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Fahrzeugtechnik

Anforderungsprofil

Das Feder- und Dämpfungssystem eines Fahrzeug sorgt zusammen mit der verhältnismäßig geringen Reifendämpfung für eine Erhöhung des Fahrkomforts. Zudem gewährleistet das Feder- und Dämpfungssystem eine verbesserte Fahrsicherheit, Fahrzeugschonung und Schonung der Straßen. 

Federcharakteristik

Damit du dir das Feder- und Dämpfungssystem und die Federcharakteristik besser vorstellen kannst, gehen wir nun auf dessen konstruktive Ausführung ein. In der nächsten Abbildung siehst du ein Fahrzeugersatzmodell, in welchem die Federungen und Dämpfungen schematisch dargestellt sind:

Fahrzeugersatzmodell
Fahrzeugersatzmodell

 

  • Der Fahrzeugaufbau stützt sich über Federn an den Radführungen ab.
  • Parallel zu den Federn angeordnete Dämpfer reduzieren Aufbauschwingungen.
  • Über den elastischen Reifen stützt sich die Radführung auf der Fahrbahn ab. 

Viertel-Fahrzeug-Modell

Um die Hubschwingungen des Aufbaus besser verstehen zu können, brechen wir das gesamte Fahrzeug auf ein Rad und den entsprechenden Anteil des Fahrzeugaufbaus herunter. Unter Berücksichtigung der federnden und dämpfenden Eigenschaften des elastischen Luftreifens ergibt sich nachfolgendes Ersatzmodell, welches auch als Viertel-Fahrzeug-Modell bezeichnet wird:

Viertel-Fahrzeug-Modell
Viertel-Fahrzeug-Modell

 

Die Federsteifigkeit des Reifens ist im Vergleich zur Aufbaufedersteifigkeit sehr hoch. 

Beispiel

Wenn man in den Kofferraum seines Fahrzeugs einen schweren Gegenstand verlädt, so kann man ein merkbares Einfedern des Fahrzeugs wahrnehmen. Die Einfederung des Reifens hingegen ist nur unter Versuchsbedingungen beobachtbar. 

Aus diesem Grund nehmen wir in unserem Ersatzmodell den elastischen Reifen als starres Rad an. Dieses Modell bezeichnet man als Ein-Massen-Schwinger. 

Merke

Die Einbaulage der Feder bewirkt, dass der Radeinfederweg relativ zur Karosserie und der Weg an der Feder nicht deckungsgleich sind. Daraus lässt sich schließen, dass die Federsteifigkeit am Rad nicht mit der Federsteifigkeit der eingebauten Federn übereinstimmt. 

Die Eigenfrequenz des Aufbaus kann sich näherungsweise mit dieser Gleichung berechnen:

Methode

Eigenfrequenz: $ f_A \approx \frac{1}{2 \cdot \pi} \sqrt{\frac{c_z}{m_z}} $ 

$ c_z = $ Federsteifigkeit der Aufbaufeder, bezogen aus den Radfederweg

$ m_z = $ anteilige Aufbaumasse

Aufbaueigenfrequenz

Um das Fahrzeug und die darin befindlichen Personen zu schonen, stellt sich an dieser Stelle die Frage nach der Wahl der richtigen Aufbaueigenfrequenz. 

Im Fahrbetrieb ist das Feder- und Dämpfungsystem schwankenden Beanspruchungen ausgesetzt. Verursacht werden diese Schwankungen durch

  • Fahrbahnunebenheiten
  • unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten

Um bei Anregungen im Bereich der Eigenfrequenz die Schwingungsamplitude zu begrenzen, empfiehlt es sich einen Dämpfer einzusetzen.

Weil die Amplituden im Bereich der Eigenfrequenz am höchsten sind, gilt es die Eigenfrequenz so zu wählen, dass sie von den Personen im Fahrzeug nur minimal wahrgenommen werden.  Am stärksten wahrgenommen werden dabei Schwingungen mit Eigenfrequenzen von 4-8 Hz. Dies entspricht der Eigenfrequenz des Magens eines menschlichen Körpers. Liegt die Frequenz oberhalb oder unterhalb dieses Wertes so, wird ist die Wahrnehmung deutlich geringer.  

Betrachten wir die obige Gleichung, so sollte $ c_z $ mininal, also die Federung möglichst weich sein.

Merke

Optimale Werte zur Aufbaueigenfrequenz variieren zwischen $ 1,0 $ und  $ 1,5 Hz $ . Frequenzen mit Werten, die darunter liegen, können vom menschlichen Körper nur eingeschränkt wahrgenommen werden und der Körper kann sich darauf nicht einstellen $\rightarrow $ Gefühl von Übelkeit.  

Um eine konstante Eigenfrequenz zu erhalten, muss die Federsteifigkeit mit dem Einfederweg proportional zu $ m_z $ zunehmen. 

Fahrer - Sitz - System

Das Fahrer - Sitz - System, wenn es richtig ausgelegt ist, führt zu einer Steigerung des Fahrkomforts. Die optimale Eigenfrequenz liegt zwischen $ 2 - 4 Hz $. 

Dies reduziert die wahrgenommenen Amplituden bei Schwingungen im Bereich der Aufbaueigenfreuquenz durch die Fahrzeuginsassen. Amplituden, die im Bereich der Eigenfrequenz des menschlichen Magens liegen, können vermieden werden.