außenliegende Hinterrad während der Kurvenfahrt kann das System beispielsweise das Untersteuern reduzieren oder ein kontrolliertes Übersteuern veranlassen, um das Fahrzeug zu drehen.

Hinterradlenkung

Allradlenksysteme können die Hinterräder zusätzlich zu den Vorderrädern steuern. Bei niedrigen Geschwindigkeiten verringert die Lenkung der Hinterräder gegenüber den Vorderrädern den Wenderadius. Bei hohen Geschwindigkeiten kann die Lenkung der Hinterräder in die gleiche Richtung wie die Vorderräder die Stabilität verbessern und den erforderlichen Lenkaufwand reduzieren. Diese Technologie bietet ein weiteres Werkzeug zur Optimierung des Fahrzeughandlings in einem breiten Bereich von Bedingungen.

Auswirkungen autonomer Fahrzeuge

Mit zunehmender Autonomie der Fahrzeuge können sich die traditionellen Überlegungen zu Unter- und Übersteuern weiterentwickeln. Autonome Systeme können präzise Steuereingaben viel schneller ausführen als menschliche Fahrer, was es den Fahrzeugen ermöglichen könnte, näher am neutralen Lenker oder sogar mit leichtem Übersteuern zu arbeiten, während die Sicherheit durch schnelle, präzise Korrekturen erhalten bleibt.

Schlussfolgerung

Die Berechnung und das Verständnis von Unter- und Übersteuerungsgrenzen sind für die Fahrzeugkonstruktion und -entwicklung von grundlegender Bedeutung. Das Untersteuergefälle stellt ein quantitatives Maß für die Fahreigenschaften des Fahrzeugs dar, das anhand grundlegender Fahrzeugparameter berechnet und durch standardisierte Prüfverfahren validiert werden kann.

Ingenieure müssen mehrere Faktoren bei der Optimierung des Handling-Balance berücksichtigen, einschließlich Gewichtsverteilung, Reifeneigenschaften, Aufhängungsgeometrie und Rollsteifigkeitsverteilung. Das Fahrradmodell bietet ein leistungsstarkes Analysewerkzeug zur Vorhersage des Fahrzeugverhaltens, während physikalische Tests und Simulationen Designs validieren und die reale Leistung zeigen.

Moderne Fahrzeuge profitieren von ausgeklügelten elektronischen Stabilitätskontrollsystemen, aber die grundlegenden Unter- und Übersteuerungseigenschaften bleiben für die Fahrzeugsicherheit und -leistung von entscheidender Bedeutung. Durch sorgfältige Berechnung und Abstimmung dieser Eigenschaften schaffen Ingenieure Fahrzeuge, die stabil, vorhersehbar und für den vorgesehenen Einsatz geeignet sind - sei es eine Familienlimousine, die für maximale Sicherheit konzipiert wurde, oder ein Sportwagen, der für die Streckenleistung optimiert ist.

Da sich die Automobiltechnologie mit aktiven Federungssystemen, Drehmomentvektoren und autonomen Fahrfähigkeiten weiterentwickelt, werden die Prinzipien des Unter- und Übersteuerns weiterhin die Grundlage für das Verständnis und die Optimierung der Fahrzeugdynamik bilden.

Für weitere Informationen über die Fahrdynamik und die Handhabungsanalyse stellt die Society of Automotive Engineers (SAE) umfangreiche technische Ressourcen unter https://www.sae.org zur Verfügung, während detaillierte Prüfnormen bei der Internationalen Organisation für Normung (ISO) unter https://www.iso.org zu finden sind.