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Fahrzeugtechnik - Koordinatensysteme in der Fahrzeugtechnik

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Fahrzeugtechnik

Koordinatensysteme in der Fahrzeugtechnik

Für die Kontruktion eines Fahrzeugs, die Anordnung der Bauteile und zur Beschreibung von Fahrzeugebewegungen benötigen wir ein Koordinatensystem. Je nach Anwendung und Zweck kommt anderes Koordinatensystem zum Einsatz. Dennoch bestehen auch hier Gemeinsamkeiten, die nachfolgenden aufgelistet sind:

  1. Der Ursprung des Koordinatensystem wird auf die Fahrzeugmittelebenen gelegt
  2. Die x-Achse verläuft entlang der Fahrzeuglängsachse, zeigt in Fahrrichtung
  3. Die y-Achse verläuft entlang der Fahrzeugquerachse, zeigt nach links
  4. Die z-Achse verläuft entlang der Fahrzeughochachse, zeigt nach oben

Diese Vorgaben finden sich auch in der Norm DIN 70000 wieder. Von diesem Koordinatensystem wird immer dann Gebrauch gemacht, wenn Berechnungen von Fahrzeugteilen und Fahrzeugversuche vorgenommen werden sollen. 

Koordinatensystem nach DIN 70000
Koordinatensystem nach DIN 70000

Der in der Abbildung als $ S $ bezeichnete Koordinatenursprung stellt im Ideallfall auch den Schwerpunkt des Fahrzeugs dar. Oft ist der Schwerpunkt des Fahrzeugs jedoch im Vorfeld nicht bekannt, weshalb das Koordinatensystem für die Fahrzeugkonstruktion so nicht angewendet kann. Aus diesem Grund legt man den Koordinatenursprung in den Bereich der Fahrzeugfront, beispielsweise an die Position der Vorderachse.
Um in den Berechnungen für die einzelnen Bauteile vorwiegend mit positiven Werten arbeiten zu können, wird das Koordinatensystem so angepasst, dass die x-Achse in Richtung Fahrzeugheck weist und die y-Achse zur rechten Fahrzeugseite (Blickrichtung Windschutzscheibe). Lediglich die z-Achse behält ihre ursprüngliche Ausrichtung nach oben. 

Angepasstes Koordinatensystem für Konstruktionen
Angepasstes Koordinatensystem für Konstruktionen

Dennoch gibt es Fahrzeughersteller, die mit keinem der beiden Koordinatensysteme konstruieren. Dies erfordert dann weitere Angaben des verwendeten System zu den Koordinaten seitens des Fahrzeugherstellers. Wir werden uns jedoch im Rahmen dieses Kurses auf die beiden obigen Koordinatensysteme beschränken.

Wenn du dich jetzt an dein Studienfach Dynamik erinnerst, wird dir vermutlich aufgefallen sein, dass die Bewegung eines Körpers im Raum stets 6 Freiheitsgrade umfasst. Somit erweitern wird die 3 translatorischen Freiheitsgrade $ x, y, z $ um die 3 rotatorischen Freiheitsgrade $ \varphi , \theta , \psi $ .

Erweitertes Koordinatensystem nach DIN 70000
Erweitertes Koordinatensystem nach DIN 70000

Anhand der Freiheitsgrade können wir typische Fahrzeugbewegungen zuordnen:

Richtung:x-Achsey-Achsez-Achse
Bewegungsart:Fahren, RuckenSchiebenFedern

Analog verhält es sich dann zu den Drehungen um die entsprechenden Achsen:

Drehung um:x-Achsey-Achsez-Achse
Bewegungsart:WankenNickenGieren

Die Bewegungsart gibt den Winkeln übrigens auch ihre Namen: 

  • $ \varphi $ = Wankwinkel
  • $ \theta $ = Nickwinkel
  • $ \psi $ = Gierwinkel

Methode

Hier klicken zum Ausklappen Im weiteren Kursverlauf gehen wir von einem Koordinatensystem aus, bei dem der Koordinatenursprung im Schwerpunkt liegt, die x-Achse in Fahrtrichtung, die y-Achse nach rechts und die z-Achse nach unten zeigt. Mit dieser Festlegung erhalten wir einen Nickwinkel $ \theta $, der beim Beschleunigen positiv wird. In der nachfolgenden Abbildung siehst du die entsprechende Anpassung. 

Koordinatensystem mit pos. Nickwinkel bei Beschleunigung
Koordinatensystem mit pos. Nickwinkel bei Beschleunigung