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Fahrzeugtechnik

Federungswiderstand

In der Realität sind Fahrbahnen nicht eben, sondern mit Unebenheiten durchzogen.

Bodenschwelle
Bodenschwelle

Beim Überfahren einer Unebenheit kommt es erst zum Einfedern und anschließend zum Ausfedern der Radfederung und des Reifens (bzw. umgekehrt, wenn die Unebenheit z. B. ein Loch in der Fahrbahn ist). Parallel zur Feder wirken die Schwingungsdämpfer, die die entstehende mechanische Energie in Wärmeenergie umwandeln. 

Das Ein- und Ausfedern beim Überfahren einer Unebenheit sind nachfolgend bildlich dargestellt.

Einfedern und Ausfedern
Einfedern und Ausfedern

 

Beispiel Bodenwelle

Im Beispiel der Bodenwelle federn als Erstes die Vorderräder ein. Der Dämpfer wird dabei zusammengedrückt. 

Die auftretende Dämpferkraft verhält sich proportional zur Einfederungsgeschwindigkeit und zeigt entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung. Dies vergrößert die zwischen Reifen und Fahrbahn wirkende Normalkraft, die senkrecht zur Straße wirkt, und erzeugt eine Kraftkomponente die entgegen der Fahrtrichtung wirkt. 

Haben die Vorderräder die Spitze der Bodenwelle passiert, so zeigt die Normalkraft nach hinten und es liegt eine Kraftkomponente in Fahrtrichtung vor. Diese fällt jedoch viel geringer aus als die Kraftkomponente beim Anfahren der Bodenschwelle, zumal das Rad nun ausfedert.

Die Ursache liegt darin begründet, dass die Dämpferkraft die Ausfederbewegung und die Radlast reduziert. Im Mittel hat die Normalkraft somit eine Komponente, die gegen die Fahrtrichtung zeigt. Das ist die Hauptursache für den Federungswiderstand.

Radlastschwankungen

Die auftretenden Radlastschwankungen bewirken eine kontinuierliche Änderung der Radhalbmesser und somit auch eine relative Änderung des Abrollumfangs. Die Raddrehzahl hingegen bleibt infolge der Trägheit des Rades weitestgehend konstant, jedoch entsteht eine Längsschlupf. Letzterer erzeugt Verluste, die auch dem Federungswiderstand zuaddiert werden. 

Spur, Sturz und Spurweite

Auch die Spur, der Sturz und die Spurweite ändern sich beim Ein- und Ausfedern und erzeugen einen Querschlupf.

Dynamische Vorspuränderung

Infolge der dynamischen Vorspuränderung erhöht sich automatisch auch der Fahrwiderstand. Dabei nehmen wir an, dass durch die Änderung eine Relation zwischen Vorspur und dessen Widerstand existiert. Nimmt die Vorspur um eine Betrag x zu, so ändert sich der Vorspurwiderstand um den Betrag x2.  

Die vereinfachte Darstellung des Zusammenhangs zwischen dynamischer Vorspuränderung und der Zunahme des Vorspurwiderstandes FWRV siehst du in der nächsten Abbildung.

Vorspuränderung
Vorspuränderung

Statischer Fall:

Der Vorspurwinkel beträgt $ \delta_{0stat} $ und der Vorspurwiderstand beträgt FWRVstat
Jetzt gehen wir davon aus, dass die Vorspur bei einer welligen Fahrbahn sinusförmig zwischen 0 und $ 2\cdot \delta_{stat} $ schwankt, so ergibt sich ein Vorspurwinkelverlauf wie er in der Abbildung nach unten aufgetragen ist. 

Jetzt tragen wir zu jedem Zeitpunkt den Vorspurwiderstand über der Zeit auf und erhalten im Mittel einen höheren Vorspurwiderstand FWRVdyn,mittel als im statischen Zustand. Die Erhöhung ist dem Federungswiderstand zuzuordnen.