FAT - VDA

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FAT - VDA

F O R S C H U NG S V EREI NIGU N G A U T O M O B I L T E C H N I K
E.V.
FAT-SCHRIFTENREIHE
FAT 208
Fahrer-Fahrzeug-Wechselwirkungen bei Fahrmanövern
mit Querdynamikbeanspruchungen und zusätzlichen Vertikaldynamikstörungen
VDA
Verband der
Automobilindustrie
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS
1
ZIELSETZUNG DER STUDIE
6
1.1 Vertikalstörungen bei Querdynamik
7
1.1.1
Befunde aus der Literatur
7
1.1.2
Inhaltliche Anforderungen an eine Studie
7
1.2 Zur Messbarkeit von Störungswirkungen
2
3
4
1.2.1
Traditionelle Ansätze
1.2.2
Die Störungsbewertungsskala
9
9
10
1.3 Das Vorgehen
12
HERSTELLUNG VERTIKALDYNAMISCHER ANREGUNGEN IM FAHRZEUG
13
2.1 Grundlagenbetrachtung
13
2.2 Beeinflussung der Fahrzeugbewegung
14
2.3 Korrelationsuntersuchung zwischen realer und virtueller Unebenheit
17
2.4 Simulationsstudie zur Fahrzeugreaktion
21
2.4.1
Fahrzeugmodell
21
2.4.2
Parametervariationen
26
2.4.3
Ergebnisse
28
AUFBAU EINES VERSUCHSFAHRZEUGS
33
3.1 Reglerstruktur
33
3.2 Reglerintegration im Versuchsfahrzeug
36
3.3 Funktionsuntersuchung im Fahrversuch (open loop)
37
DEFINITIONSVERSUCHE UND BEGRÜNDUNG DER VERSUCHSMATRIX
43
4.1 Auswahl des Fahrmanövers und der Fahrumgebung
43
4.1.1
Ergebnisse aus der quasistationären Kreisfahrt
44
4.1.2
Messungen auf dem Dauerlaufkurs
45
4.1.3
Messungen auf dem Handlingkurs
45
4.2 Bestimmung des Bereichs der zu untersuchenden Störungen
48
4.3 Bestimmung des Bereichs der subjektiven Störungsbewertung
49
4.4 Ableitung der Versuchsmatrix
51
Seite 2
Fahrer-Fahrzeug-Wechsel Wirkungen
bei Fahrmanövern mit Querdynamikbeanspruchungen und zusätzlichen
Vertikaldynamikstörungen
Auftraggeber:
Forschungsvereinigung
Automobiltechnik e.V. [FAT]
Westendstraße 61
60325 Frankfurt am Main
Bundesanstalt für Straßenwesen [BASt]
Auftragnehmer:
Interdisziplinäres Zentrum für
Verkehrswissenschaften an der Universität
Würzburg CIZVWD
Institut Kraftfahrwesen Aachen [ika]
Verfasser:
Dipl.-Psych. Gerrit Schmidt
Dr.-Ing. Stephan Scholz
Dipl.-Psych. Alexandra Neukum
Prof. Dr. Hans-Peter Krüger
IZVW
Dipl.-Ing. Jens Passek
Dipl.-Ing. Thomas Schrüllkamp
Prof. Dr.-Ing. Henning Wallentowitz
ika
© 2006
FAT
Inhaltsverzeichnis
5
STUDIE 1: AUSWIRKUNGEN VERTIKALDYNAMISCHER STÖRUNGEN BEI
QUERDYNAMIKBEANSPRUCHUNG
52
5.1 Beschreibung der Versuche
52
5.1.1
Versuchsplan
52
5.1.2
Versuchssituation
53
5.1.3
Versuchsablauf
55
5.1.4
Stichprobe
55
5.1.5
Zeitplan
55
5.2 Auswahl und Behandlung der Parameter
56
5.2.1
Messgrößen und ihre Verarbeitung
56
5.2.2
Kennwerte zur Validierung des Versuchsträgers
57
5.2.3
Kennwerte zur Beschreibung der Fahrzeugreaktion
58
5.3 Selektion der validen Versuche
60
5.3.1
Externe Ausschlusskriterien: Wetter und technische Defekte
60
5.3.2
Interne Ausschlusskriterien
60
5.3.3
Datenlage nach Korrektur
62
5.4 Kontrolle der Versuchsbedingungen
63
5.4.1
Kontrolle der Realisierung der Soll-Querbeschleunigungen
63
5.4.2
Abbildungsgüte der Gesamtstörung
64
5.4.3
Abbildungsgüte der Einzelkomponentenstellung
68
5.5 Bewertung der Störungen
72
5.6 Die Bewertung der Gesamtstörung
72
5.6.1
Die Verteilung der Bewertungsurteile
72
5.6.2
Die Beziehung zwischen Störungstiefe und Störungsbewertung
73
5.6.3
Die Beziehung zwischen Störungstiefe und fahrdynamischer Auswirkung
76
5.6.4
Die Beziehung zwischen fahrdynamischer Auswirkung und Störungsbewertung
78
5.6.5
Fahrerreaktionen
81
5.6.6
Zusammenfassung Gesamtstörung
84
5.7 Die Auswertung nach Störungskomponenten
85
5.7.1
Die Verteilungen der Bewertungsurteile
85
5.7.2
Störungstiefe - Störungsbewertung für Teilstörungen
86
5.7.3
Störungstiefe - Fahrdynamik für Teilstörungen
89
5.7.4
Fahrdynamik - Störungsbewertung für Teilstörungen
91
5.7.5
Gewichtung der Teilstörungen für die Bewertung der Gesamtstörung
93
5.8 Ergebnisse aus abgeleiteten Parametern
96
5.8.1
Die prognostizierte Querabweichung
96
5.8.2
Schwimmwinkel
100
Seite 3
FAT
Inhaltsverzeichnis
6
5.9 Zusammenfassung
101
STUDIE 2: AUSWIRKUNGEN EINER WANKSTABILISIERUNG AUF DIE
STÖRUNGSWAHRNEHMUNG
103
6.1 Fragestellung
103
6.2 Das wankstabilisierende System
103
6.2.1
Möglichkeiten der Wankstabilisierung
103
6.2.2
Das im Versuchsträger realisierte System
106
6.3 Versuchsbeschreibung
6.3.1
Versuchsaufbau
106
6.3.2
Versuchsplan, unabhängige und abhängige Variablen
107
6.3.3
Versuchsablauf
108
6.3.4
Stichprobe und Zeitplan
108
108
108
6.6 Störungswahrnehmung bei Wankstabilisierung
110
6.6.1
Verteilung der Urteile
110
6.6.2
Auswirkungen der Störungstiefe und Einfluss von Geschwindigkeit und
Querbeschleunigung
1 11
Auswirkungen auf die prognostizierte Querabweichung
112
6.6.3
6.7 Zusammenfassung
7
106
DISKUSSION DER ERGEBNISSE
114
115
7.1 Aufbau eines Versuchsträgers zur aktiven Herstellung vertikaler Störungen
115
7.2 Definition einer Versuchsanordnung zur Untersuchung fahrdynamischer
Störungen im closed loop
116
7.3 Bewertung der fahrdynamischen Auswirkungen vertikaler
Unebenheitsanregungen
117
7.4 Identifikation bewertungsrelevanter Parameter
118
7.5 Auswirkungen einer Wankstabilisierung auf die Störungsbewertung
118
7.6 Kritik am Vorgehen und Ausblick
119
8
LITERATURVERZEICHNIS
120
9
ANHANG
122
9.1 Wertetabellen der dargestellten Versuchsergebnisse
122
9.1.1
Beurteilung der Störungsanregungen
122
9.1.2
Auswirkung der Störung auf Fahrdynamik
123
Seite 4
FAT
Inhaltsverzeichnis
10
9.1.3
Beurteilung der fahrdynamischen Auswirkungen
126
9.1.4
Störungswahrnehmung bei Wankstabilisierung
142
9.2 Ergänzende Betrachtung weiterer Kenngrößen
144
9.2.1
Ableitungen der Stellgrößen
144
9.2.2
Relative Betrachtung der Fahrzeugreaktionen
147
PROJEKTBEGLEITENDER ARBEITSKREIS
149
Seite 5
FAT
Zielsetzung der Studie
1 Zielsetzung der Studie
Im Bereich der Fahrwerksentwicklung existieren heute eine Reihe objektiver Testverfahren
zur Beurteilung des Fahrverhaltens von Pkw. Deutlicher Forschungsbedarf besteht vor
allem im Bereich der aktiven Sicherheit (Grunow, Heuser, Krüger & Zangemeister, 1996)
und insbesondere in Bezug auf Verfahren, die die Eigenschaften und Fertigkeiten des Fahrers mit einbeziehen (Braess & Seifert, 2000). Das Projekt setzt sich zum Ziel, zu dieser
Fragestellung einen Beitrag zu leisten. Aufgegriffen wird die Frage nach der Auswirkung
von Störungen der Vertikaldynamik bei gleichzeitiger hoher Querdynamik (etwa: Bodenwellen in Kurven). Hinweise auf die Relevanz dieser Störungen für die Fahrsicherheit ergeben sich aus den im Auftrag von FAT und BASt durchgeführten Arbeiten von Riedel &
Arbinger (1997), in denen aufgezeigt wurde, dass diese für den Fahrer nicht vorhersehbaren Fahrsituationen das Sicherheitsempfinden des Fahrers und die subjektive Beurteilung
des Fahrzeugverhaltens wesentlich beeinflussen.
Das Forschungsvorhaben setzt sich zum Ziel, zum einen sowohl fahrzeugbezogene Kenngrößen zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Querdynamikbeanspruchung
und Vertikaldynamikstörungen zu entwickeln als auch Aussagen zur Relevanz dieser Störungen für die Fahrsicherheit im geschlossenen Regelkreis abzuleiten. Die Studie umfasst
sowohl inhaltliche wie methodische Aufgabenstellungen. Zum einen müssen geeignete
Anordnungen entwickelt werden, die es erlauben, solche Störungen im Fahrversuch darzustellen. Zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Vertikal- und Querdynamikanregungen muss in einem neu aufzubauenden Versuchsträger die Möglichkeit geschaffen
werden, nicht nur Vertikalstörungen als Ganzes zu realisieren, sondern isoliert Teilstörungen (Hub-, Nick-, Wank- und Gierstörungen) aufzuschalten. Zum anderen muss neben der
Erfassung der objektiven fahrdynamischen Auswirkungen ein subjektives Messinstrument
eingeführt werden, das eine Bewertung solcher Störungen durch den Fahrer ermöglicht.
Aus der doppelten Darstellung der Störungswirkung in objektiven und subjektiven Parametern ergibt sich die methodische Frage, welche objektiven Größen der subjektiven Störungsbewertung zu Grunde liegen. Insoweit stellt diese Arbeit auch einen Grundlagenbeitrag zur Systematik der Bewertung von Fahrzeugeigenschaften durch Normalfahrer dar.
Die Studie wurde in Kooperation von ika und IZVW durchgeführt. Während Aufbau und
Abstimmung des Versuchsfahrzeugs in der Verantwortlichkeit des ika lagen, wurden Planung, Durchführung und Auswertung der empirischen Untersuchungen in der Hauptsache
vom IZVW geleistet.
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1.1 Vertikalstörungen bei Querdynamik
1.1.1 Befunde aus der Literatur
Die Auswirkungen und die Bewertung von Störungen des Fahrverhaltens aufgrund von
Fahrbahnunebenheiten sind bislang kaum untersucht. Zwar beschreibt Mitschke (1984,
1995) ein Verfahren zur Bestimmung zulässiger Amplituden von vertikalen Störungen im
Kraftfahrzeug unter Berücksichtigung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit. Dabei basiert
aber die Bewertung nur auf der Störungswahrnehmung durch den Fahrer, ohne durch die
Störung ausgelöste Reaktionen des Fahrers und dadurch bedingte fahrdynamische Zustände mit einzubeziehen.
Andere Untersuchungen beschäftigen sich mit der Frage nach den Wahrnehmungsschwellen von Bewegung bei alleiniger Darbietung kinästhetischer Informationen (siehe Berthoz
& Droulez, 1982 für eine Übersicht bei linearer Bewegung; s.a. Gundry, 1978). Die
Schwellen sind abhängig von der Frequenz der Anregung und liegen in z-Richtung bei 3-9
cm/s2 bei 0.16-2.0 Hz (Hosman & van der Vaart, 1990). Eine korrekte Bestimmung der
Bewegungsrichtung erfordert weit höhere Vertikalbeschleunigungen. Bei Abwesenheit
visueller Information können bei bis zu 4 m/s2 Beschleunigung in z-Richtung keine präzisen Richtungsangaben getroffen werden (Berthoz & Droulez, 1982). Die Werte für x- und
y-Richtung liegen leicht darüber: Benson, Diaz und Farrugia (1975) ermitteln als Wahrnehmungsschwellen bei sitzenden Probanden 12 cm/s2 bei 0.83 Hz.
Diese im Labor ermittelten Werte lassen sich jedoch kaum auf die Situation im Kraftfahrzeug übertragen. Die besondere Sitzposition, Dämpfung durch den Fahrersitz und das hohe
Grundrauschen bei gleichzeitiger Darbietung visueller und akustischer Reize schränken die
Gültigkeit dieser Laborgrenzwerte ein.
Im Hinblick auf Reaktionen auf Änderungen des fahrdynamischen Zustands existieren
einige Einzeluntersuchungen, die sich mit speziellen Problemen bei der Fahrzeugstabilisierung befassen. Aus diesen speziellen Situationen lassen sich erste Hinweise für die Untersuchung vertikaldynamischer Störungsauswirkungen ableiten. Ein grundlegendes Modell
für die Reaktion des Fahrers auf Veränderungen des fahrdynamischen Zustands liegt zum
derzeitigen Zeitpunkt nicht vor.
1.1.2
Inhaltliche Anforderungen an eine Studie
1.1.2.1 Anforderungen an das Fahrmanöver
Wie der Überblick zeigt, sind die Erkenntnisse zu Vertikalstörungen bislang rudimentär.
Die einzige Untersuchung, die einen Effekt vertikaldynamischer Anregungen bei gleichzeitiger Querdynamik beschreibt, ist die von Riedel & Arbinger (1997). In dieser Studie wurden die Fahrer mit einem Rundkurs auf öffentlichen Straßen konfrontiert, bei dem im Streckenabschnitt „Kurve 3.7" auf das Fahrzeug eine vertikale Anregung durch eine Straßenunebenheit einwirkte. Weder der Rundkurs noch die relevante Kurve sind in Bezug auf
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Streckenverlauf und Straßenzustand präzise beschrieben. Im Besonderen fehlt eine Vermessung der Unebenheitsanregung. Die Autoren finden in ihren Auswertungen, dass die
Fahrzeugreaktionen in dieser Störungssituation in besonderer Weise prädiktiv für die Gesamtbeurteilung der fahrdynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs sind. Dieses Ergebnis
ist jedoch vor allem bei professionellen Fahrern zu finden, die das Fahrzeug in der Nähe
des Grenzbereichs bewegten. Für das Verständnis des Fahrverhaltens von Normalfahrern
sind aus dieser Studie kaum Anhaltspunkte zu gewinnen.
Für die Untersuchung von Normalfahrern muss ein fahrdynamischer Leistungsbereich realisiert werden, der das Fahrverhalten im realen Verkehr in einem weiten Bereich abdeckt.
Dies betrifft einerseits Geschwindigkeitsbereiche und Querbeschleunigungsausprägung als
auch andererseits die zu realisierenden Unebenheitsanregungen. Bei der Definition der zu
untersuchenden Bereiche ist damit einerseits der Bezug zu im Realverkehr beobachtbaren
Rahmenbedingungen herzustellen. Zum anderen müssen straßenbauliche Anforderungen
und Richtlinien in die Vorauswahl einbezogen werden. Dies gilt insbesondere für die Art
und Stärke der Unebenheitsanregung.
Die Untersuchung verlangt weiter, dass Fahrsituationen mit hoher Querdynamik kontrolliert und replizierbar realisiert werden. Damit müssen Manöver wie der doppelte Fahrspurwechsel im Vorhinein ausgeschlossen werden: Um die Untersuchungssituation replizieren zu können, sind konstante Ausgangsquerbeschleunigungen notwendig, was in dynamischen Fahrmanövern nicht erfüllt werden kann. Zudem überlagern sich in solchen
Manövern die Anregungen aus dem Manöver mit denen aus der Vertikalstörung und erschweren damit Analyse und Interpretation. Aus diesen Gründen muss ein quasistationäres Fahrmanöver definiert werden, das reproduzierbare Störungsbedingungen erlaubt.
1.1.2.2 Anforderungen an die Darstellung der Vertikalstörung
Eine Vertikalstörung lässt sich auf zwei Arten herstellen. Zum einen als „Passivvariante",
bei der ein Fahrzeug reale Hindernisse überfährt, zum anderen als „Aktivvariante", bei der
über eine entsprechende Aktuatorik die Fahrzeugbewegungen hergestellt werden, die entstehen, wenn ein Fahrzeug ein reales Hindernis überfährt. Die Aktivvariante ist vor allem
deshalb attraktiv, weil bei entsprechender Validität des Modells sehr einfach unterschiedliche Vertikalstörungen aufgeschaltet werden können. Zum anderen bietet eine solche Aktivvariante die Möglichkeit, nicht nur die Gesamtstörung abzubilden, sondern gezielt einzelne Fahrzeugbewegungen an- und auszuschalten. Damit wird es möglich, die Komplexqualität einer Gesamtstörung wie im Passivfahrzeug in Teilstörungen zu zerlegen und deren Einfluss auf Fahrverhalten und Störungsbewertung zu untersuchen. Die Realisierung
und Validierung eines solchen Aktivfahrzeugs ist in den Kapiteln 2 und 3 beschrieben.
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1.2 Zur Messbarkeit von Störungswirkungen
1.2.1 Traditionelle Ansätze
Prinzipiell bieten sich für die Messung von Störungswirkungen mehrere Verfahren an:
•
Güte der Aufgabenbewältigung: hier werden Kriterien definiert, die ein erfolgreiches Bewältigen der verlangten Fahraufgabe indizieren. Für die hier anstehende
Frage der Vertikalstörung bei Kurvenfahrten bieten sich Maße der Spurhaltung an.
Da eine befriedigende Messtechnik hierfür nicht zur Verfügung steht, wird üblicherweise auf das Kriterium von Pylonenfehlern rekurriert. Allerdings hat dieses
Maß einige schwerwiegende Nachteile. Der größte liegt darin, dass die Ausgangsposition des Fahrzeugs in einer Pylonengasse im closed loop kaum zu kontrollieren
ist. Je nach Position führt das Aufschalten der Störung mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit zu einem Pylonenfehler. Von daher ist dieses Maß wenig spezifisch
für die Bestimmung einer Störungswirkung. Bleibt der Fahrer in der Pylonengasse,
reagiert das Maß nicht, was einer mangelnden Sensitivität der Messung entspricht.
Von daher ist dieses Maß lediglich als extremes Randkriterium zu verwenden.
•
Psychophysiologische Maße und Maße der subjektiven Beanspruchung: die Idee
dieser Verfahren ist, den Aufwand abzuschätzen, den der Fahrer zur Bewältigung
der Fahraufgabe erbringen muss. Wie Neukum & Krüger (2001) zeigen konnten,
bilden diese Maße vor allem ein durch die Schwierigkeit der Fahraufgabe induziertes Aktivierungsniveau ab und sind nur in begrenztem Umfang zur Darstellung von
Unterschieden geeignet. Zudem erweist es sich bei der hohen Variabilität vor allem
der physiologischen Maße als außerordentlich schwierig, die beiden konfundierten
Varianzquellen Fahrmanöver und Störungsauswirkung voneinander zu trennen.
•
Kennwerte der Bedienaktivität und der daraus resultierenden fahrdynamischen Größen: Die Betrachtung von Parametern der Fahrzeugbedienung und der Fahrzeugreaktion ermöglicht eine umfassende Analyse des Systems Fahrer-Fahrzeug. Im Speziellen sind die Bedieneingaben des Fahrers am Lenkrad zu betrachten. Da davon
auszugehen ist, dass der Fahrer dabei nicht auf eine initiale Störung reagiert, sondern vielmehr seine Bedieneingaben aufgrund von fahrphysikalischen Zustandsänderungen des Fahrzeugs oder von Kursabweichungen im Sinne eines stetigen Anpassungsprozesses regelt, ist in Bezug auf die Analyse dieser Parameter eine prozessorientierte Betrachtung über den Zeitverlauf der Störungsauswirkungen notwendig.
•
Subjektive Beurteilungen: Im Bereich der Fahrzeugbewertung werden meist mehrdimensionale Beurteilungsverfahren eingesetzt. Diese Instrumentarien zur Beurteilung von Fahrverhaltenseigenschaften (siehe z.B. Bergman, 1978; Zomotor, 1991;
Buschardt, 2003) werden in der Regel speziell für die Fragestellung der Untersuchung entwickelt und sind damit mit einer mangelnden Standardisierung verbunden. So erlauben die speziellen Verfahren keinen Vergleich zwischen verschiedenen Untersuchungen und liefern meist nur Bewertungen in Bezug auf einen speziellen Standardreiz, beispielsweise in Form einer Basisvariante einer Fahrwerksauslegung. Kritisch anzumerken ist daneben, dass die Mehrzahl der BewertungsinstruSeite 9
FAT
mentarien vom Fahrer eine Bewertung der Fahrzeugvariante abverlangt, statt von
ihm die Bewertung einer absolvierten Situation einzufordern.
1.2.2 Die Störungsbewertungsskala
Die dargestellten Ansätze sind wegen ihrer unterschiedlichen Sensitivität und Spezifität je
nach Untersuchungszweck unterschiedlich brauchbar. Für die vorliegende Fragestellung
der Störungsauswirkung haben sie alle jedoch einen entscheidenden Nachteil: sie sind zwar
in der Lage, Unterschiede zwischen verschiedenen Störungen abzubilden, beantworten
aber nicht die Frage, wie der Fahrer die Störungsauswirkung bewertet. Der entscheidende
Untersuchungsgegenstand ist die Frage nach der Sicherheitsrelevanz von Vertikalstörungen, erst in zweiter Linie kommen Fragen nach der Wahrnehmbarkeit und - möglicherweise - nach den Auswirkungen auf das Komforterleben.
Um entsprechend der Zielsetzung dieser Studie Aussagen zur Relevanz von Vertikaldynamikstörungen bei gleichzeitiger Querdynamikbeanspruchung in Bezug auf das Sicherheitsempfinden und die Beurteilung des Fahrzeugverhaltens durch den Normalfahrer zu gewinnen, wird die von Neukum & Krüger (2003) entwickelte Störungsbewertungsskala eingesetzt. Insbesondere vor dem Hintergrund noch unzureichend definierter objektiver Maßstäbe für die Beschreibung der Sicherheitsrelevanz solcher Störungen in Situationen hoher
Querdynamik kommt dieser subjektiven Bewertung der Störungsauswirkungen eine wesentliche Bedeutung zu.
Auf der Skala werden fünf Bereiche der Störungsauswirkung unterschieden: „nichts bemerkt", „die Störung wurde bemerkt", „das Fahren wurde gestört ", „die Störung war gefährlich", „das Fahrzeug war nicht mehr kontrollierbar". Während die untere und obere
Randkategorie nicht weiter zu differenzieren ist, werden die drei mittleren Kategorien weiter in je drei Stufen aufgeteilt. Insgesamt resultiert daraus eine 11-stufige Skala, die von 0
(= nichts bemerkt) bis 10 (=nicht mehr kontrollierbar) reicht.
Bei der Beurteilung werden die Probanden zu einem zweistufigen, sequentiellen Vorgehen
aufgefordert: zuerst wird die Verbalkategorie benannt und in einem zweiten Schritt dann
eine Feindifferenzierung vorgenommen (hierarchisches Verfahren; Kategorienunterteilung,
vgl. Heller, 1985). Die Verbalkategorien werden dabei wie folgt erläutert:
•
In die Kategorie „Spürbarkeit" (Urteile 1-3) fallen Störungen, die vom Probanden
bemerkt werden, die jedoch keine oder nur leichte Auswirkungen auf die Aufgabe
haben. Verletzt sind im Wesentlichen Komfortanforderungen und kompensatorisches Handeln ist nicht oder nur in geringem Maße erforderlich.
•
Die Kategorie „Störung der Aufgabe" (Urteile 4-6) betrifft Fehler, die wegen auftretender Abweichungen einen deutlichen, aber vom Probanden als vertretbar bewerteten kompensatorischen Aufwand erfordern.
•
Der Fehler wird als „gefährlich" (Urteile 7-9) eingestuft, wenn der Aufwand zur
Kompensation der Störung hoch und nicht mehr tolerierbar ist. Aus der Störung
können sicherheitskritische Situationen entstehen.
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FAT
Aufgabe nicht erfüllbar
Gefährlich
Störung der Aufgabe
Spürbarkeit
nichts bemerkt
Abbildimg 1.1: Skala zur Bewertimg der Lenksystemstönmgen (mod. nach Neukum & Krüger, 2003).
Hinsichtlich der Durchführungsbedingungen sind nach Neukum und Krüger (2003) folgende wesentliche Punkte zu nennen:
• Um Gedächtniseffekte zu minimieren, erfolgt die Beurteilung unmittelbar im Anschluss an die Störungsaufschaltung, d.h. sie wird nach jeder Einzelfahrt erhoben.
Die Daten werden vom Versuchsleiter im Protokoll erfasst.
•
Die erste Fehleraufschaltung erfolgt ohne Vorinformation der Versuchsperson
(Blindversuchsbedingung). Der Proband wird danach aufgefordert, die Störung in
seinen eigenen Worten zu beschreiben. Erst dann werden die Fahrer mit der Skala
vertraut gemacht und ausführlich instruiert.
•
Ein wesentlicher Punkt der Instruktion bezieht sich auf die Aufforderung, eine kritische Urteilshaltung einzunehmen und die Fehlerauswirkungen immer mit Bezug
auf reale Verkehrssituationen zu bewerten. Die Probanden werden informiert über
mögliche Verfälschungstendenzen, die z.B. dadurch zustande kommen, dass die
Untersuchung nicht im realen Verkehr, sondern auf einem Testgelände, „auf dem
ohnehin nichts passieren kann", durchgeführt wird.
Die Störungsbewertungsskala wurde erstmals eingesetzt, um die Sicherheitsrelevanz von
Lenksystemstörungen für den Fahrer zu beschreiben. Sie leistet eine absolute Bewertung
der Störungsauswirkungen auf das System Fahrer-Fahrzeug. Weiter stellt sie ein Verfahren
dar, das den Anforderungen des Fahrversuchs an leichte Handhabbarkeit gerecht wird: Ein
besonderes technisches Verständnis wird nicht vorausgesetzt, was bei der Beurteilung
fahrdynamischer Störungen durch Normalfahrer eine weitere wichtige Voraussetzung darstellt.
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FAT
1.3 Das Vorgehen
Entsprechend der Fragestellungen wird folgendes Vorgehen gewählt:
1. Aufbau und Validierung eines Versuchsträgers, der in der Lage ist, über aktive
Stellglieder valide Vertikalstörungen einzuleiten. Dabei sollen sowohl die Gesamtstörung dargestellt werden können wie auch eine isolierte Aufschaltung von Hub-,
Nick-, Wank- und Gierstörungen möglich sein.
2. Durchführung von Vorversuchen zur Erarbeitung eines praktisch relevanten Fahrmanövers, in dem die Vertikalstörung gestellt werden kann und Definition der zu
untersuchenden Bedingungen, insbesondere der Art und Stärke der eingeleiteten
Vertikalstörung und der zu realisierenden Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereiche.
3. Analyse der Ergebnisse der Fahrversuche bezogen auf die fahrdynamischen Auswirkungen und die subjektive Bewertung der Vertikalstörung mit dem Ziel, fahrdynamische Grenzwerte zu bestimmen, ab der solche Störungen sicherheitsrelevant
werden.
4. Analyse der Ergebnisse aus den Fahrten mit Aufschaltung isolierter Störungen mit
dem Ziel, den Beitrag zu bestimmen, den die Teilstörungen an der Bewertung der
Gesamtstörung haben, um damit die fahrdynamischen Größen zu bestimmen, die
für die Störungsbewertung von besonderer Relevanz sind.
In einem zweiten Untersuchungsteil wird überprüft, welche Auswirkungen die Einführung
einer aktiven Wankstabilisierung hat. Diese Studie verfolgt zwei Ziele:
5. Darstellung der Effekte einer Wankstabilisierung für die Störungsbewertung und
die fahrdynamischen Konsequenzen.
6. Überprüfung der Ergebnisse zur Stellung von isolierten Teilstörungen durch Elimination der Wankstörung bei Erhalt der übrigen Hub-, Nick- und Gierstörung.
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FAT
Herstellung vertikaldynamischer Anregungen im Fahrzeug
2 Herstellung vertikaldynamischer Anregungen im Fahrzeug
2.1 Grundlagenbetrachtung
Bei Kurvenfahrt stellt die Kompensation von Störungen auf die Kurshaltung, z. B. hervorgerufen durch Unebenheiten im Straßenverlauf, besondere Ansprüche an den Fahrer. Der
Einfluss von Vertikalanregungen in querdynamischen Manövern soll daher in besonderem
Maße untersucht werden. Dazu ist es notwendig, die Vertikalanregung reproduzierbar und
in einer möglichst großen Variationsbandbreite in einem Versuchsfahrzeug erleben zu
können. Weiterhin ist es für den Probandenversuch wünschenswert, wenn der Fahrer sich
nicht an die Art und Intensität der Störung gewöhnen kann.
Generell existieren zwei Möglichkeiten, den Fahrer vertikaldynamischen Störungen auszusetzen. Zum einen ist die Anregung eines passiven Fahrzeugs durch eine äußere Einwirkung denkbar. Diese kann beispielsweise durch eine reale Unebenheit, die mit einem Fahrzeug durchfahren wird, erzeugt werden. Da die Störungen dann aber ortsgebunden sind
und sich die gewünschte Variabilität nur durch den Bau einer Vielzahl von Unebenheiten
realisieren lässt, sind die oben genannten Voraussetzungen nur schwierig zu erfüllen. Die
zweite Möglichkeit besteht darin, die vertikaldynamische Störung durch eine „innere" Anregung zu realisieren. Eine mögliche Realisierung besteht in der Nutzung eines aktiven
Fahrwerks. Um reproduzierbare Vertikalanregungen in unterschiedlichsten Ausprägungen
zu erzeugen, die den Fahrer in seiner Regelungstätigkeit überraschen, muss das Versuchsfahrzeug mit einer Aktuatorik und einer entsprechenden Regelung ausgerüstet sein, die es
erlaubt, nahezu beliebige Unebenheiten darzustellen. Hierzu ist es notwendig, die Fahrzeugreaktionen bei einer realen Unebenheitsdurchfahrt zu kennen und die Aufbaureaktionen im aktiv geregelten Fahrzeug nachzustellen (vgl. Abbildung 2.1).
A bbildtmg 2.1: Reale Bodenwelle (oben) und Simulation durch ein aktives Fahrwerk (unten).
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FAT
Unter der Voraussetzung, dass alle sechs Bewegungsfreiheitsgrade des Aufbaus exakt
nachgestellt werden, erhält der Fahrer im aktiv geregelten Fahrzeug, das sich auf einer ebenen Fahrbahn bewegt, den gleichen Bewegungseindruck, den er mit einem passiven Fahrzeug beim Durchfahren einer realen Unebenheit erfahren würde.
Der am ika vorhandene Opel Senator, der mit einem vollaktiven Fahrwerk der Firma Lotus
ausgestattet ist, wird zur Simulation von Vertikaldynamikstörungen in querdynamischen
Fahrmanövern eingesetzt. Das Fahrzeug und seine Ausstattung wird im Kapitel 3 näher
beschrieben. Im Folgenden wird zunächst auf die Beeinflussungsmöglichkeiten, die mit
einem aktiven Fahrwerk möglich sind, eingegangen und eine Korrelationsuntersuchung
durchgeführt, um die Vergleichbarkeit von einer real durchfahrenen Unebenheit mit einer
simulierten Unebenheit zu gewährleisten.
2.2 Beeinflussung der Fahrzeugbewegung
Um die Bewegung einer Unebenheitsdurchfahrt mit einem aktiven Fahrzeug simulieren zu
können, müssen alle sechs Aufbaubewegungsfreiheitsgrade (x, y, z, <p, 9, \j/) von aktivem
und passivem Fahrzeug im zeitlichen Verlauf übereinstimmen. Mit Hilfe der vier Hydraulikaktuatoren, die anstelle der herkömmlichen Schwingungsdämpfer im aktiven Fahrzeug
eingebaut sind, können maximal vier Freiheitsgrade beeinflusst werden. Hub-, Wank- und
Nickbewegung (z, cp, 9) lassen sich aufgrund der Orientierung der durch die Aktuatoren
hervorgerufenen Kräfte (FVL, FVR, FHL, FHR) direkt verändern (vgl. Abbildung 2.2).
6^
Abbildung 2.2: Darstellung der möglichen Aufbaubeeinflussung.
Die Beeinflussung der Gierrate ist nur indirekt aufgrund der nichtlinearen Reifeneigenschaften denkbar.
Grundlegende Überlegungen hierzu lassen sich anhand des Einspurmodells erläutern. Die
Radaufstandspunkte, an denen die zur Kurshaltung erforderlichen Reifenseitenkräfte am
Fahrzeug angreifen, sind achsweise zusammengefasst. Die Schwerpunkthöhe ist gleich
Null. Längskräfte in den Radaufstandspunkten sowie die Radlaständerungen werden nicht
berücksichtigt (vgl. Abbildung 2.3).
Seite 14
FAT
Abbildung 2.3: Einspur-Fahrzeugmodell (Wallentowitz, 2000).
Trägt man die Kräfte und geometrischen Größen in die Zeichnung ein, so erhält man die in
Abbildung 2.4 dargestellten Zusammenhänge.
F s =m-v(\j/-
© g l ] V 2/2.3-3
Abbildung 2.4: Größen am Einspur-Fahrzeugmodell (Wallentowitz, 2000).
Die wesentlichen Systemgleichungen sind beschrieben durch:
1. Newton'sche Bewegungsgleichung für die Fahrzeugquerrichtung:
m • a y = Fsv + Fsh
Gl. 2.1
2. Drallsatz um die z-Achse durch den Fahrzeugschwerpunkt:
w
T
- r sv
'v
r
sh 'h
Gl. 2.2
Da das Einspur-Modell die Seitenkräfte nur achsweise betrachtet, müssen sie für die einzelnen Reifen an Vorder- und Hinterachse getrennt bestimmt und anschließend addiert
werden.
Seite 15
FAT
Gl. 2.2 zeigt, dass Gierbewegungen unter anderem durch Seitenkräfte hervorgerufen werden. Durch eine Veränderung der Seitenkräfte kann also z.B. bei einem stationären Fahrzustand die Drehbewegung des Fahrzeugs beeinflusst werden.
Unter der vereinfachenden Annahme, dass der Schräglaufwinkel an beiden Rädern einer
Achse gleich ist, wird in Abbildung 2.5 der Einfluss einer Radlastveränderung auf die Seitenkraft dargestellt. Aufgrund des degressiven Verhaltens der Kraftübertragung zwischen
Reifen und Fahrbahn verringert sich die Seitenkraft durch Reduktion der Radlast mehr, als
sie sich durch die Erhöhung vergrößert. Die Summe der Seitenkräfte bei veränderten Radlasten ist also kleiner als das Doppelte der Seitenkraft bei unveränderter Last.
©[jkS) V2/2.4-14
Radlast G R
Abbildung 2.5: Seitenkraftverlanf(Wallentowitz, 2000).
Mittels einer aktiven Wankmomentverteilung lässt sich so das Gierverhalten des Fahrzeugs
beeinflussen ohne die Hub-, Wank- oder Nickbewegung zu verändern. Inwiefern diese
Beeinflussungsmöglichkeit für die gegebene Aufgabenstellung ausreichend ist, wird die
Korrelationsuntersuchung in Kapitel 2.3 zeigen.
Die verbleibenden beiden Freiheitsgrade des Aufbaus in Längs- und Querrichtung können
im Versuchsfahrzeug nur auf herkömmliche Weise über Gaspedal bzw. Bremse und Lenkrad durch den Fahrer eingestellt werden.
Die Grenzen, die eine derartige Beeinflussung der Aufbaubewegung mit sich bringt, liegen
maßgeblich im zur Verfügung stehenden Federweg und in der Degressivität des Reifens
begründet. Im vorliegenden Versuchsfahrzeug begrenzt der Federweg
•
die Hubbewegung auf ca. ± 90 mm,
•
die Wankbewegung auf ca. ± 7 ° und
•
die Nickbewegung auf ca. ± 3,8 °.
Bei der Überlagerung der einzelnen Bewegungsgrößen, wie sie bei der Unebenheitsdurchfahrt auftreten, werden entsprechend kleinere Werte erreicht (z. B. Nickwinkel = ± 1°,
Seite 16
FAT
Wankwinkel = 2° ^ maximale Hubbewegung ± 40 mm). Die Grenzen in der Beeinflussung der Gierraten hängen von der Ausgangssituation und dem zeitlichen Verlauf ab und
können nur individuell für einzelne Fahrsituationen bestimmt werden.
2.3 Korrelationsuntersuchung zwischen realer und virtueller
Unebenheit
Um die grundsätzlichen Überlegungen anhand eines Vollfahrzeugmodells zu überprüfen,
wird das Simulationsprogramm veDYNA der Firma TESIS genutzt. veDYNA ist ein Fahrmanöversimulationsprogramm, das auf der Basis von MATLAB/Simulink arbeitet. Das für
die Simulation verwendete Fahrzeugmodell basiert auf einem Vollfahrzeugmodell. Es handelt sich um ein Mehrkörper-System, welches aus den Körpern Aufbau, vier Räder, zwei
Achsen und Motor besteht. Durch eine Verbindung der Körper mit Federn, Dämpfern
und/oder starren Verbindungen wird die Wechselwirkung der Systeme untereinander
nachgebildet. Die Anzahl der Körper und somit die Komplexität des Modells lässt sich
optional erweitern. Die Anzahl der Freiheitsgrade beträgt für den Aufbau sechs. Die Räder
können sich um ihre y-Achse (Rollbewegung) drehen (ein Freiheitsgrad) sowie an der
Vorderachse Einfeder- und Lenkbewegung (zwei Freiheitsgrade) bzw. an der Hinterachse
nur die Einfederbewegung durchführen. Für den Motor existieren sechs Freiheitsgrade
(TESIS DYNAware, 2002).
Für die Korrelationsuntersuchung wird das in veDYNA integrierte und validierte Fahrzeugmodell eines BMW 325i Baujahr 1988 verwendet. Dieses eignet sich gut für die Voruntersuchung, da es mit seiner McPherson Vorderachse und der Schräglenkerhinterachse
dieselbe Achsbauweise wie der Opel Senator aufweist. Das Fahrzeugmodell verfügt über
einen Standardantrieb und eine Zahnstangenlenkung ohne Servounterstützung.
Parallel zu dem passiven Fahrzeugmodell wird ein aktives Modell aufgebaut, das eine Einleitung von beliebigen Kräften an den ursprünglichen Dämpferpositionen erlaubt.
Um eine exakte Bewegungsabbildung des passiven Fahrzeugs zu erhalten, ist es notwendig, alle am Aufbau einwirkenden Kräfte zu kennen und nachzustellen. Dies schließt neben
den Feder- und Dämpferkräften auch alle Lenkerkräfte mit ein. Da dies im Realfahrzeug
mit einem vertretbarem Aufwand nicht möglich sein wird, müssen die Aufbaubewegungen
direkt gemessen und über die Aktuatorik mit einem entsprechendem Regler eingestellt
werden.
Das Ergebnis dieser Vorgehensweise wird im Folgenden am Beispiel einer Geradeausfahrt
und einer Kurvenfahrt dargestellt. Mit dem passiven Fahrzeugmodell wird eine kosinusförmige Unebenheit mit dem in Abbildung 2.6 dargestellten Verlauf durchfahren. Die
Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt in beiden dargestellten Fällen 70 km/h.
Seite 17
FAT
U,U
£
1
:O
I
1
0
-0,01
-0,02
-0,03
-0,04
-0,05
-0,06
"
y
/
\
\
/
/
r
-2
10
12
Straßenlänge [m]
Abbildung 2.6: Unebenheitsverlauf der Bodenwelle.
Zunächst wird nur die Geradeausfahrt untersucht, um die Auswirkungen der simulierten
Unebenheit auf die Federwege zu ermitteln. Aus Abbildung 2.7 geht hervor, dass sich die
Federwege zu Beginn der Unebenheit gegenläufig verhalten und sich erst nach der Bodenwelle wieder in Phase bewegen. Beim passiven Fahrzeug federn die Räder zunächst aus,
dann senkt sich der Aufbau ab. Entsprechend der Vorzeichenkonvention sind die Ausfederbewegungen hier mit einem negativen Vorzeichen versehen. Um ein Absenken des
Aufbaus beim aktiven Fahrzeug zu erreichen, müssen die Aktuatoren zunächst einfedern.
Die blauen Kurven zeigen die Bewegungen des passiven Fahrzeugs bei Durchfahrt der
Unebenheit. Die Bewegungen des aktiven Fahrzeugs sind in grün dargestellt. Abbildung
2.8 zeigt, dass sich der Nickwinkel auf diese Weise gut nachbilden lässt.
' passiv
' aktiv
16
162
164
166
168
17
172
174
176
178
05
162
164
166
168
17
172
174
176
178
18
162
164
166
188
17
172
Simulationsze<t
174
176
178
Abbildung 2.7: Federwege vorne bzw. hinten Abbildung 2.8: Nickwinkelverlauf,
links.
Bei der nachfolgend dargestellten Simulation einer Kurvenfahrt wird der Lenkwinkel so
eingestellt, dass eine Querbeschleunigung von ca. 4 m/s2 erreicht wird. Die bei der Kurvenfahrt entstehenden Unterschiede in den Federwegen sind in Abbildung 2.9 dargestellt. Beispielhaft für die Aufbaubewegung ist in Abbildung 2.10 der Wankwinkel von aktivem und
passivem Modell abgebildet.
Seite 18
18
FAT
Wankwinkei
3
26
f
2422
7
i a
\
/
\
NJ
18
•
•
14
12
/
\1
\/
•
^ ^
19
192
194
19S
198
20 2
20
204
206
passiv
akbv
20 8
Simulationszeit
Abbildung 2.9: Federwege.
Abbildung 2.10: Wankwinkelverlauf.
Wie zu erwarten war, lassen sich Hub-, Wank- und Nickbewegung einwandfrei darstellen.
Die unterschiedlichen Federwege jedoch fuhren aufgrund der Spur- und Sturzwinkeländerungen über dem Federweg zu unterschiedlichen Querkräften an Vorder- und Hinterachse. Auch die unterschiedlichen Radlasten führen zu abweichenden Querkräften zwischen aktivem und passivem Modell, die gemäß Gl. 2.1 unterschiedliche Querbeschleunigungsverläufe und gemäß Gl. 2.2 unterschiedliche Gierbeschleunigungsverläufe und
somit eine veränderte Gierrate erzeugen.
Aus Abbildung 2.11 geht hervor, dass die Summe aller Reifenseitenkräfte offensichtlich
nicht zu größeren Abweichungen zwischen den Querbeschleunigungen von aktivem und
passivem Modell führt.
I
1
5-
\A*
passiv
aktiv
1
19
19.2
19.4
19.6
19.8
1
1
20
20.2
1
20.4
20.6
20.8
21
Simulationszeit
Abbildung 2.11 Beschleunigung in Fahrzeugquerrichtung bei Bodenwellendurchfahrt.
Vergleicht man hingegen Schwimmwinkel und Gierrate der beiden Modelle, so stellen sich
insbesondere in der Gierrate deutliche Unterschiede dar (vgl. Abbildung 2.12 und
Abbildung 2.13).
Seite 19
21
FAT
Schw>mmwinkel
19
192
194
196
198
20
202
204
Abbildung 2.12: Gierrate.
206
208
21
19
192
194
198
198
20
20 2
204
206
208
Abbildung 2.13: Schwimmwinkel.
Aus den Diagrammen geht der Amplitudenunterschied in den beiden Größen hervor. Die
Abweichung des aktiven Fahrzeugs könnte auch als Verhalten eines passiven Fahrzeugs
mit geänderter Achskinematik angesehen werden. Insofern ist diese Differenz als nicht
grundlegend kritisch anzusehen. Für die Untersuchung bedeutender ist, dass die Phasenlage zwischen den beiden Verläufen nur sehr gering ist. Somit bleibt für den Probanden die
gewünschte zeitliche Struktur der Störung erhalten.
Mittels der bereits oben beschriebenen Wankmomentverteilung ist es möglich, den zeitlichen Verlauf der Gierrate des aktiven Modells besser an den des passiven Modells anzupassen (vgl. Kapitel 3.1). Die Auswirkungen, die ein solcher Eingriff auf das Fahrzeug hat,
geht aus Abbildung 2.14 und Abbildung 2.15 hervor. Sowohl der Gierraten- als auch der
Schwimmwinkelverlauf stimmen im Modell mit aktiver Wankmomentverteilung weitestgehend überein. Nahm die Amplitude von der ersten auf die zweite Gierschwingung im
Modell ohne Regler noch zu (vgl. Abbildung 2.12), so bleibt sie jetzt wie beim passiven
Fahrzeug auf einem ähnlichen Niveau. Auch der Verlauf des Schwimmwinkels passt sich
gut an.
Schwimmwinkel
198
20
202
Simulationszeit
Abbildung 2.14: Gierrate.
20 4
192
194
196
198
20
202
Simulationszert
204
206
208
Abbildung 2.15: Schwimmwinkel.
Seite 20
21
FAT
Der Gierratenregler ist somit ein geeignetes Mittel, das Fahrverhalten der beiden Varianten
besser aneinander anzugleichen. Die Qualität des Reglers ist in hohem Maße von der Fahrsituation, der Reglerabstimmung und vom Reifenverhalten abhängig.
2.4 Simulationsstudie zur Fahrzeugreaktion
Um im geplanten Probandenversuch die Variationsvielfalt an denkbaren Unebenheiten bei
unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen vorab einschränken zu
können, wird im Folgenden eine Simulationsstudie durchgeführt, die bei der Auswahl geeigneter Randbedingungen helfen kann. Hierzu wird ein am ika entwickeltes Vollfahrzeugmodell unter MATLAB/Simulink genutzt und mit den Versuchsdaten einer Mercedes Benz
C-Klasse (W 203, Baujahr 2003) validiert, so dass für die Dauer der Untersuchungen neben dem Fahrzeugmodell auch das reale Fahrzeug für Vergleichsfahrten zur Verfügung
steht.
2.4.1 Fahrzeugmodell
Das eingesetzte Vollfahrzeugmodell besteht aus einem schwingungsfähigen Ersatzsystem
mit fünf Massen (Aufbaumasse und vier Radersatzmassen). Die Radersatzmasse setzt sich
aus der Radmasse selbst und aus dem Anteil der ungefederten Massen von Lenkern und
Feder-Dämpfer-Elementen zusammen. Der Aufbau ist in seiner Bewegung nicht eingeschränkt und besitzt sechs Freiheitsgrade, drei translatorische (x, y, z) und drei rotatorische
(cp, 0, v|/). Die Radmassen besitzen aufgrund der Radaufhängung je einen translatorischen
(z-Achse) sowie einen rotatorischen Freiheitsgrad (y-Achse). Sie sind in ihrer Bewegung
definiert durch Spur- und Sturzkennlinien. Die vorderen Räder besitzen zusätzlich den
Lenkfreiheitsgrad um die z-Achse. Das Bezugskoordinatensystem für den Fahrzeugaufbau
hat seinen Ursprung im Aufbauschwerpunkt. Die Bezugskoordinatensysteme der Räder
befinden sich in den jeweiligen Radmittelpunkten.
Eingangsvariablen für das Modell sind neben Antriebs- bzw. Bremsmoment, der Lenkwinkel und die von der Straße hervorgerufenen Anregungen an den vier Radaufstandspunkten. Ausgabegrößen sind die physikalischen Größen des Aufbaus und der Räder wie
Wege, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Das Modell ist in vier vernetzte Subsysteme untergliedert, in denen die Längsdynamik, die Quer- und Vertikaldynamik, die
Reifenkräfte und die kinematischen und elastokinematischen Spur- und Sturzänderungen
berechnet werden. Die Berechnung der Reifenkräfte erfolgt auf Basis des empirischen
„Magic Formula"-Modells, das von Hans B. Pacejka entwickelt wurde. Aufgrund der angestrebten langwelligen Fahrzeuganregung ist das Modell in seiner Abbildungsgüte ausreichend.
Da der Schwerpunkt der Untersuchung in der Überlagerung von Quer- und Vertikaldynamik bei konstanter Geschwindigkeit liegt, beschränkt sich die Validierung auf entsprechende Untersuchungen. Alle notwendigen Prüfstands- und Fahrversuche werden am Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ika) durchgeführt. Neben den Reifenmessungen zum Parameterfitting des Pacejka-Modells wird die Kinematik und Elastokinematik der Achsen
aus Messungen am Achsmessstand ermittelt. Weiterhin werden die MassenträgheitsSeite 21
FAT
momente des Gesamtfahrzeugs in x-, y- und z-Richtung und die Schwerpunktposition gemessen.
Die Validierung des Fahrzeugmodells erfolgt letztendlich durch einen Vergleich der im
Fahrversuch aufgezeichneten Messdaten und den vom Fahrzeugmodell berechneten Daten.
Aufgrund der Messtechnik, die im Fahrzeug verbaut ist und der Masse des Fahrers sowie
des Beifahrers, ändern sich die Massenverhältnisse des Fahrzeugs im Vergleich zur Prüfstandsmessung. Das hat Auswirkungen auf die Lage des Schwerpunkts, auf die Größe der
Massenträgheitsmomente und damit auf das Fahrverhalten. Die Änderungen lassen sich
aufgrund der Lage der Einzelschwerpunkte und deren Masse berechnen und werden beim
Vergleich von Messdaten und Modelldaten berücksichtigt.
Im Fahrversuch werden Standardmessgrößen ermittelt wie Lenkmoment und Lenkradwinkel (Messlenkrad, vgl. Abbildung 2.16 oben links), die Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquergeschwindigkeit (Correvit, vgl. Abbildung 2.16 oben rechts), die Wank-, Nick- und Gierbewegung (Kreiselplattform, vgl. Abbildung 2.16 unten links) sowie die durch die Straße
eingeleiteten Unebenheiten (Beschleunigungs- und Höhenstandsensoren, vgl. Abbildung
2.16 unten rechts). Weiterhin werden Beschleunigungen in Längs- und Querrichtung erfasst.
Die Bestimmung der Fahrbahnunebenheit geschieht einaxial mittels Abstands- und Beschleunigungsmessung. Zur berührungslosen Abstandsmessung werden Lasersensoren mit
einer Genauigkeit von 0,25 mm eingesetzt. Die Sensoren werden so am Heck des Fahrzeugs montiert, dass sie die Höhe in der Spur der Hinterräder messen. Zwischen den beiden Höhenstandssensoren einer Fahrzeugseite wird die Beschleunigung des Bezugspunktes
gemessen. Bei den eingesetzten Beschleunigungssensoren handelt es sich um einachsige,
kapazitive Sensoren der Firma Kistler. Sie eignen sich zum Messen geringer Beschleunigungsamplituden bei sehr tiefen Frequenzen oder statischen Vorgängen und zeichnen sich
durch eine Auflösung von 0,8 ug aus. Um aus den vorliegenden Rohdaten den realen Unebenheitsverlauf zu ermitteln, wird ein geeigneter Integrationsalgorithmus benötigt, der
zuvor auf der servohydraulischen Prüfanlage des ika entwickelt wurde.
Die Validierung des Fahrzeugmodells erfolgt durch einen Vergleich der im Versuch aufgezeichneten Messdaten mit den vom Fahrzeugmodell berechneten Daten. Notwendige Standardfahrmanöver wie die stationäre Kreisfahrt, das Sinuslenken, der Lenkwinkelsprung
und der doppelte Fahrspurwechsel werden auf der ika-Teststrecke durchgeführt. Messdaten
mit überlagerter Vertikal- und Querdynamik werden maßgeblich auf Landstraßen in der
Aachener Umgebung aufgezeichnet.
Beispielhaft für die Validierung der Standardfahrmanöver werden hier zwei Diagramme
der stationären Kreisfahrt gezeigt (vgl. Abbildung 2.17 und Abbildung 2.18).
Seite 22
FAT
Abbildung 2.16: Messtechnik im Versuchsfahrzeug.
140,00
0,00
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
Querbeschleunigung [m/s^]
10,00
Abbildung 2.17: Vergleich Modell - Messung bei stationärer Kreisfahrt.
Seite 23
FAT
Für einen Kreisradius von 40 m und einen Radstand von 2,715 m ergibt sich ein Ackermannwinkel von 5A=3,88 ° am Rad. Mit einer Lenkübersetzung von ca. 15,4 resultiert am
Lenkrad ein Winkel von 8H=59,8 °, der zum Befahren des Kreises mit sehr geringer Geschwindigkeit notwendig ist. Das Ergebnis ist im Diagramm durch Extrapolation der Kurve wieder zu finden.
4 ,50
tor
4 ,00
3 ,50
V
3 ,00
t/5
ierv ersi:ärk
13
•
r
2 ,50
2 ,00
1,50
1,00
CD 0 ,50
REAL-»—MODELL
0 ,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
Geschwindigkeit [m/s]
Abbildung 2.18: Gierverstärkungsfaktor (Vergleich von Modell und Messung).
Insbesondere in dem für den Probandenversuch relevanten Querbeschleunigungsbereich
bis ca. 6 m/s2 weisen Realfahrzeug und Modell eine gute Übereinstimmung auf.
Die Kurve des Gierverstärkungsfaktors weist das für ein untersteuerndes Fahrzeug charakteristische Maximum der Lenkempfindlichkeit auf. Die charakteristische Geschwindigkeit
liegt für die C-Klasse und für das Modell bei ca. vchar = 15,5 m/s.
Die Validierung des Fahrzeugmodells bei Vertikalstörungen in querdynamischen Manövern wird im Folgenden anhand einer Strecke dargestellt, die eine langwellige Fahrbahnunebenheit in einer Kurve aufweist. Die Ergebnisse für diesen Fall sind in den folgenden Abbildungen dargestellt. Die Durchfahrt der Unebenheit erfolgt zwischen Sekunde 6,5 und
7,5.
Neben der Gierrate, der Querbeschleunigung und der Vertikalbeschleunigung ist auch der
Nickwinkel abgebildet. Bis auf kleine Abweichungen weisen die Simulationsergebnisse
eine gute Überdeckung mit den Daten aus den Fahrversuchen auf.
Der Vergleich von Modell- und Messdaten zeigt sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich in allen Aufbaubewegungsgrößen eine gute Übereinstimmung bis ca. 3 Hz. Somit
sind die Fahrzeugreaktionen bei den angestrebten Anregungen gut geeignet, um Aussagen
über das reale Fahrzeugverhalten zu treffen.
Seite 24
FAT
-2
-4 •
Messung
Modell
-6
f
W -B
1-10
/
O-12
1/
-14
-16
-18
6
7
Zeit[s]
Abbildung 2.19: Vergleich Modell - Messung der Unebenheit.
0
Messung
Modell
I
i
«111
-1 -
j
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hl
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IM
6
7
Zeit [s]
i
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•-
"M""n
\l
A f Vr
V
1f
d)
-3
Messung
Modell
6
7
Zeit [s]
Seite 25
FAT
-1.5
2.4.2 Parametervariationen
Zur Reduktion der im Probandenversuch durchzuführenden Manöver wird die Simulationsstudie genutzt. Das Spektrum der simulierten Unebenheitsüberfahrten soll möglichst
realistische Rahmenbedingungen der Überlagerungen von Vertikal- und Querdynamik
beinhalten.
Der angestrebte Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereich soll von Normalfahrern auf Landstraßen problemlos erreicht werden können. Die simulierten Fahrzeuggeschwindigkeiten liegen daher zwischen 50 und 100 km/h. Da Normalfahrer im Fahrbetrieb
allzu hohe Querbeschleunigungen meist vermeiden, werden die Simulationen im Bereich
von 3 bis 5 m/s2 durchgeführt.
In straßenbaulicher Hinsicht wird unterschieden zwischen regellosen Unebenheiten und
Einzelhindernissen. Die Unterscheidungsweise gilt sowohl für die Abnahme neuer Streckenabschnitte wie auch für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen.
Für diese Untersuchung wurde vereinfachend, aber hinreichend, ein idealisiertes Einzelhindernis in der Form einer Kosinuswelle mit einer Höhe h [mm] und der Wellenlänge L
[m] angenommen.
Abbildung 2.23: Kosinusförmige Unebenheit.
Seite 26
FAT
Es wird zwischen drei Straßenzuständen unterschieden, die den Straßenzustand als Abhängigkeit der Höhe h von der Länge L beschreibt. Tabelle 2.1 zeigt die Bedingungen für
den guten, bedenklichen und schlechten Straßenzustand.
Tabelle 2.1: Bewertung des Straßenzustands.
Straßenzustand
Höhe der Unebenheit
Gut
Tiefe < 10mm
Bedenklich
3,3 • ^jLänge[m] < Tiefe[mm] < 9,9 • -JLänge[m]
Schlecht
Tiefe[mni] > 9,9 • ^JLänge[m]
Unter Berücksichtigung der geplanten Fahrzeuganregung im Eigenfrequenzbereich des
Aufbaus (Hubeigenfrequenz ca. 1 Hz) und den geplanten Geschwindigkeiten bis 100 km/h,
ergeben sich maximale Wellenlängen von ca. 27 m. Unebenheitstiefen von 50 mm bezeichnen in dieser ungünstigen Konstellation bereits einen schlechten Straßenzustand. In
der Simulationsstudie werden Unebenheitslängen von 5 bis 25 m und Unebenheitstiefen
von 20 bis 60 mm untersucht. Weiterhin wird die Unebenheit als einfache und als doppelte
kosinusförmige Unebenheit betrachtet. Die Anregung erfolgt sowohl gleichseitig an beiden
Rädern einer Achse als auch einseitig kurveninnen und kurvenaußen. Auf eine wechselseitige Anregung wird verzichtet, da die hohe Wankreaktion den Stellbereich des Versuchsfahrzeugs überschreiten wird.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Parametervariationen nochmals dargestellt.
Tabelle 2.2: Übersicht der Variationen.
Variation von/bis
Schrittweite
Anzahl der Variationen
Geschwindigkeit
50- 100 km/h
10 km/h
6
Querbeschleunigung
3 - 6 m/s2
1m/s2
4
Unebenheitslänge
5-25 m
1m
21
Unebenheitstiefe
20 - 60 mm
10 mm
5
Unebenheitsform
Einfach-, Doppelwelle
_
2
Anregungsart
gleichseitig, einseitig
-
3
Durch die vollständige Permutation aller Parameter ergibt sich eine Gesamtanzahl von
15.120 Einzelsimulationen. Die Vertikalanregungen werden mit Hilfe dreidimensionaler
Fahrbahnoberflächen realisiert, die vom Fahrzeugmodell überfahren werden (vgl.
Abbildung 2.24).
Seite 27
FAT
ssi§§SSPf§§i§lLäiä
IM»«!•Uta«
Abbildung 2.24: Virtuelle Fahrbahnoberfläche.
2.4.3 Ergebnisse
Zur Auswertung der Simulationsstudie werden maßgeblich die Größen betrachtet, die mit
Hilfe der Regler im aktiven Versuchsfahrzeug beeinflusst werden können. Hierzu zählen
die direkt regelbaren Größen Hub-, Wank- und Nickbewegung sowie die über die Wankmomentverteilung beeinflussbare Gierrate. In Abbildung 2.25 sind beispielhaft die Auswirkungen der unterschiedlichen Wellenlängen (5, 15 und 25 m) bei sonst gleichen Rahmenbedingungen dargestellt. Bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h und einer Querbeschleunigung von 5 m/s2 wird eine 50 mm tiefe einfache Kosinuswelle durchfahren, wie
sie in Abbildung 2.24 dargestellt ist.
0.02 r- —
0
E
^-0.02
1
-0.04
-0.06
i
Vf/
R /
4
vy/
-v
-
4
i_^ 3
- - - . - - . - — —
5
Zeit [s]
— -
-
H
.
| 2.5
\ i
V
2
6
5
Zeit [s]
i
14
•
•
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Jh
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11- 1
£
CD
f
|-0.!
" 4
U 10
b
&
5
Zeit [s]
6
8
llfU
y \#
5m
15m
25 m
1
1
5
Zeit [s]
Abbildung 2.25: Einßuss der Wellenlänge.
Seite 28
1
FAT
Anregungen, die nahe der jeweiligen Aufbaueigenfrequenz liegen (Hubeigenfrequenz ca.
1 Hz, Wankeigenfrequenz ca. 2 Hz), führen in dem entsprechenden Bewegungsfreiheitsgrad zu den größten Amplituden. Um diesen Effekt deutlicher darzustellen, sind in
Abbildung 2.26 die maximalen Amplituden der Aufbaubewegung und der Aufbaubeschleunigung bei verschiedenen Fahrzeuggeschwindigkeiten über der Unebenheitslänge
aufgetragen. Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten sind mit der Einheit m/s angegeben
und in der Legende definiert. Es handelt sich ausschließlich um die Simulationen mit
gleichseitiger Anregung durch eine 50 mm tiefe Einfachwelle bei einer Querbeschleunigung von 5 m/s2. Deutlich zu erkennen sind die maximalen Reaktionen im Bereich der
gedämpften Hubeigenfrequenz bei ca. 1,3 Hz. Analog sind in den Abbildung 2.27 bis
Abbildung 2.29 die weiteren Eigenfrequenzen ablesbar. Die Wankeigenfrequenz von ca.
2 Hz, die sich aufgrund der Federsteifigkeiten und des Massenträgheitsmomentes um die
Fahrzeuglängsachse berechnen lässt, findet sich auch in Abbildung 2.27 wieder. Für die
Nickbewegung liegen die höchsten Fahrzeugreaktionen im Anregungsbereich von ca.
1,7 Hz. Da Giereigenfrequenz und Gierdämpfung geschwindigkeitsabhängig sind, stellt
sich in Abbildung 2.29 ein etwas anderes Bild dar. Im untersuchten Geschwindigkeitsbereich liegt die Giereigenfrequenz bei etwa 2 Hz. Für untersteuernd ausgelegte Fahrzeuge
nimmt die Gierdämpfung mit zunehmender Geschwindigkeit ab. Dies zeigt sich insbesondere im unteren Teil der Abbildung für die Beschleunigungsamplituden.
0.
E.
10
15
UE Länge [m]
20
25
Abbildung 2.26: Schwerpunktsreaktion bei variierter Geschwindigkeit (Symbole) und Unebenheitslänge (x-Achse).
Seite 29
FAT
10
15
UE Länge [m]
20
25
Abbildung 2.27: Wankreaktion bei variierter Geschwindigkeit (Symbole) und Unebenheitslänge (xAchse).
10
15
UE Länge [m]
20
25
Abbildung 2.28: Nickreaktion bei variierter Geschwindigkeit und Unebenheitslänge.
Seite 30
FAT
10
15
UE Länge [m]
20
25
Abbildung 2.29: Gierreaktion bei variierter Geschwindigkeit und Unebenheitslänge
Untersucht man den Einfluss der Querbeschleunigung, so zeigt sich keine nennenswerte
Veränderung in der Hub- und Nickbewegung. Wank- und Gierreaktion nehmen mit zunehmender Querbeschleunigung zu.
20mm
4
0 02-
60mm
.3 5
0
•-0.02
-0.04
-0 06L
4
5
6
7
4
5
Zeit U|
6
4
5
Zeit [s]
6
14
1
13
_05
g12
I °
111
<5 10
-0.5
9
-1
4
5
ZeitM
6
7
Abbildung 2.30: Simulierte Fahrzeugreaktionen bei Vertikalstörungseinleitung mit 20 und 60mm
Tiefe (Einfachwelle). Ausgangssituation des Fahrzeugs: vx=100km/h, ay=5m/s2; Unebenheit:
1=10m.
Seite 31
FAT
Die Erhöhung der Unebenheitstiefe führt erwartungsgemäß in allen Bewegungsgrößen zu
größeren Reaktionen (Abbildung 2.30). Sie eignet sich daher besonders gut für die Variation der Störungsintensität im Probandenversuch.
Die gleichseitige Anregung führt insbesondere bei der Doppelwelle zu den größten Fahrzeugreaktionen in Hub-, Nick- und Gierbewegung. Einzig die Wankbewegung fällt bei
einseitiger Anregung deutlicher aus.
gleichseitig
kurveninnen
kurvenaußen
r 002
-0.04
-0.06
1
05
0
-0 5
-1
4
5
Zeit [s]
6
7
Abbildung 2.31: Simulierte Fahrzeugreaktionen bei unterschiedlichen Störungsanregungen
(gleichseitig vs. wechselseitig kurveninnen vs. wechselseitig kurvenaußen). Bei den eingeleiteten
Störungen handelt es sich jeweils um Einfachwellen mit l=10m; t=50mm bei vx=100km/h und
av=5m/s2.
Um im Probandenversuch die gewünschte Variationsbandbreite mit möglichst wenigen
Unebenheitsarten zu erzeugen, ist die Anregung durch eine Doppelwelle im Bereich der
Wankeigenfrequenz eine wirksame Kombination. Eine Anregung in definierter Frequenz
liefert darüber hinaus die Möglichkeit, zeitliche Störungsstrukturen und damit auch die
Aufbaugeschwindigkeiten konstant zu halten und zu kontrollieren. Über die Unebenheitstiefe kann dann die Intensität der Störung eingestellt werden. Weiterhin sollte eine Variation von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung in die Untersuchung mit einbezogen
werden, um unterschiedliche Ausgangssituationen zu erzeugen.
Seite 32
FAT
Aufbau eines Versuchsfahrzeugs
3 Aufbau eines Versuchsfahrzeugs
Das dieser Studie zur Untersuchung von Vertikalanregungen bei querdynamischen Fahrmanövern zu Grunde liegende Fahrzeug ist ein Opel Senator CD, welcher von der Firma
Lotus Engineering im Jahr 1990 mit vollaktivem Fahrwerk ausgerüstet wurde. Das Ausgangsfahrzeug, der Senator B, wurde im Jahr 1987 von der Adam Opel AG als Fahrzeug
der oberen Mittelklasse auf den Markt gebracht und löste damit den Senator A ab. Das
Versuchsfahrzeug ist in Abbildung 3.1 dargestellt.
Abbildung 3.1: Opel Senator am Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ika).
Das Fahrzeug ist mit vier hydraulischen Gleichgangzylindern ausgestattet, die jeweils an
der ursprünglichen Position der Aufbauschwingungsdämpfer eingebaut sind. Angesteuert
werden die Aktuatoren über elektrohydraulische Servoventile. Das Fahrzeug ist mit einer
Vielzahl von Sensoren zur exakten Bestimmung des aktuellen Fahrzustandes ausgerüstet.
Weg- und Kraftsensoren an jedem der vier Fahrwerkaktuatoren liefern der unterlagerten
Regelung die notwendigen Eingangsgrößen. Darüber hinaus verfügt das Fahrzeug über
einen Gierratensensor, Quer- sowie Längsbeschleunigungsaufnehmer sowie ein Messlenkrad zur Erfassung von Lenkradwinkel und Lenkmoment. Für den Probandenversuch ist das
Fahrzeug mit einem Tempomat ausgestattet, damit sich der Fahrer besser auf die Fahraufgabe konzentrieren kann.
3.1 Reglerstruktur
Da es für den geplanten Probandenversuch von entscheidender Wichtigkeit ist, dass Fahrereingriffe einen direkten Einfluss auf das Fahrzeugverhalten haben, ist zur Abbildung der
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FAT
Fahrzeugreaktion bei einer Unebenheitsüberfahrt ein geschlossener Regelkreis notwendig.
Ein „Ausspielen" aufgezeichneter Unebenheitsverläufe oder ein reines Nachfahren von
Aufbaubewegungen würde nur bei ausbleibendem Fahrereingriff ein realistisches Fahrzeugverhalten erzeugen. Sobald der Fahrer jedoch eingreift, verändern sich während der
Unebenheitsüberfahrt die Bewegungsgrößen des Aufbaus. Ein Lenkeingriff führt beispielsweise zu einer veränderten Wank- und Gierreaktion, die durch ein reines „Ausspielen" nicht abgebildet werden kann.
Der Entwurf der Reglerstruktur erfolgt anhand des Wirkungsplans des gesamten Versuchkonzepts. Dieser ist in Abbildung 3.2 dargestellt. Es sind die einzelnen Komponenten sowie der Datenfluss zu sehen.
Aktives Fahrzeug
4 Ist-Kräfte
Messgrößen
-Aufbauposition
-Wankwinkel, Nickwinkel
-Gierrate
Geschwindigkeit
Lenkradwinkel
..,
Positionsbestimmung
x,y Position
Kraftregelkreis
Straßengeometrie
z-Anregung
Sollgrößen
-Aufbauposition
-Wankwinkel, Nickwinkel
-Gierrate
Regler
h-o
Passives Fahrzeugmodell
Abbildung 3.2: Signalflussplan.
Um die Rückwirkungen des Fahrers auf das geregelte Fahrzeugverhalten realisieren zu
können, muss die Sollvorgabe des Reglers an die Eingaben des Fahrers angepasst werden.
Hierzu wird das passive Fahrzeugmodell aus Kapitel 2.4.1 genutzt und im Regler integriert. In dem blau gekennzeichneten Bereich (vgl. Abbildung 3.2, unten rechts) wird die
Aufbaubewegung des Fahrzeugs berechnet. Das Fahrzeugmodell wird mit den vom Fahrer
des aktiven Versuchsfahrzeugs eingestellten Größen Lenkradwinkel und Fahrzeuggeschwindigkeit versorgt, so dass sich aktives Versuchsfahrzeug und passives Fahrzeugmodell immer im gleichen Bewegungszustand befinden. Die Regelgrößen für den Fahrzeugaufbau des aktiven Versuchsfahrzeugs sind neben Hub-, Wank- und Nickbewegungen
auch die Gierraten, die an den Regler übergeben werden. Dort werden sie in Stellkräfte für
die unterlagerten Kraftregelkreise der Aktuatoren umgerechnet. Durch die im Fahrzeug
eingebauten Kraftaufnehmer erhält der Regelkreis eine direkte Rückmeldung über die anliegenden Istkräfte. Diese führen letztendlich zu den gewünschten Fahrzeugaufbaureaktionen in den vier beeinflussbaren Regelgrößen, die mit Hilfe der im Versuchsfahrzeug installierten Messtechnik ermittelt und den überlagerten Reglern zur Verfügung gestellt werden
(linker Teil der Abbildung 3.2).
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Um nun eine Fahrzeugreaktion zu erzeugen, wie sie beim Überfahren einer Unebenheit
entsteht, muss das passive Fahrzeugmodell durch eine virtuelle Straßengeometrie - wie sie
in Abbildung 2.24 gezeigt wurde - angeregt werden. Die Informationen über die Straßengeometrie liegen in einer 3D-Wertetabelle vor. Die aktuelle Position und Ausrichtung des
Fahrzeugmodells auf dieser Straße wird über fahrzeugbezogene Größen (Geschwindigkeit
in x- und y-Richtung, Lenkradwinkel bzw. Gierrate) des aktiven Versuchsfahrzeugs ermittelt. Aus der Wertetabelle kann dann für den Reifenaufstandspunkt eines jeden Rades die
aktuelle z-Position ermittelt werden. Hieraus ergeben sich wiederum Hub-, Wank-, Nickund Gierbewegungen, die mit Hilfe des Reglers am aktiven Fahrzeug eingestellt werden.
Um eine reine Hubbewegung zu erzeugen, müssen alle vier Aktuatoren gleichgerichtete
Kräfte aufbringen. Entsprechend werden für reine Wank- bzw. Nickbewegungen die Kräfte
an den einzelnen Radaufstandspunkten gemäß Abbildung 3.3 erhöht bzw. erniedrigt.
Hub
Wank
Nick
Gier
4
y
i
X
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Z
Hub
Wank
Nick
Gier
Abbildung 3.3: Orientierung der Stellkräfte aus Hub-, Wank-, Nick- und Gierregler.
Die Beeinflussung der Gierrate erfolgt wie in Kapitel 2.2 beschrieben über eine aktive
Wankmomentverteilung. Hub-, Wank- und Nickbewegung bleiben hiervon im Idealfall
unberührt. Entscheidend für die Funktionsweise ist neben der Beachtung der Schwerpunktlage des aktiven Versuchsfahrzeugs die Einbaurichtung und das Übersetzungsverhältnis der Aktuatoren, die beide federwegabhängig sind. Weiterhin ist die Abstimmung
der einzelnen Kraftregelkreise sowie die Abstimmung der Aufbauregelkreise für Hub-,
Wank-, Nick- und Gierbewegung von entscheidender Bedeutung für die erreichbare Regelgüte.
Die gewählte Art der Störungseinleitung über den dargestellten Regelalgorithmus für ein
aktives Fahrwerk bietet im Probandenversuch eine weitere neue Untersuchungsmöglichkeit. Neben der Gesamtstörung können im Fahrversuch synthetische Störungen erzeugt
werden, die bezüglich der Amplitude und Frequenz einzelner Aufbaubewegungsgrößen
identisch zu denen einer realen Unebenheitsdurchfahrt sind, die aber die weiteren Bewegungsgrößen abschwächen. Für die vorliegende Untersuchung bedeutet das, dass man im
Fahrversuch beispielsweise ausschließlich die Wankstörung, die eine Unebenheit erzeugt,
realisieren kann, ohne das zeitgleich nennenswerte Hub-, Nick- oder Gierreaktionen auftreten. Durch den Vergleich der Probandenurteile bezüglich der Gesamtstörung (die Hub-,
Wank-, Nick- und Gierstörung beinhaltet) mit den Urteilen der Einzelstörung (die z. B.
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ausschließlich die Wankstörung beinhaltet) kann auf diese Weise die Möglichkeit eröffnet
werden, den für das Fahrerurteil maßgeblichen Bewegungseinfluss zu ermitteln. Der Algorithmus ist so aufgebaut, dass im Bedarfsfall nur die Hub-, Wank-, Nick- oder Gierbewegungsänderung an den Regler weitergegeben werden kann, während die verbleibenden
Regelgrößen den Ausgangswert vor der Störungseinleitung beibehalten.
Weiterhin wird im Regelalgorithmus eine Funktion implementiert, die den Wankwinkel
während der Versuchsfahrt auf 0° zurückführt, um den Einfluss heutiger Wankstabilisierungssysteme - wie „Active Body Control" (ABC) von DaimlerChrysler oder „Active Roll
Stabilization" (ARS) von BMW - auf das Fahrerurteil untersuchen zu können.
Die Funktion des Reglers wird im Software-in-the-loop mit Hilfe eines ADAMSFahrzeugmodells, das den aktiven Opel Senator B abbildet, überprüft, bevor erste Fahrversuche am Realfahrzeug vorgenommen werden.
3.2 Reglerintegration im Versuchsfahrzeug
Die Reglerentwicklung erfolgt in MATLAB unter Zuhilfenahme der Erweiterung Simulink. In der Rapid Control Prototyping (RCP) - Umgebung werden Reglermodule auf einer
echtzeitfahigen Hardwareplattform im Realfahrzeug ausgeführt. Rapid Control Prototyping
bedeutet dabei, dass der in der Simulationsumgebung entworfene Regler auf einfache Weise im Versuchsfahrzeug übernommen werden kann und Regleränderungen und Applikationen schnell möglich sind. In der RCP-Umgebung erfolgt die Datenerfassung, -Verarbeitung und -ausgäbe in Echtzeit. Der in der Simulationsumgebung entwickelte Regler wird
mit geeigneten Werkzeugen von der Simulationsumgebung in die RCP-Umgebung überführt und dort ausgeführt.
Als Hardwareplattform kommt im Versuchsfahrzeug eine AutoBox der Firma dSPACE
zum Einsatz. Über die AutoBox werden die Eingangssignale in Echtzeit verarbeitet und
Stellgrößen für die Aktuatorik ausgegeben (vgl. Abbildung 3.4). Die Codegenerierung der
Simulink-Modelle erfolgt über das zugehörige Programme Real-Time Workshop der Firma
dSPACE und ermöglicht eine Übergabe des generierten Codes an die Hardwareplattform.
Die Bedienung im Fahrzeug erfolgt über das Programm ControlDesk. Dieses Programm
wird im Rahmen der Fahrversuche und bei der Applikation verwendet. Es ermöglicht die
Visualisierung der aktuellen Fahrzeuggrößen und gestattet die schnelle Änderung von Regel- und Modellparametern während laufender Versuche. Auf diese Weise geschieht die
Abstimmung des Fahrzeugverhaltens während der Applikationsphase. Weiterhin können
im Probandenversuch während der Fahrt unterschiedliche Unebenheitsverläufe in schneller
Abfolge simuliert werden.
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SPACE
Ein- und Ausgangssignale
für die Regelung
Abbildung 3.4: Messtechnik im Kofferraum des Versuchsfahrzeugs.
3.3 Funktionsuntersuchung im Fahrversuch (open loop)
Eine reale Nachbildung eines Fahrzeugtyps ist nicht das unbedingte Ziel dieser Untersuchung, vielmehr sollen realistische Hub-, Wank-, Nick- und Gierbewegungen in unterschiedlichen Ausprägungen gestellt werden können, um die Wahrnehmungs- und Reaktionsschwellen des Fahrers zu bestimmen. Das Ziel der Abstimmungsarbeiten ist es, den
vom passiven Fahrzeugmodell vorgegebenen Sollverläufen der Regelgrößen möglichst
nahe zu kommen. Hierbei wird neben der Amplitudenhöhe besonders auf die zeitliche
Struktur der Störung Wert gelegt.
Die Probandenversuche werden auf dem Prüfgelände der Firma ATP in Papenburg durchgeführt. Um den Versuchsablauf möglichst realitätsnah zu gestalten, wird der so genannte
Handlingkurs (HAK) genutzt. Querbeschleunigungen von bis zu 5 m/s2 sind für die Untersuchung von Normalfahrern geeignet, woraus sich eine maximale Geschwindigkeit auf
dem HAK von 70 km/h ergibt. Die untere Geschwindigkeit wird auf 50 km/h festgelegt. In
unterschiedlichen Kurven werden dann Querbeschleunigungen von 3 und 5 m/s2 erreicht,
wodurch die Rahmenbedingungen des Fahrzeugs festgelegt sind. Die Wellenlänge der Unebenheit wird in beiden Geschwindigkeitsbereichen so gewählt, dass das Fahrzeug im Bereich der Wankeigenfrequenz angeregt wird.
Die Abstimmungsarbeiten erfolgen aufgrund der notwendigen Reproduzierbarkeit im open
loop-Fahrversuch. Das Ergebnis der Abstimmung bei 50 km/h und 5 m/s2 ist für die Gesamtstörung in Abbildung 3.5 dargestellt. Zum Zeitpunkt „Null" trifft das passive Fahr-
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zeugmodell auf die doppelte Unebenheit, die im dargestellten Fall 40 mm tief ist und eine
Gesamtlänge von 14,4 m hat. Das erste Maximum der Hubbewegung (vgl. Abbildung 3.5,
oben links) ist in allen Abstimmungen von einem leichten Überschwingen des Istverlaufs
(Realfahrzeugreaktion) gekennzeichnet. Ansonsten folgen die Realfahrzeugreaktionen
(blau) den vom passiven Fahrzeugmodell vorgegebenen Bewegungen (schwarz) sehr gut.
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Abbildung 3.5: Abstimmungsergebnis der Gesamtstörung bei 50 km/h und 5 m/s2.
Die Auswirkungen der separaten Störungseinleitung sind für die Hubbewegung in der
nachfolgenden Abbildung 3.6 dargestellt. Wankwinkel und Gierrate erreichen die gleichen
stationären Werte zum Zeitpunkt der Störungseinleitung, jedoch sind die Auswirkungen
deutlich reduziert.
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Abbildung 3.6: Abstimmungsergebnis der Hubstörung bei 50 km/h und 5 m/s2.
Gleiches gilt für die separate Darstellung der Wankbewegung (vgl. Abbildung 3.7) und der
Nickbewegung (vgl. Abbildung 3.8). Beide Störungsarten können bei stark geminderten
Auswirkungen in den übrigen Größen dargestellt werden.
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Abbildung 3.7: Abstimmungsergebnis der Wankstörung bei 50 km/h und 5 m/s2.
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Abbildung 3.8: Abstimmungsergebnis der Nickstörung bei 50 km/h und 5 m/s2.
Dank der Degressivität der Reifen lassen sich Gierstörungen im Querbeschleunigungsbereich von 5 m/s2 gut darstellen (vgl. Abbildung 3.9).
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Abbildung 3.9: Abstimmungsergebnis der Gierstörung bei 50 km/h und 5 m/s2.
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FAT
Die Ergebnisse der Abstimmung bei einer Geschwindigkeit von 70 km/h und einer Querbeschleunigung von 5 m/s2 liefern ähnlich gute Ergebnisse wie die oben dargestellten.
Problematischer stellt sich die Darstellung des Gierratenverlaufs bei einer Querbeschleunigung von 3 m/s2 dar. Allein aufgrund der Wankmomentverteilung ist eine Beeinflussung der Gierrate kaum noch möglich, da sich die Reifeneigenschaften in diesem niedrigen Kraftbereich nahezu linear verhalten. Deutlich wird dieser Effekt bei dem Versuch
eine reine Gierstörung bei 3 m/s2 darzustellen (vgl. Abbildung 3.10, rot gekennzeichnet).
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Abbildung 3.10: Abstimmungsergebnis der Gierstörung bei 50 km/h und 3 m/s2.
Aufgrund dieser physikalischen Grenze ist eine Untersuchung der Probanden bezüglich der
separaten Gierstörung bei 3 m/s2 Querbeschleunigung wenig sinnvoll. Auch in der Gesamtstörung zeigen sich dementsprechend größere Abweichungen zwischen dem Verhalten des
passiven Fahrzeugmodells und dem Verhalten des realen Versuchsfahrzeugs. Die Qualität
des Abstimmungsergebnisses ist in Abbildung 3.11 dargestellt.
Neben den dargestellten Verläufen zeigen auch die Ableitungen, wie Wankwinkel- oder
Nickwinkelgeschwindigkeit, gute Übereinstimmungen zu den Sollvorgaben durch das passive Fahrzeugmodell. Auch die zeitliche Struktur der Störung bleibt gut erhalten. Die maximal auftretenden relativen Zeitdifferenzen zwischen den einzelnen Regelgrößen sind in
allen Varianten kleiner als 55 ms.
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Abbildung 3.11: Abstimmungsergebnis der Gesamtstörung bei 50 km/h und 3 m/s2.
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FAT
Definitionsversuche und Begründung der Versuchsmatrix
4 Definitionsversuche und Begründung der Versuchsmatrix
Vor der Durchführung der Hauptversuche mussten in Definitionsuntersuchungen folgende
Fragen geklärt werden:
•
Zum Fahrmanöver und zur Fahrumgebung
a. Quasistationäre Kreisfahrt
b. Dauerlaufkurs / Handlingkurs
•
Zur Art der Störung
a. Bereich der zu untersuchenden Störungstiefen
b. Geschwindigkeit und Querbeschleunigung
Weiter fanden im Rahmen der Definitionsversuche Überprüfungen folgender Fragen statt:
•
Abbildungsgüte der Störung durch das Versuchsfahrzeug
•
Güte der Stellbarkeit der Einzelstörungen
Die Definitionsversuche mussten aus Zeitgründen und wegen der Verfügbarkeit der
Teststrecke zum großen Teil parallel mit den in Kap. 3 beschriebenen Aufbau- und Tuningarbeiten am Fahrzeug durchgeführt werden und wurden damit nicht mit dem gleichen
Fahrzeugstand durchgeführt wie der spätere Hauptversuch. Dennoch können aus diesen
Definitionsversuchen Antworten auf die oben angegebenen Fragen 1 und 2 abgeleitet werden. Obwohl auch zu den Fragen 3 und 4 eine detaillierte Auswertung der Vorversuche
vorliegt, werden diese im Folgenden nur in dem Ausmaß dargestellt, das für das Verständnis der Gestaltung des Hauptversuchs notwendig ist. Die detaillierte Überprüfung, inwieweit es mit dem Versuchsträger gelungen ist, eine valide Darstellung von Vertikalstörungen zu erzeugen (Frage 3) bzw. die Einzelkomponenten zu stellen (Frage 4), wird anhand
der im Hauptversuch mit dem endgültigen Fahrzeugstand erzielten Daten gegeben. In den
Definitionsuntersuchungen wurde der gleiche Satz von Messgrößen erfasst wie in den
Hauptversuchen. Ebenfalls gleich war die im folgenden Kap. 5.2.1 dargestellte Ableitung
von Kennwerten.
4.1 Auswahl des Fahrmanövers und der Fahrumgebung
Aus der Untersuchungsfrage nach den Auswirkungen von Vertikalstörungen bei querdynamischer Beanspruchung ergibt sich bereits das grundsätzliche Fahrmanöver. Für dessen
Realisierung boten sich auf der zur Verfügung gestellten atp-Teststrecke in Papenburg1
drei Möglichkeiten an:
•
Messungen auf der Kreisfläche aus quasistationärer Kreisfahrt
Für die Überlassung der Teststrecke danken wir der Firma DaimlerChrysler und dort insbesondere Herrn Dr. Bidlingmaier.
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FAT
•
Messungen auf dem Dauerlaufkurs
•
Messungen auf der Handlingstrecke
In unterschiedlichen Vorstudien mit Mitarbeitern des IZVW wurden 538 Störungen in den
unterschiedlichen Fahrumgebungen gemessen, davon 217 in der stationären Kreisfahrt,
224 auf der Handlingstrecke und 97 auf dem Dauerlaufkurs.
4.1.1 Ergebnisse aus der quasistationären Kreisfahrt
Die Versuche auf der Fahrdynamikfläche wurden mit Geschwindigkeiten von 50 und 100
km/h und Querbeschleunigungen von ca. 3 und 5m/s2. Dabei wurden in dieser Vorstudie
keine Kreisradien vorgegeben, sondern auf freier Kreisfläche der Lenkwinkel vom Fahrer
derart gestellt, dass die gewünschten Querbeschleunigungen erreicht wurden. Die nachfolgenden Messungen enthalten Unebenheiten mit Störungstiefen von 10 bis 40mm.
Gesamtstörung
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Abbildung 4.1: Darstellung von Fahrerreaktionen: Lenkwinkel (ausgangslagenkorrigiert) bei den Geschwindigkeiten 50 (oben) und 100km/h (unten). Auslösung der Störung bei t=O.Os, die Dauer der Störung wird
durch die punktierten Linien angezeigt. Die Darstellungen basieren auf 170 (50km/h) und 32 gestellten Störungen (100km/h) in der quasistationären Kreisfahrt.
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Das auffälligste Ergebnis dieser Versuche war, dass für den gesamten realisierten Störungsbereich praktisch keine Fahrerreaktionen auftraten. Abbildung 4.1 zeigt lediglich drei
deutliche Reaktionen bei über 200 Messungen. In der Regel fixierten die Fahrer lediglich
den eingeschlagenen Lenkwinkel. Die stationäre Kreisfahrt liefert zwar die höchstmögliche
Standardisierung der Versuchssituation, allerdings kann mit diesem Fahrmanöver keine
systematische Untersuchung der Fahrerreaktionen erfolgen. Nicht zu unterschätzen ist außerdem die Belastung der Versuchsteilnehmer bei diesem Fahrmanöver, insbesondere bei
den angestrebten hohen Querbeschleunigungen. Die stationäre Kreisfahrt als Fahrmanöver
in einem Versuch mit einer Dauer von mehreren Stunden ist den Teilnehmern kaum zumutbar. Als weiteres sehr pragmatisches Argument kommt hinzu, dass die Kreisfläche
nicht in dem zeitlichen Umfang zur Verfügung gestellt werden konnte, der für den Hauptversuch nötig gewesen wäre. Aus diesen Gründen wurde die Fahrumgebung Kreisfläche
aufgegeben.
4.1.2 Messungen auf dem Dauerlaufkurs
Der Dauerlaufkurs ist ein 12.4 km langer Rundkurs mit Elementen einer normalen Landstraße, einer Schrägfahrbahn und einer ganzen Reihe von Sondermodulen. Diese an sich
wünschenswerte hohe Variabilität der Strecke wird überdeckt durch die unterschiedlichen
und sehr großen Kurvenradien des Kurses. Diese erlauben keine Herstellung hoher Querbeschleunigung im Geschwindigkeitsbereich bis 120 km/h. Weiter stören Fahrbahnunebenheiten durch Sondermodule oder unebene Fahrbahnbeläge die Regeltätigkeit des Fahrzeugs. Der Versuchsträger befindet sich auf diesen Teilstrecken stets in unterschiedlichen
angeregten Zuständen, so dass eine adäquate Abbildung der Störungsvorgabe nicht möglich ist. Deshalb entfällt der Dauerlaufkurs unter der Forderung, einen größeren Querbeschleunigungs- und Geschwindigkeitsbereich abdecken zu müssen, da in ihm zwar hohe
Geschwindigkeiten, nicht aber für Normalfahrer entsprechende Querbeschleunigungen
realisiert werden können.
4.1.3 Messungen auf dem Handlingkurs
Wie aus dem Streckenverlauf in Abbildung 4.2 deutlich wird, ermöglicht der Handlingkurs
die Herstellung hoher Querbeschleunigungen bei gleichzeitig starker Involviertheit des
Fahrers in die Regeltätigkeit. Im Gegensatz zur stationären Kreisfahrt ist der Fahrer hier
beständig mit Ein- und Auslenken beschäftigt. Als problematisch am Handlingkurs erweist
sich die Tatsache, dass sich die einzelnen Kurven des Kurses hinsichtlich ihrer Radien und
Fahrbahnneigung stark unterscheiden. Zusätzlich ermöglicht die Breite der Fahrbahn eine
hohe Variabilität des tatsächlich gefahrenen Kurvenradius. Diese eingeschränkte Kontrollierbarkeit der Querdynamik zeigt Abbildung 4.3 beispielhaft für die Gierreaktion des
Fahrzeugs im Vergleich zu den Gierreaktionen bei der quasistationären Kreisfahrt.
Seite 45
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Detailansicht Handlingkurs
Prüfgelände Papenburg
Stam c.
Handlingktirs
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Chaiatter der Strecke:
Landstraße in verdKih'.o'.or Form
Abmessungen
Länge
Breite
S'cherhüitsslrdfcn als StuTraum
folge von Rechts : Linkskurven
2,6 km
10.0 m
Automotive TcsciVrff
Paponburg GntbH
Abbildung 4.2: Streckenverlauf und Kreisradien des Handlingkurses.
Für die Durchführung der Hauptversuche werden deswegen die Vorteile von quasistationärer Kreisfahrt und dem Handlingkurs kombiniert. Hierzu werden in den Kurven des Handlingkurses mit Pylonengassen feste Radien vorgegeben. Ziel ist neben der Erhöhung der
Replizierbarkeit der Fahrsituation durch die stärkere Standardisierung insbesondere die
Herstellung definierter stabiler Querbeschleunigungszustände durch die festgelegten Kreisradien. Die so realisierte Vorgabe von Kreissegmenten entspricht nicht den straßenbaulichen Richtlinien, die hier Klothoiden vorschreiben.
Abhängig von den auszuwählenden Stufen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung
(siehe Kapitel 4.2) ergeben sich die mittleren Radien der Pylonengassen. Die Kreissegmente werden durch Pylonengassen abgesteckt. Die Gassenbreite beträgt 3.5 m bei 50 km/h
und 4 m bei 70 km/h gemäß den straßenbaulichen Richtlinien (zum Vergleich: Breite Senator 1763 mm). Zur weiteren Standardisierung des Manövers wird durch Aufstellen einer
Einfahrtsgasse 20 m vor Beginn der Pylonengasse in der Kurve die Anfahrt auf die Gasse
für alle Versuchsteilnehmer festgelegt. Der Aufbau ist in Abbildung 4.4 schematisch dargestellt.
Die Aufschaltung der Störung erfolgt, sobald das Fahrzeug sich in der Pylonengasse in
einem querdynamisch weitgehend stabilen Zustand befindet. Es ist davon auszugehen, dass
der Fahrer im Gegensatz zur stationären Kreisfahrt nicht einen konstanten Lenkwinkel hält,
sondern während der Kurven Abweichungen von seinem idealen Lenkwinkel korrigiert.
Damit entspricht dieses Fahrmanöver stärker der Realsituation und bietet bessere Voraussetzungen, Fahrerreaktionen auszulösen.
Als Ergebnis dieses Untersuchungsteils ist damit festzuhalten, dass die Hauptversuche auf
dem Handlingkurs durchgeführt werden.
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Gesamtstörung
Kreisfahrt 50km/h 3m/s 2
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Abbildung 4.3: Gierreaktion des Fahrzeugs bei unterschiedlich starken Störungen in der stationären Kreisfahrt mit 50km/h und 3m/s2 Querbeschleunigung (oben) und in Kurven des Handlingkurses mit 50km/h und einer Querbeschleunigung kleiner 4m/s2 (unten). Die Abbildung zeigt die unterschiedlichen Grade der Standardisierung der beiden Fahrmanöver.
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Abbildung 4.4: Aufbau des Fahrmanövers. Es werden Pylonengassen mit vorgegebenen Kurvenradien r und
Breite b abgesteckt. Zusätzlich markiert ein Anfahrtstor 20m vor der Kurvengasse die Anfahrt.
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4.2 Bestimmung des Bereichs der zu untersuchenden Störungen
Auf der Basis der Simulationsuntersuchungen in Kap 3.4.3 war eine doppelte Kosinusanregung in Wankeigenfrequenz als zu realisierende Störung festgelegt worden. Die Anregung erfolgt gleichzeitig und in gleicher Richtung an beiden Vorderrädern. Aufgrund der
Restriktionen des Stellbereiches der im Fahrzeug verbauten Aktuatorik sind bei vollständiger Störungsdarbietung Störungen von 40 mm darstellbar. Bei Stellung einzelner Komponenten der Störung können teilweise höhere Störungstiefen hergestellt werden, bei einer
Wankstörung bis zu 80mm Störungstiefe.
In den Simulationsuntersuchungen wurden Störungsaufschaltungen bei Geschwindigkeiten
zwischen 50 und 100 km/h und bei Querbeschleunigungen zwischen 3 und 6 m/s2 überprüft. Die für den Hauptversuch zu realisierenden Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen müssen allerdings noch festgelegt werden. Als Grundszenario für eine Vertikalstörung bei querdynamischer Beanspruchung gilt die Fahrt auf einer Landstraße und damit
eine Obergrenze der Geschwindigkeit von 100 km/h.
Um im Versuch den Einfluss der Querbeschleunigung bestimmen zu können, sind mindestens zwei Beschleunigungsstufen einzuführen. Riedel & Arbinger (1997, 2000) berichten
von einer Variationsbreite der Querbeschleunigung zwischen 2 und 9m/s2 beim Befahren
einer Kurve bei Überlandfahrten, allerdings sind gerade die hohen Werte der Querbeschleunigung auf Fahrten der teilnehmenden professionellen Testfahrer zurückzuführen.
Der normale Fahrer bleibt in weniger kritischen Bereichen: Die vom Normalfahrer im realen Verkehr maximal realisierten Querbeschleunigungen bei 70 km/h liegen in der Größenordnung von etwa 4 m/s2 (vgl. hierzu z.B. Hackenberg & Heißing, 1982; Donges 1982,
1993). Um eine für den normalen Fahrer hoch beanspruchende Situation herzustellen, ist
eine Querbeschleunigung von 5 m/s2 in diesem Geschwindigkeitsbereich angebracht.
Für die endgültige Bestimmung der zu untersuchenden Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen müssen zusätzlich die auf dem Handlingkurs realisierbaren Kurvenradien
berücksichtigt werden. Diese liegen deutlich unter 100 Metern. Eine Abschätzung, welche
Geschwindigkeiten Fahrer beim Einfahren in solche Kurven wählen, geht aus einer Untersuchung von Lippold (1997) zur v85 in Abhängigkeit vom Kurvenradius hervor
(Abbildung 4.5). Die v85 ist diejenige Geschwindigkeit, die lediglich von 15% der gemessenen Fahrer überschritten wird (RAS-L 1995). Bei Kurvenradien unter 100 m liegen die
Einfahrgeschwindigkeiten zwischen 70 und 80 km/h.
Aus diesen Überlegungen folgt: wenn Querbeschleunigungen in der Größenordnung von 5
m/s2 unter den Kurvenbedingungen der Teststrecke realisiert werden sollen, ist eine Fahrgeschwindigkeit von 70 km/h angebracht. Als unterer Geschwindigkeitsbereich auf Landstraßen ist eine Geschwindigkeit von 50 km/h plausibel einzuführen. Auch bei dieser Geschwindigkeit ist eine Querbeschleunigung von 5 m/s zu realisieren. Damit kann die gleiche Querbeschleunigung bei zwei Geschwindigkeitsstufen untersucht werden. Es fehlt
noch die Möglichkeit, zwei unterschiedliche Querbeschleunigungen bei der gleichen Geschwindigkeit herzustellen. Hierfür wird für die Geschwindigkeitsstufe 50 km/h der eher
komfortorientierte Bereich von 3 m/s2 eingeführt.
Anzumerken ist, dass die in Abbildung 4.5 dargestellten ermittelten Werten für einbahnige zweistreifige Straßen, wie
z.B. Autobahnen, Gültigkeit besitzen. Damit ist anzunehmen, dass bei anspruchsvolleren Straßentypen beispielsweise
mit Gegenverkehr eher geringere Geschwindigkeiten realisiert werden.
Seite 48
FAT
1
90
s
0*
^
V
7
J
D
Gesellwind gkeit
3
60
I
}
0
100 150 200
300
400
500
Radius R [m]
Abbildung 4.5: Zusammenhang zwischen Kurvenradius R, Fahrbahnbreite FB und Geschwindigkeit Vss bei
einbahnig zweistreifigen Straßen nach RAS-L (1995)
4.3 Bestimmung des Bereichs der subjektiven Störungsbewertung
Die Definitionsversuche dienten zum einen einer ersten Validierung des Versuchsträgers
im Probandenversuch, zum anderen der Spezifikation von Fahrmanövern und Fahrumgebung. Weiter sollte in ihnen überprüft werden, welcher Bereich der subjektiven Störungsbewertung (von „nicht bemerkt" bis „nicht kontrollierbar") durch die technische Spezifikation der realisierten Störungen abgedeckt wurde. Für alle in dieser Phase realisierten Fahrten wurden deshalb die subjektiven Störungsbewertungen mit erhoben.
Abbildung 4.6 zeigt eine Auswahl der Ergebnisse. Sie betreffen sowohl Fahrten aus der
quasistationären Kreisfahrt wie aus dem Handlingkurs, Fahrten mit Einspielung von Doppel- und Einfachwellen und Fahrten mit unterschiedlicher Querdynamik. Dargestellt sind
sowohl die Beurteilungen der Gesamtstörung wie die Urteile über Fahrten, bei denen isoliert nur eine Störungskomponente aufgeschaltet wurde.
Aus Abbildung 4.6 geht hervor, dass der realisierte Bereich der Vertikalstörungen bei den
Fahrern zu Bewertungen führt, die sich höchstens bis in den Bereich der „Störung des Fahrens" hinein erstrecken, nicht aber zu Urteilen aus dem Bereich der „Gefährlichkeit" führen. Mit diesem Ergebnis deutet sich bereits eine erste Einschränkung der Ergebnisse aus
dem gewählten Versuchsaufbau an. Die Art und Stärke der im Hauptversuch zu realisierenden Störungen wurden wie die ausgewählten Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereiche in den vorangegangenen Abschnitten inhaltlich begründet, indem das Ver-
Seite 49
FAT
halten von Normalfahrern als Grundlage genommen wurde. Die technischen Restriktionen,
die sich aus der Besonderheit des Versuchsträgers ergaben, traten gegenüber diesen Alltagsbedingungen in den Hintergrund. Wenn in den Definitionsversuchen sich dieser inhaltlich abgesicherte Störungsbereich lediglich in subjektiven Bewertungen bis „stört das Fahren" niederschlägt, bedeutet dies zuallererst, dass die Auswirkungen von Vertikalstörungen
im Normalbereich des Fahrens nicht von gravierender Bedeutung sein werden. Dieser Befund wird unterstützt durch das in Kap. 4.1.3 dargestellte Ergebnis, wonach die Störungsaufschaltung in der quasistationären Kreisfahrt zu keinen Fahrerreaktionen, bei Aufschaltungen im Handlingkurs lediglich zu schwachen Reaktionen führte.
Zum anderen zeigt Abbildung 4.6, dass die Fahrer teilweise sehr deutliche Unterscheidungen zwischen der Gesamtstörung und den Teilstörungen machen, mithin für Unterschiede
sehr sensitiv sind.
Komplett
- • — Komplett
Hub
•i-
Wanken
- * - Wanken
Nicken
-*-
Nicken
Gieren
Gieren
5 -
Hub
40
10
50
20
60
1
—r~
40
60
Störungstiefe [mm]
Doppelwelle
Kreisfahrt
Störungstiefe [mm]
Einfachwelle
Kreisfahrt
g
7
00
Komplett
Komplett
8
Hub
Hub
Wanken
Wanken
6
Nicken
Nicken
5
Gieren
Gieren
10
30
40
Störungstiefe [mm]
Einfachwelle
ay_soll < 4.5m/s2
Handlingkurs
50
60
10
20
60
Störungstiefe [mm]
Einfachwelle
ay_soll > 4.5m/s2
Handlingkurs
Abbildung 4.6: Darstellung der wahrgenommenen Störungsstärke in Abhängigkeit von der Störungstiefe. Dargestellt sind die Urteile bei Stellung einzelner Störungskomponenten bei Störungseinleitung. Die beiden oberen Grafiken zeigen Störungsaufschaltungen in der Kreisfahrt (Einfachwelle links und Doppelwelle rechts). Auf den beiden unteren Grafiken sind die Störungsaufschaltungen in Form einer Einfachwelle auf dem Handlingkurs bei Querbeschleunigung kleiner (links)
und größer 4.5m/s2 (rechts) dargestellt.
Seite 50
FAT
4.4 Ableitung der Versuchsmatrix
Aus den Definitionsversuchen ergeben sich für die Untersuchung vertikaldynamischer Anregungen bei querdynamischer Beanspruchung folgende bedeutsame Faktoren:
• Die Störungsaufschaltung findet in einer Fahrsituation statt, die von Regeltätigkeit
des Fahrers gekennzeichnet ist. Damit entfällt als Fahrmanöver die quasistationäre
Kreisfahrt. Vielmehr werden die Störungen auf dem Handlingkurs mit realitätsnahem Fahren aufgeschaltet.
•
Aus den Simulationsuntersuchungen und den technischen Grenzen der Aktuatorik
des Versuchsfahrzeugs ergeben sich Stellbereiche von 10 bis 40 mm für die Gesamtstörung bzw. 10 bis 60 mm bei Stellung einzelner Komponenten. Zudem erwies sich die Aufschaltung einer Doppelwelle der Aufschaltung einer Einfachwelle
als überlegen.
•
Aus einer Gesamtschau der in der Literatur berichteten Ergebnisse zum Fahrverhalten von Normalfahrern, der Simulationsergebnisse und der technischen Realisierbarkeit auf der Versuchsstrecke ergab sich als relevanter Geschwindigkeitsbereich der Bereich zwischen 50 und 70 km/h und als relevanter Querbeschleunigungsbereich derjenige zwischen 3 und 5 m/s . Um sowohl die Effekte von Geschwindigkeit wie von Querbeschleunigung überprüfen zu können, werden als
Versuchsbedingungen eingeführt: 50 km/h mit 3 m/s2, 50 km/h mit 5 m/sec2 und 70
km/h mit 5 m/s .
Unter allen diesen Bedingungen wird jeweils die Gesamtstörung aufgeschaltet wie
auch die isolierten Teilstörungen im Hub, Wanken, Nicken und Gieren.
Seite 51
FAT
Studie 1: Auswirkungen vertikaldynamischer Störungen bei Querdynamikbeanspruchung
5 Studie 1: Auswirkungen vertikaldynamischer Störungen bei
Querdynamikbeanspruchung
5.1 Beschreibung der Versuche
Die Studie 1 beschäftigt sich mit zwei Fragen:
1. Wie werden unterschiedlich starke Vertikalstörungen in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung vom Normalfahrer bewertet und welche
Fahrerreaktionen lösen diese Störungen aus?
2. Vertikalstörungen bei querdynamischer Beanspruchung lösen fahrdynamische Veränderungen im Hub-, Nick-, Wank- und Gierverhalten des Fahrzeugs aus. Wird die
Gesamtstörung auf eine dieser Größen reduziert, in welchem Verhältnis stehen
dann die Störungsbewertungen der Teilstörung zu denen der Gesamtstörung?
5.1.1 Versuchsplan
Über die in den Voruntersuchungen identifizierten Faktoren, die in Abschnitt 4.4 im Überblick dargestellt sind, ergibt sich der in Tabelle 5.1 dargestellte Versuchsplan.
Damit liegen 63 zu untersuchende Stufen vor. Für die Versuchsdurchführung ist vorgesehen, alle Störungen zwei Mal darzubieten. Damit ergeben sich 126 zu erfassende Störungen pro Versuchsteilnehmer.
Seite 52
FAT
Tabelle 5.1: Versuchsmatrix der Probandenstudie. Dargestellt sind die pro Faktorstufe realisierten
Störungstiefen.
Zu stellende Störungskomponente
50km/h, 3m/s2
50km/h, 5m/s2
70km/h, 5m/s2
10 mm
10mm
10mm
20mm
20mm
20mm
30mm
30mm
30mm
40mm
40mm
40mm
20mm
20mm
20mm
30mm
30mm
30mm
40mm
40mm
40mm
50mm
50mm
50mm
60mm
60mm
10mm
10mm
20mm
20mm
20mm
30mm
30mm
30mm
40mm
40mm
40mm
Gesamtstörung
Hub
Nicken
50mm
20mm
20mm
20mm
40mm
40mm
40mm
60mm
60mm
60mm
80mm
80mm
80mm
20mm
20mm
20mm
30mm
30mm
30mm
40mm
40mm
40mm
50mm
50mm
60mm
60mm
22
21
Wanken
Gieren
Summe der Störungen
20
5.1.2 Versuchssituation
Die Untersuchung wird auf dem Handlingkurs der atp-Teststrecke in Papenburg durchgeführt. Zur Herstellung der gewünschten Querbeschleunigungen bei Störungsaufschaltung
werden in den Kurven des Kurses die zu fahrenden Kreisradien durch Pylonengassen mit
3.5 m Breite bei 50 km/h und 4 m Breite bei 70 km/h vorgegeben.
In einer Runde auf dem Handlingkurs können, wie aus Abbildung 5.1 zu sehen, bis zu fünf
Störungen in Querbeschleunigungssituationen aufgeschaltet werden. Dabei können maximal drei Störungen in den Bedingungen mit 50 km/h und 5 m/s2 Querbeschleunigung auf-
Seite 53
FAT
geschaltet werden. Für die Bedingungen 50 km/h mit 3 m/s2 und 70 km/h mit 5 m/s2 können nur in zwei Kurven Messungen erfolgen.
Tabelle 5.2: Mittlere Kreisradien für die verschiedenen Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbedingungen.
50km/h 3m/s2
50km/h 5m/s2
70km/h 5m/s2
64.3
38.6
75.6
mittlerer Radius [in m|
Detaitansicht Handlingkurs (HAK)
•
•
•
•
Nachbildung des kleinen Hockenheimringes
Länge 2,6 km
Teilbar in 2 unabhängige Kurse
Befahrbar in beiden Richtungen
50km/h: 3m/s2
70km/h: 5m/s2
50km/h: 3m/s2
70km/h: 5m/s2
( k a i l t t « tmt SlrtKTk« UfUtelraft«
Lang«
2,6 km
10,0 m
S«H«f h««iKr*tf«n als Sturaraum
Abbildung 5.1: Handlingkurs in Papenburg mit den realisierbaren Querbeschleunigungen bei
50km/h.
Seite 54
FAT
5.1.3 Versuchsablauf
Die Probanden werden zunächst vom Versuchsleiter über die Untersuchung informiert.
Personbezogene Daten und Informationen zur Fahrerfahrung werden über Fragebögen erfasst. Es folgt eine Einweisung in die Störungsbewertungsskala. Danach wird der Proband
mit dem Versuchsfahrzeug vertraut gemacht. Hingewiesen wird insbesondere auf den
Tempomat, seine Funktionalität und Bedienung sowie auf die im Fahrzeug verbaute Messtechnik.
Der Proband erhält nach dieser Einweisung die Möglichkeit, die Teststrecke kennen zu
lernen. In mehreren Einführungsrunden, zunächst mit freier Geschwindigkeit, später tempomatgeregelt mit 50 km/h, hat der Versuchsteilnehmer die Möglichkeit, Strecke und
Fahraufgabe kennen zu lernen. Am Ende dieser Einführungsphase werden dem Versuchsteilnehmer Störungen dargeboten. Die Störungsaufschaltung erfolgt zunächst auf
gerader Strecke, dann auch in Kurven. Es wird darauf geachtet, dem Versuchsteilnehmer
möglichst früh die stärkste im Versuch dargebotene Störung vorzuführen. Er erhält dadurch die Möglichkeit, die Anwendung der Störungsbewertungsskala zu üben und die
Bandbreite der untersuchten Störungen kennen zu lernen.
Nach dieser Einführung beginnt der erste Versuchteil, in dem der gesamte Parcours mit 50
km/h tempomatgeregelt befahren wird. Dem Versuchsteilnehmer werden gemäß Versuchsplan neben der Gesamtstörung auch die einzelnen Störungskomponenten dargeboten.
Nach Abschluss der Messungen mit 50 km/h wird der Parcours umgebaut und für das Befahren mit höherer Geschwindigkeit abgesteckt. Der Fahrer erhält wieder die Möglichkeit,
zunächst den Parcours kennen zu lernen und die jetzt zu absolvierenden Kurven mit 70
km/h zu durchfahren. Nach der Übungsphase erfolgt die Versuchsreihe mit 70 km/h, in der
analog zum Vorgehen bei 50 km/h neben der Gesamtstörung auch die einzelnen Störungskomponenten gestellt und bewertet werden.
5.1.4
Stichprobe
An den Untersuchungen nahmen n=12 Personen teil. Die Testpersonen, davon sieben
männliche und fünf weibliche, wurden vor Ort angeworben. Es handelt sich bei den Teilnehmern um Autofahrer mit einer Mindestfahrleistung von 10000 km/Jahr. Ausgewählt
wurden Personen zwischen 25 und 40 Jahren. Berufskraftfahrer waren von der Untersuchung ausgeschlossen.
5.1.5 Zeitplan
Die Versuche wurden vom 27.04.2005 bis zum 02.05.2005 durchgeführt. In diesem Zeitraum bestand ein exklusives Nutzungsrecht für den Handlingkurs der Teststrecke in Papenburg. Die Versuchsdauer belief sich auf 3.5 Stunden. Aufgrund der hohen Versuchsdauer konnten pro Tag maximal drei Probanden untersucht werden.
Seite 55
FAT
5.2 Auswahl und Behandlung der Parameter
5.2.1 Messgrößen und ihre Verarbeitung
Bei jeder Messfahrt wurden die in Tabelle 5.3 aufgeführten Messgrößen erfasst. Die Datenerfassung und -aufbereirung erfolgte mit dem Programmpaket MatLab/Simulink. Fahrdynamikdaten des Fahrzeugs wurden mit Hilfe eines 3Hz Lowpass-Filters von Störungen
bereinigt, Bedieneingaben des Fahrers wurden mit 5Hz Lowpass gefiltert. Zur Vermeidung
von Zeitverzügen durch die Filterung werden die Daten in beide Richtungen gefiltert. Weiter wurde die erste Ableitung der die Bedieneingaben des Fahrers beschreibenden Parameter Lenkradwinkel und Lenkmoment3 bestimmt. Für die weitere Auswertung wurden die
mit 1000 Hz aufgezeichneten Daten auf 100 Hz reduziert. Die Tabelle gibt weiter an, welche abgeleiteten Parameter aus diesen Messgrößen bestimmt wurden.
Prognostizierte Querversatz
+ t p
Prognostizierte Querabweichung
Sollquerabweichung bei stationärer
Kurvenfahrt
=r-r
cos
Abbildung 5.2: Berechnung der prognostizierten Querabweichung.
Eine Sonderstellung nimmt der Parameter der prognostizierten Querabweichung ein, der
entsprechend dem Vorschlag von Reichelt (1990) berechnet wurde (Abbildung 5.2). Dieser
Parameter ergibt sich aus der Differenz der Sollquerabweichung bei stationärer Kurvenfahrt und dem prognostizierten Querversatz. Der prognostizierte Querversatz leitet sich für
die Bedingung einer konstanten Beschleunigung aus dem Weg/Zeit-Gesetz für die YRichtung ab und wird in der vorliegenden Untersuchung für jeden Zeitpunkt der Kurvenfahrt aus den Sensordaten für eine prognostizierte Zeit von 0.7 s berechnet. Das Koordinatensystem ist in der Abbildung entgegen der sonst üblichen mathematischen Anordnung
gedreht, so dass sich ein gedanklich auf die Tangente des Kreises projiziertes Fahrzeug
zum Zeitpunkt t=0 in positiver x-Richtung bewegt. Für den Fall, dass sich ein Fahrzeug
Das Lenkmoment wurde zwar gemessen, nicht aber in die Auswertung mit aufgenommen, da es im Versuchsträger
insbesondere nach Optimierung der Gierrate nicht realistisch dargestellt werden konnte. Hierzu wäre ein weiterer
Freiheitsgrad bei der Störungsaufschaltung notwendig. Die Untersuchung bezieht sich demnach auf Variation der kinästhetisch wahrzunehmenden Informationen. Aspekte der haptischen Informationsvermittlung werden nicht weiter
betrachtet.
Seite 56
FAT
nicht exakt auf einer stationären Kreisbahn bewegt, ergibt sich für den für eine bestimmte
Zeitspanne als konstant angesehenen Fahrzeugzustand ein bestimmter Querversatz, der als
prognostizierte Querabweichung bezeichnet wird.
Da die Fahrversuche nicht auf einer Fahrdynamikfläche, sondern auf einem Handlingkurs
durchgeführt wurden, war es aufgrund der vorhandenen Kurvenneigungen notwendig, die
Sollquerabweichung nicht aus den vorgegebenen Kurvenradien (Pylonengasse) zu berechnen, sondern diese statistisch zu bestimmen.
Tabelle 5.3: Erfasste Messgrößen und Filterung.
Erfasster Parameter
Filterung
Zeit [s]
keine
Querbeschleunigung [ay]
Butterworth 3Hz Low-Pass, 2. Ordnung
Hubvorgabe Soll [mm]
keine
Hubvorgabe Ist [mm]
Wankwinkel Sollwert [°]
keine
Wankwinkel Istwert [°]
Nickwinkel Sollwert [°]
keine
Nickwinkel Istwert [°]
Gierrate Sollwert [°/s]
keine
Gierrate Istwert [°/s]
Längsgeschwindigkeit [m/s]
Quergeschwindigkeit
Lenkradwinkel [°]
Lenkmoment [Nm]
Straßenprofil linker Vorderreifen [mm]
keine
Straßenprofil rechter Vorderreifen [mm]
keine
Schwimmwinkel [°]
abgeleiteter Parameter
Hubgeschwindigkeit [mm/s]
Wankgeschwindigkeit [7s]
Nickgeschwindigkeit [°/s]
Gierbeschleunigung [°/s2]
Lenkwinkelgeschwindigkeit [7s]
Prognostizierte Querabweichung
5.2.2 Kennwerte zur Validierung des Versuchsträgers
Zur Bestimmung der Präzision, mit der der Versuchsträger die zu erzeugenden Störungsanregungen darstellen kann, können sowohl Kennwerte für den zeitlichen Verlauf der Störung wie für deren Amplitudendarstellung berechnet werden. Für die Zeitverzüge zwischen
den tatsächlich gestellten Fahrzeugreaktionen im Vergleich zu denen aus dem Fahrzeugmodell vorgegebenen ist weiter zu unterscheiden, ob es sich um einen generellen Verzug
Seite 57
FAT
der gesamten Fahrzeugreaktion um einen bestimmten Betrag handelt (absoluter Verzug)
oder ob sich in der zeitlichen Sequenz der Fahrzeugreaktionen Verschiebungen ergeben,
mithin die Zeitstruktur der Fahrzeugreaktion verändert wird. Dabei sind absolute Zeitverzüge bei Erhalt der Zeitstruktur wenig problematisch, da für den Fahrer die Störungsauswirkungen lediglich zeitlich versetzt dargestellt werden. Kritisch sind Fälle, in denen einzelne Messgrößen unterschiedliche Zeitverzüge aufweisen.
£
' •
Z e i t
n a c h
S t ö r u n g s a u f s c h a l t u n g
[ s ]
Abbildimg 5.3: Darstellung der betrachteten Kennwerte zur Beschreibung der Abbildungsgüte des
Versuchsträgers am Beispiel des Wankwinkels. Betrachtet werden Zeitdifferenzen (2 Pfeile rechts
in der Grafik) und Amplitudendifferenzen (links in der Grafik markiert) in relativen Extrema.
Weitere Kennwerte sind aus den Amplitudendifferenzen der Sollvorgaben von den tatsächlich gemessenen Reaktionen zu bilden. Dazu werden die ersten beiden relativen Extremwerte nach der Störungsauslösung betrachtet. Abbildung 5.3 zeigt beispielhaft das Vorgehen für den Wankwinkel.
5.2.3 Kennwerte zur Beschreibung der Fahrzeugreaktion
Wie der beispielhafte Verlauf der Hubreaktion in Abbildung 5.4 zeigt, ergeben sich aus der
Anregung über eine Doppelwelle typischerweise zwei Minima und zwei Maxima. Um die
Störungsauswirkung auf das Fahrzeug zu bestimmen, wurden ausgehend von der zeitlichen
Struktur der Störungsanregung die lokalen Minima und Maxima der fahrdynamischen
Größen bestimmt, welche die Hub-, Wank-, Nick- und Gierbewegung des Fahrzeugs beschreiben. Hierzu wurden diejenigen Zeitfenster bestimmt, in denen überhaupt störungsbedingt Extremwerte auftreten können. Auf diese Weise lässt sich ausschließen, dass die
Kennwerte zur Beschreibung der Fahrzeugreaktion durch lokale Extremwerte verfälscht
werden, die sich nicht auf die Störungseinleitung, sondern auf Regelungseingriffe des Fahrers zurückführen lassen.
Aus den so extrahierten lokalen Extremwerten lassen sich getrennt für die beiden Einzelwellen störungsbedingte Spannweiten der Fahrzeugreaktion bilden (Differenz: Maximum Minimum). Hierbei spielt es aufgrund der Symmetrie der Störungsanregung keine Rolle,
ob sich der Peak to Peak-Wert auf die erste (wie in der Untersuchung verwendet) oder auf
die zweite Einzelwelle bezieht. Die Spannweite der beobachteten Fahrzeugreaktion ist unSeite 58
FAT
abhängig vom Kurvenausgangsniveau und bietet überdies den Vorteil, die Amplitudenvariationen der Störungsanregung direkt abzubilden. Die Auswertungen beziehen sich im
Folgenden auf die Spannweite der in Abbildung 5.5 und Abbildung 5.6 markierten relativen Extrema.
Verlauf der Hubreaktion
Abbildung 5.4: Verlauf der Hubreaktion des Fahrzeugs bei Störungsanregung über eine Doppelwelle mit t=Os als Zeitpunkt der Störungsauslösung. Markiert sind die extrahierten Maxima und
Minima sowie die Zeitfenster zur Plausibilisierung der lokalen Extremwerte.
20
1.5
-Soll
Ist
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1
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4
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1 2
Zeit [s]
3
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0
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1
Zeit [sj
2
Abbildung 5.5: Verläufe der Hub- und Nickreaktionen des Fahrzeugs bei Störungsanregung. Die
Pfeile beschreiben die zur Berechnung der Spannweite herangezogenen Extrema.
•U
-1.5
_.
•14
— Soll
•
Ist
•
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-18
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-24
-3.5
-3
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•
-2
0
1
Ze.t |s
-3
-2
1
0
1
1
Zeit [s]
Abbildung 5.6: Verläufe der Wank- und Gierreaktionen des Fahrzeugs bei Störungsanregung. Die
Pfeile beschreiben die zur Berechnung der Spannweite herangezogenen Extrema.
Seite 59
FAT
5.3.1 Externe Ausschlusskriterien: Wetter und technische Defekte
Während bei vereinzelten Niederschlägen und feuchter Fahrbahn keine starken Abweichungen der Charakteristik der Fahrzeugreaktionen beobachtet wurden, ist bei Starkregen
mit vollständig wasserbedeckter Fahrbahn bei den untersuchten Querbeschleunigungen ein
deutlich verändertes Fahrzeugverhalten nach Störungsaufschaltung zu beobachten. Aufgrund der mangelnden Vergleichbarkeit der in diesen Fällen tatsächlich aufgetretenen
Fahrzeugreaktionen mit denen bei trockener Straße wurden diese Messungen ausgeschlossen. Dies betraf insbesondere die 205 Messungen von Versuchsperson 8. Aufgrund
schwieriger Wetterverhältnisse musste der Versuch mehrfach unterbrochen und ganze
Messreihen wiederholt werden. Die Durchführung der in der Versuchsmatrix dargestellten
Messungen von Unebenheitsanregungen nahm bei diesem Versuchsteilnehmer insgesamt
acht Stunden in Anspruch. Vermutlich aufgrund der unbeständigen Wetterverhältnisse und
der langen Versuchsdauer treten bei diesem Versuchsteilnehmer inkonsistente Urteile auf,
die bei keiner anderen Versuchsperson in diesem Ausmaß zu beobachten sind.
Weiter konnten aufgrund eines Fahrzeugdefekts keine Messungen mit Versuchsperson 12
durchgeführt werden.
5.3.2 Interne Ausschlusskriterien
Unter der Voraussetzung, nur solche Messungen zu akzeptieren, in denen sich das Fahrzeug beim Durchfahren der Pylonengasse in quasistationärer Kreisfahrt befand, mussten
auch Messungen ausgeschlossen werden, bei denen zum Zeitpunkt der Störungsauslösung
starke Regelungstätigkeiten des Fahrers vorlagen. Weiter mussten auch Messungen ausgeschlossen werden, bei denen zum Zeitpunkt der Störungsauslösung eine so starke Abweichung vom Idealkurs vorlag, dass eine stabile Durchfahrt der Pylonengasse ohne deutliche
Korrektureingriffe nicht möglich war. Zur Veranschaulichung zeigt Abbildung 5.7 beispielhaft die Verläufe von Lenkradwinkel und Lenkradwinkelgeschwindigkeit bei einer
aufgeschalteten Störung in Form einer Doppelwelle mit 40 mm Tiefe. Klar zu erkennen
sind in diesem Beispiel die Einfahrt in die Kurve, der Bereich der Kurvenfahrt als Plateau
des Lenkwinkels zwischen 100 und 120° und die Ausfahrt aus der Pylonengasse (ab ca.
t>4s). Der hier beobachtete Lenkradwinkel liegt nahe an dem idealerweise zu stellenden
Lenkradwinkel für eine stabile Durchfahrt des gestellten Kreisradius bei 50 km/h von ca.
105°. Liegen nun zum Zeitpunkt der Störungsaufschaltung Lenkradwinkel an, die stark
von dem idealen Lenkradwinkel differieren, muss der Fahrer eine deutliche Lenkkorrektur
vornehmen, um die Pylonengasse zu bewältigen. Die dadurch produzierte Instabilität der
Kurvenfahrt muss aber der Lenkkorrektur, nicht der Vertikalstörung zugeschrieben werden. Deshalb sind auch solche Messungen auszuschließen.
Seite 60
FAT
120
100-
/
100
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50-
so
\
\
\
\
!
60
1
V
3
-50-
)
\
-100I I I
Z»it nach Störungsaufschaltung [s]
Zeit nach Störungsaufschaltung [s]
Abbildung 5.7: Verläufe von Lenkradwinkel (links) und Lenkgeschwindigkeit (rechts) im Bereich von 3 s vor
bis 7 s nach Störungsaufschaltung. Dargestellt ist eine Fahrt von VP 11, Doppelwelle mit 40 mm Tiefe bei 50
km/h, 5 m/s2.
Zur Gewinnung eines Kriteriums für diesen Ausschluss von Fahrten wurde pro Geschwindigkeits-/Querbeschleunigungsbedingung die Verteilung der Lenkradwinkel zum Zeitpunkt
der Störungsaufschaltung bestimmt. Aus den Verteilungen wurden Mittelwerte und Standardabweichungen berechnet. Lag der Lenkradwinkel einer Messfahrt um mehr als zwei
Standardabweichungen unter- oder oberhalb des Mittelwerts dieser Verteilung, wurde die
Fahrt aus der weiteren Auswertung ausgeschlossen. Dies betraf etwa 5% der Störungen.
Dieses Vorgehen wurde für jede der drei zu durchfahrenden Kurvenradien separat angewendet (siehe Abbildung 5.8).
vx soll: 50, Querbeschleuniqunq Soll: 3.0
vx soll: 50, Querbeschteuniqunq Soll: 5.0
vx soll: 70, Querbeschleuniqunq Soll: 5.00
30-
•
20-
Häufigkeit
20-
nr
-
10•
J
5-
0-
50
55
60
65
70
75
80
70
75
80
85
90
95 100 105 110 115 120
125
n
In
nn
65
70
75
85
n
90
95
Lenkradwinkel bei Störungsauslösung [°]
Abbildung 5.8: Verteilungen der Lenkradwinkel zum Zeitpunkt der Störungsauslösung bei 50 km/h mit 3 m/s2
(links) und 5 m/s2 (Mitte) bzw. 70km/h mit 5 m/s2 (rechts). Die senkrechten Linien stellen die Abweichungen
vom Mittelwert um +/- 2 Standardabweichungen dar.
Als weiteres Kriterium wurde die Lenkradwinkelgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Störungsauslösung betrachtet. Ein beispielhafter Verlauf ist in Abbildung 5.7 (rechts) dargeSeite 61
FAT
stellt. Wenn die Lenkradwinkelgeschwindigkeiten bei Störungsauslösung deutlich von 0°/s
abweichen, ist davon auszugehen, dass keine stabile Kurvenfahrt vorliegt. Wieder wurden
Messungen ausgeschlossen, bei denen Lenkradwinkelgeschwindigkeiten zu beobachten
sind, die mehr als zwei Standardabweichungen vom Mittelwert abweichen. Durch dieses
Kriterium wurden zusätzlich etwa 5% der Messungen ausgeschlossen.
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Lenkradwinkelgeschwindigkeit bei Störungsauslösung [°/s]
Abbildung 5.9: Verteilungen der Lenkradwinkelgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Störungsauslösung. Die
senkrechten Linien stellen die Abweichungen vom Mittelwert um +/- 2 Standardabweichungen dar.
5.3.3 Datenlage nach Korrektur
Insgesamt wurden 1805 Messfahrten durchgeführt. Diese Anzahl enthält zum einen 60
Zusatzmessungen, die von Mitarbeitern des Instituts unabhängig vom Versuchsplan durchgeführt wurden, um Vergleichsfahrten aufzuzeichnen, in denen bewusst Lenkeingriffe vorgenommen oder vermieden wurden. Für die Auswertung reduziert sich die Gesamtanzahl
der Fahrten aufgrund der in Kapitel 5.5.3.1 genannten Gründe um 205 Messungen der Versuchsperson 8. Des Weiteren wurden 102 Fahrten bei Starkregen durchgeführt, die ebenso
nicht in der Auswertung berücksichtigt wurden wie die 159 Messfahrten, bei denen zum
Zeitpunkt der Störangsauslösung starke Regelungstätigkeiten des Fahrers vorlagen. Ebenfalls nicht in die Berechnungen eingeflossen sind zusätzliche Trainingsfahrten. Nach Berücksichtigung dieser Ausschlusskriterien ergeben sich 1193 auswertbare Messfahrten. Da
jede Versuchsbedingung regelhaft von jedem Fahrer zweimal durchfahren wurde, wurden
die Teilergebnisse pro Individuum gemittelt, so dass insgesamt 741 Datensätze in die endgültige Auswertung eingehen. 118 Fälle davon beruhen auf Messfahrten, bei denen eine
Gesamtstörung bei aktivierter Wankstabilisierung aufgeschaltet wurde (Studie 2).
Seite 62
FAT
Vor der eigentlichen Auswertung hat eine Kontrolle der Versuchsbedingungen zu stehen.
Diese Kontrolle bezieht sich auf drei Fragen:
1. Ist es durch die Einführung von Pylonengassen auf dem Handlingkurs gelungen,
die angestrebten Geschwindigkeits-/Querbeschleunigungskombinationen zu erzeugen?
2. Inwieweit stimmen die am Versuchsträger gemessenen Zeitverzüge und Amplitudendifferenzen mit den Sollvorgaben überein?
3. Inwieweit ist es gelungen, die Einzelkomponenten der Störung isoliert voneinander
darzustellen?
5.4.1 Kontrolle der Realisierung der Soll-Querbeschleunigungen
Um zu prüfen, ob durch die Vorgabe der Kreisradien in den unterschiedlichen Kurven des
Handlingkurses eine Variation der Querbeschleunigung gemäß Versuchsplan hergestellt
wurde, werden die mittleren Querbeschleunigungen in den unterschiedlichen Kurven betrachtet. Die Kurven sind pro Querbeschleunigungsstufe im Uhrzeigersinn nummeriert
(Vergleiche Abbildung 5.1), so dass in den folgenden Abbildungen die einzelnen Kurven
getrennt dargestellt werden.
Abbildung 5.10 zeigt, inwiefern die Querbeschleunigungsvorgaben von 3 bzw. 5 m/s2 für
diese Kurven eingehalten werden können. Zu beachten ist, dass die vom Fahrzeugsensor
gelieferten Werte auf den Schwerpunkt umgerechnet sind und die tatsächlich gefahrene
Geschwindigkeit berücksichtigt wurde. Hieraus ergibt sich in der Darstellung die mittlere
Querbeschleunigung im Fahrzeugschwerpunkt bei idealer Geschwindigkeit von 50 bzw. 70
km/h. Um den Störungseinfluss zu eliminieren, basiert die Mittelwertsberechnung nur auf
den Querbeschleunigungswerten zum Zeitpunkt der Störungsaufschaltung. Bei dem Vergleich der kurvenspezifischen Werte fällt auf, dass Querbeschleunigungen für die einzelnen Kategorien für die Bedingung 50 km/h und 5 m/s2 eine Kurvenabhängigkeit vorliegt.
Die Querbeschleunigung ist in Kurve 4 (Sachskurve) im Vergleich zu den Kurven 2 und 3
deutlich geringer. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Sachskurve eine deutliche
Kurvenneigung aufweist. Gestützt wird diese Annahme durch die Berechnung der Querbeschleunigung aus Gierrate und Fahrzeuglängsgeschwindigkeit. Da die Gierrate von der
vorliegenden Kurvenneigung nur unwesentlich beeinflusst wird, ist bei dieser Berechnungsart eine deutliche Verringerung der Abweichung von der Sollvorgabe der Querbeschleunigung beobachtbar. Insgesamt lässt sich damit zeigen, dass die experimentelle Variation der Querbeschleunigungsstufen erfolgreich gelungen ist. Lediglich durch die Überhöhung von Kurve 4 ist in der Variante 50 km/h und 5 m/s2 eine leichte Abweichung gegenüber den weiteren Kurven dieser Bedingung zu beobachten.
Seite 63
FAT
Mittlere Querbeschleunigung zum Zeitpunkt der Störungsaufschaltung
Gültige Messungen bei verschiedenen Vx und Ay
•- 7
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
• " • • • Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
• * v » • * • « * * < • * * • » « » * <JÊ^
*^M> •
•i-14
i
o c
• I</> 2
JZ
o cn
(0
3
Ig 1
CJL.0
Kurvennummer
Abbildung 5.10: Kurvenspezifische Querbeschleunigung zum Zeitpunkt der Störungsaufschaltung
für alle gültigen Messfahrten. Dargestellt sind Mittelwert und Standardabweichung.
5.4.2 Abbildungsgüte der Gesamtstörung
Da wegen zeitlicher Restriktionen sich Aufbau und Tuning des Versuchsträgers mit den
Definitionsversuchen überlagerten, ist die Validierung des Versuchsträgers im closed loop
ebenfalls in dieser Studie 1 zu leisten, da erst hier der endgültige Ausbaustand des Versuchsträgers erreicht war.
Für diese Betrachtung werden zunächst die relativen Zeitverzüge von Sollvorgabe und
gemessener Reaktion in den Stellparametern Hub, Wanken, Nicken und Gieren dargestellt.
Die Betrachtung der Zeitdifferenzen erfolgt in den durch die Störungsanregung ausgelösten
ersten beiden relativen Minima und Maxima nach Störungsauslösung. Es bleibt zu betonen, dass nicht die absoluten Zeitverzüge von Interesse sind, da eine gleichmäßige Verschiebung der gesamten Störungsdarstellung lediglich zu einem Versatz der Störungsauswirkungen führt. Die Struktur der Störung bleibt in diesem Fall erhalten und wird nur bei
relativen Abweichungen der Zeitdifferenzen in den unterschiedlichen Parametern verändert. Damit ergibt sich, dass eine Betrachtung der Zeitverhältnisse nur sinnvoll für die Gesamtstörung ist, nicht aber für einzeln dargestellte Störungskomponenten. Im Weiteren
werden für die Gesamtstörung Differenzen der Amplituden in Sollvorgabe und Messung
überprüft. Auch hier bezieht sich die Analyse auf die durch die Störungsanregung ausgelösten ersten beiden Maxima und Minima.
5.4.2.1
Zeitverhältnisse
Die Betrachtung der absoluten und insbesondere der relativen Zeitdifferenzen (Soll - Ist)
zwischen den gestellten Parametern zeigt, dass im ersten Minimum absolute Zeitverzüge
von 40 bis maximal 80 ms auftreten (Abbildung 5.11 links). Aufgrund des etwas erhöhten
zeitlichen Verzugs, mit dem die Nickbewegungen aus der Unebenheitsanregung gestellt
werden, ergibt sich damit für die relativen Zeitverzüge als maximale Differenz der absolu-
Seite 64
FAT
ten Zeitdifferenzen ein Wert unterhalb von 40 ms. Dieser Wert bleibt für unterschiedliche
Störungstiefen stabil. Die größte zeitliche Abweichung ist bei den kleinsten gestellten Störungen von 10 mm Tiefe zu beobachten. Abbildung 5.11 rechts zeigt die Zeitverzüge im
ersten Maximum nach Störungsauslösung. Während für Hub-, Wank- und Gierbewegungen die mittleren absoluten Zeitverzüge zwischen 45 und 60 ms liegen, erscheint das entsprechende Maximum der Nickreaktion 100 ms verspätet. Daher ergibt sich eine maximale
relative Zeitdifferenz von 55 ms. Die Zeitdifferenzen sind zum großen Teil auf den größeren zeitlichen Versatz der Nickbewegungen zurückzuführen. Mit 55 ms maximaler relativer Zeitdifferenz kann jedoch von einer guten zeitlichen Darstellung der Fahrzeugreaktionen auf die Störungsanregung ausgegangen werden.
Soll/Ist-Vergleich bei Gesamtstörung
Zeitdifferenzen (Soll-Ist) für erstes Minimum
o
-0.05
N
2
-0.1
I
N
*- HubMini
H - WankMini
*--NickMin1
GierMini
-0.15
-0.2
10
20
30
Störungstiefe [mm]
40
Soll/Ist-Vergleich bei Gesamtstörung
Zeitdifferenzen (Soll-Ist) für erstes Maximum
I
I
I
-0.05
-0.1
•HubMaxi
WankMaxi
NickMaxi
GierMaxi
-0.15
-0.2
10
20
30
Störungstiefe [mm]
40
Abbildung 5.11: Mittlere Zeitdifferenzen (Sollvorgabe — Istverlauf) im ersten relativen Minimum (oben) und
Maximum (unten) nach Störungsauslösung. Dargestellt sind die absoluten Zeitdifferenzen für Hub, Wank-,
Nickwinkel und Gierrate. Die relativen Zeitdifferenzen ergeben sich aus der Lage der absoluten Differenzen
zueinander.
Seite 65
FAT
5.4.2.2
Amplitudendifferenzen
Zur Bewertung der Abbildungsgüte in Bezug auf die Störungsstärke werden die Differenzen der Amplituden in den durch die Störung hervorgerufenen lokalen Extrema betrachtet.
Die in Abbildung 5.12 dargestellten Differenzen der Amplituden in erstem und zweitem
Maximum bzw. Minimum der Hubreaktion zeigen eine leichte Zunahme der Abweichung
mit steigender Amplitudenstärke. Die mittleren Differenzen des zweiten Maximums, die
die Grundlage der Regeloptimierung bildeten, verhalten sich im gesamten Bereich der realisierten Störungstiefen neutral, während erstes Minimum und Maximum deutlicher überschwingen. Ähnlich ist für das Wanken eine Zunahme der Amplitudendifferenzen bei steigender Störungstiefe zu beobachten. Die Abweichungen liegen jedoch in der Regel unterhalb von 0.1° und sind damit nicht als gravierend zu betrachten.
Soll/Ist-Vergleich bei Gesamtstörung für verschiedene Extrema
Amplitudendifferenzen (Soll-Ist) Hub
20•-»-•Mini
—•-Maxi
•••A" Min2
Max2
1510
E
5
^
|
0
1
-5
•••>•••••••••••••••«•*"*
^f^^^^^^*
^f
--•
-10
-15
-20
10
20
30
Störungstiefe [mm]
40
Amplitudendifferenzen (Soll-Ist) Wank
0.5
^^^fiiiirr::::^
i
-0.5
10
20
30
Störungstiefe [mm]
40
Abbildung 5.12: Mittlere Amplitudendifferenzen (Sollvorgabe - lstverlauj) in den ersten vier lokalen Extremwerten nach Störungsauslösung. Dargestellt sind die Amplitudendifferenzen für Hub (oben) und Wankwinkel (unten).
Seite 66
FAT
Gleiches gilt auch für die Nickbewegungen (Abbildung 5.13). Die Zunahme der Amplitudendifferenz über die Störungstiefe liegt in der Regel unterhalb von 0.1°. Bei hohen Störungstiefen ist ein schwaches Unterschwingen im ersten Maximum sichtbar. In der Gierrate sind kaum deutlichere Abweichungen zu beobachten. Lediglich im zweiten Maximum
ist in deutliches Überschwingen mit zunehmenden Störungstiefen feststellbar, das bei den
größten Störungen von 40 mm um 1.2 °/s liegt. Hinsichtlich der gemessenen Amplituden
kann das Fahrzeug damit als geeignet für die Abbildung der eingesetzten Vertikalanregungen angesehen werden.
Amplitudendifferenzen (Soll-Ist) Nick
0.5
o
iz
• i% ««Mivi.-i:—V—'
-0.5
10
20
30
Störungstiefe [mm]
40
Amplitudendifferenzen (Soll-Ist) Gier
20
30
Störungstiefe [mm]
40
Abbildung 5.13: Mittlere Amplitudendifferenzen (Sollvorgabe - Istverlauf) in den ersten 4 lokalen Extremwerten nach Störungsauslösimg. Dargestellt sind die Amplitudendifferenzen für Nickwinkel (oben) und Gierrate (unten).
Seite 67
FAT
5.4.3 Abbildungsgüte der Einzelkomponentenstellung
Für die Beschreibung der Abbildungsgüte des Fahrzeugs hinsichtlich der Stellung einzelner Störungskomponenten, bei der Hub-, Wank-, Nick und Gierbewegungen des Fahrzeugs
jeweils isoliert gestellt und die anderen Stellgrößen aktiv in der Ausgangslage gehalten
werden sollen, wird die Amplitude in erstem Maximum und erstem Minimum betrachtet
(siehe Abbildung 5.5 und Abbildung 5.6). Die Darstellungen zeigen die auftretenden Fahrzeugreaktionen in jeweils einem Parameter bei Stellung der vier Einzelkomponenten. So
zeigt Abbildung 5.14 die Amplitude der tatsächlichen Fahrzeugreaktion in der Hubbewegung bei Stellung einer isolierten Hubstörung gegenüber den Wank-, Nick- und Gierstörungen. Zum Vergleich ist zusätzlich die Gesamtstörung dargestellt. Für eine erfolgreiche
isolierte Stellung der isolierten Hubstörung ist damit einerseits eine Hubreaktion zu fordern, die der Hubreaktion der Gesamtstörung entspricht. Weiter sollten die Reaktionen in
den weiteren Stellgrößen Wanken, Nicken, Gieren auf konstantem Niveau der Ausgangslage liegen (hier: bei Null liegen aufgrund der Ausgangslagenkorrektur).
Vergleich der Störungsarten
Hub für erstes Minimum
20 r
10
0
• Korn plettstoeru ng
— • - Hubstoerung
-^-Wankstoerung
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
I
I
-20
-30
-40
-50
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
Hub für erstes Maximum
20
10
0
Komplettstoerung
Hubstoerung
- ^ — Wankstoerung
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
-10
-20
-30
-40
-50
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
Abbildung 5.14: Mittlere Amplituden der Hubreaktion für Gesamtstönmg und Einzelkomponentenstörungen
im ersten Maximum (unten) und erstem Minimum (oben) abhängig von der Störimgstiefe.
Seite 68
FAT
Hinsichtlich der beobachteten Hubreaktionen zeigt sich in der Amplitude des 1. Maximums, dass bei der Hubstörung über alle Störungstiefen hinweg gleiche Hubbewegungen
auftreten wie bei der Gesamtstörung. Bei allen anderen Störungen hingegen ist die Hubbewegung auf Null reduziert. Hinsichtlich der Hubbewegungen des Fahrzeugs ist die Einzelkomponentenstellung damit als erfolgreich anzusehen. Die Darstellung des 1. Minimums erfolgt nur aus Gründen der Vollständigkeit. Da die Regelvorgabe in diesem Punkt
die Fahrzeugbewegung auf Null zurückführt, ist kein Unterschied in den Hubreaktionen
bei unterschiedlichen Störungskomponentenstellungen zu erwarten.
Genauso erweist sich die Einzelkomponentenstellung im Hinblick auf die aufgetretenen
Nickreaktionen als erfolgreich. So sind ausschließlich bei Stellung der isolierten Nickstörung deutliche Nickreaktionen zu beobachten, die im 1. Minimum mit den Nickreaktionen
bei vollständiger Störungsdarbietung übereinstimmen und im 1. Maximum nur leicht abgeschwächt dargestellt werden können (Abbildung 5.15).
Nick für erstes Minimum
0.2 r
0
Komplettstoerung
Hubstoerung
—^-Wankstoerung
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
r -0.2
o
iz -0.4
-0.6
-0.8
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
Nick für erstes Maximum
0.8
i
0.6
0.4
o
0.2
*
s ,,x,T-i
f .. T 1 "!
0
-0.2
&
10
20
•
Komplettstoerung
•^h Hubstoerung
—±- Wankstoerung
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
Abbildung 5.15: Mittlere Amplituden der Nickreaktion fiir Gesamtstönmg und Einzelkomponentenstörungen
im ersten Maximum (unten) und erstem Minimum (oben) abhängig von der Störimgstiefe.
Seite 69
FAT
Die Analyse der Wankbewegung ergibt ein diffuseres Bild (Abbildung 5.16). So kann zwar
einerseits gezeigt werden, dass bei Stellung einer isolierten Wankstörung Wankwinkel in
gleicher Größenordnung auftreten wie bei Stellung der Gesamtstörung. Aber es zeigt sich
andererseits, dass ein vollständiges Unterdrücken der Wankbewegungen nur bei isolierter
Nickstellung möglich ist. Bei Gier- und Hubstörungen sind weiterhin - deutlich abgeschwächte - Wankreaktionen erkennbar. Damit ist festzuhalten, dass Gier- und Hubstörung
nur mit gleichzeitigen geringen Wankanteilen gestellt werden können.
Wank für erstes Minimum
0.2
:| °
o
£-0.2
< -0.4
o
Komplettstoerung
Hubstoerung
(
1 -0.6
-0.8
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
60
70
80
Wank für erstes Maximum
• Komplettstoerung
—A— Wankstoerung
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
& 1-5
(0
cn
0.5
-0.5
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
Abbildung 5.16: Mittlere Amplituden der Wankreaktion fiir Gesamtstörung und Einzelkomponentenstörungen
im ersten Maximum (unten) und erstem Minimum (oben) abhängig von der Störungstiefe.
Wie Abbildung 5.17 darstellt, führt eine isolierte Stellung der Gierreaktionen zwar zu deutlichen Gierreaktionen, allerdings zeigen sich diese gegenüber den Gierbewegungen bei
Gesamtstörung klar verringert. Auch die Unterdrückung der Gierbewegungen bei Nickund Hubstörung kann insbesondere im 1. Minimum nicht vollständig geleistet werden.
Eine deutliche Reduktion der Gierreaktion ist nur bei isolierten Wankstörungen möglich.
Seite 70
FAT
Gier für erstes Minimum
2r
•
I
I
1
rmm—,
•
m
i
1
•
O.-2
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•
-6 - ""A— Wankstoeruna
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
60
70
80
Gier für erstes Maximum
1 6
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1• 4
—^-Wankstoerung
Nickstoerung
-•-Gierstoerung
I
.2 -2
CD
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
Abbildung 5.17: Mittlere Amplituden der Gierreaktion für Gesamtstörung und Einzelkomponentenstörungen im ersten Maximum (unten) und erstem Minimum (oben) abhängig von der Störungstie-
feFür die Einzelkomponentenstellung ergibt sich damit folgendes Bild:
•
Wankstörungen können fast vollständig isoliert dargestellt werden. In Hub, Nicken
und Gieren sind kaum Fahrzeugbewegungen festzustellen.
•
Bei der isolierten Stellung von Gierstörungen können Wankbewegungen nicht in
vollem Maße unterdrückt werden. Hub- und Nickbewegungen werden auf ein Minimum reduziert. Die Gierstörung ist damit als Gierstörung mit Wankanteilen zu
sehen.
•
Nickstörungen haben neben starken Nickbewegungen aufgrund der dynamischen
Achslastveränderungen auch leichte Gierreaktionen zur Folge. Deutliche Hub- und
Wankbewegungen treten nicht auf.
•
Eine Darstellung der isolierten Hubstörung ist möglich. Allerdings lassen sich Gierund Wankbewegungen nicht vollständig unterdrücken.
Seite 71
FAT
Damit zeigt sich, dass die Einzelkomponentenstellung eher im Sinne einer Maximierung
der Reaktionen im zu stellenden Parameter gegenüber anderen Fahrzeugbewegungen zu
behandeln ist.
5.5 Bewertung der Störungen
Entsprechend dem in Kapitel 1 dargestellten Rationale der von Neukum & Krüger (2003)
eingeführten Störungsbewertungsskala (SBS) ist Gegenstand des Fahrerurteils nicht die
Störung selbst, auch nicht die dadurch ausgelöste Fahrzeugreaktion, sondern das Ergebnis
der Fahrer-Fahrzeug-Interaktion bei der Bewältigung der Störung. Um die Systematik der
subjektiven Beurteilung zu erfassen, sind daher drei Schritte nötig:
1. die Bestimmung der funktionalen Abhängigkeit der subjektiven Bewertung von der
physikalischen Störungsgröße,
2. die Bestimmung der relevanten fahrdynamischen Auswirkungen der Störung,
3. die Bestimmung der funktionalen Abhängigkeit zwischen fahrdynamischen Auswirkungen und subjektiver Bewertung.
Die folgende Auswertung geht in dieser Abfolge vor. Dazu wird zuerst über die gesamte
Urteilsverteilung bestimmt, welcher Störungsbereich durch die Versuchsbedingungen der
vorliegenden Studie 1 überhaupt abgedeckt werden konnte (die SBS differenziert von
„nichts bemerkt" bis „nicht mehr kontrollierbar"). Es wird dann bestimmt, welche Beziehungen zwischen Fehlergröße, fahrdynamischen Auswirkungen und Bewertungen im Fall
der Gesamtstörung aufzuzeigen sind.
In einem zweiten Teil wird betrachtet, welche Bewertungen von den Fahrern abgegeben
werden, wenn sie nicht mit der Gesamtstörung, sondern mit den isolierten Teilstörungen
konfrontiert werden. Es wird dann überprüft, ob sich aus dieser besonderen Versuchsanordnung Kriterien ableiten lassen, welcher fahrdynamische Parameter für die Beurteilung
der Vertikalstörung der wichtigste ist.
5.6 Die Bewertung der Gesamtstörung
5.6.1 Die Verteilung der Bewertungsurteile
Wie sich bereits in den Definitionsversuchen andeutete (siehe dazu Kap. 4.3), wird das
Gesamt der im Versuch realisierten Vertikalstörungen als höchstens „das Fahren wurde
gestört" bewertet. In keinem Fall wird ein Urteil der Kategorie „gefährlich" vergeben. Die
Mehrzahl der gestellten Anregungen wird entweder von den Probanden nicht bemerkt oder
als „spürbar" bewertet: 80% der beurteilten Anregungen werden in den unteren beiden
Kategorien der Störungsbewertungsskala eingeordnet. Dieses Ergebnis ist bedeutsam, da
der ausgewählte Untersuchungsbereich durchaus Störungen realisierte, die deutlich über
denen liegen, die laut straßenbaulichen Verordnungen zulässig sind und unter Geschwin-
Seite 72
FAT
digkeits- und Querbeschleunigungsbedingungen untersucht wurde, die für den Normalfahrer charakteristisch sind. Sicherlich wäre es unter dem Gesichtspunkt der vollständigen
Ausschöpfung der Skala wünschenswert gewesen, auch „gefährliche" Störungen mit einzubeziehen. Dazu war allerdings der Versuchsträger nicht geeignet.
30 r
1
2
spürbar
4
5
störend
Urteil SBS
6
7
8
9
gefährlich
Abbildung 5.J8: Verteilung der Urteile bei Gesamtstörung.
5.6.2 Die Beziehung zwischen Störungstiefe und Störungsbewertung
Abbildung 5.19 zeigt, wie die Auswirkungen der realisierten Störungstiefen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen bewertet wurden. In allen
untersuchten Ausgangssituationen hinsichtlich Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsstufen zeigt sich eine Zunahme der mittleren Urteile mit ansteigender Störungstiefe.
Die Grenze, ab der Störungen als „stört das Fahren" bewertet werden, liegt bei über 20 mm
Störungstiefe. Störungstiefen von 40 mm erreichen auch im Mittelwert den Bereich der
Störung des Fahrens.
Ein Blick auf die Durchgänge, bei denen keine Störung aufgeschaltet wurde („Nullstörung", in der Abbildung als „0" gekennzeichnet), zeigt, dass die Fahrer bereits hier
manchmal den Eindruck einer Störung hatten. Ebenso tritt häufiger der Fall auf, dass die
geringste Störungstiefe von 10 mm nicht bemerkt wurde. Beides ist auf das hohe Grundrauschen des Fahrzeugs durch Anregungen aus geringen Unebenheiten der Versuchsstrecke und der Regeltätigkeit des Probanden beim Durchfahren der Pylonengassen zurückzuführen. Die Bestimmung einer Wahrnehmungsschwelle ist deshalb sehr stark davon abhängig, unter welchen Randbedingungen die Störung aufgeschaltet wird. Eine absolute
Wahrnehmungsschwelle müsste unter „klinischen" Bedingungen (etwa im Simulator) bestimmt werden, hätte dann allerdings nur geringe praktische Bedeutung. Für die im Versuch realisierten Bedingungen kann aber von einer Schwelle deutlich unterhalb von 10 mm
Störungstiefe ausgegangen werden, wenn als Schwellenkriterium die 50%-Grenze der Bemerkbarkeit angenommen wird.
Seite 73
FAT
-•-Gesamtstörung 50km/h 3m/s2
Q 8
co
7 7
56
I5
co
i
=> 3
\
v 2
£
10
30
40
- • -Gesamtstörung 50km/h 5m/s:
Q 8
co
i
20
Störungstiefe [mm]
5
i«
=) 3
M
8
?
Q 8
t-
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
-A-Gesamtstörung 70km/h 5m/s:
co
17 7
5
§6
I4
co
i
8
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9z
1
S 1
0
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildimg 5.19: Bewertung der Störungsauswirkungen in Abhängigkeit von der Störungstiefe getrennt dargestellt für unterschiedliche Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen. Dargestellt sind Mittelwerte und
Standardabweichungen (siehe Tabelle 9. l).
Seite 74
FAT
Neben der Störungstiefe wurde die Ausgangsquerbeschleunigung in der Kurvenfahrt über
unterschiedliche Kreisradien variiert. Bei einer Ausgangsgeschwindigkeit von 50 km/h
wurden Störungen bei Querbeschleunigungen von ca. 3 m/s2 und ca. 5 m/s2 untersucht.
Abbildung 5.20 zeigt, dass Störungen gleicher Tiefe bei höherer Ausgangsquerbeschleunigung stets höher bewertet wurden, d.h. bei höherer Querbeschleunigung werden Unebenheiten eher als störend eingestuft. Während bei einer Querbeschleunigung von 5 m/s2 Unebenheiten bereits ab 20 mm als störend bewertet werden, bedarf es bei 3 m/s2 Ausgangsbeschleunigung Unebenheiten von 40 mm Tiefe.
Mittleres Urteil über Störungstiefe
Vergleich Querbeschleunigung
•••«•• Ay: 3m/s2
-•-Ay:5m/s 2
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 5.20: Bewertung der Störungsauswirkungen in Abhängigkeit von der Störungstiefe bei unterschiedlichen Querbeschleunigungen. Dargestellt sind nur Störimgsanregungen bei 50km/h (siehe Tabelle
9.1).
Vergleich Geschwindigkeit
co
— » - V x : 50 km/h Ay: 5m/s2
- • - V x : 70 km/h Ay: 5m/s2
8
| 6
fc i-'^l
I
0
T
\:•••-:-'-r
I
10
30
20
Störungstiefe [mm]
40
Abbildung 5.21: Bewertung der Störungsauswirkungen in Abhängigkeit von der Störungstiefe bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dargestellt sind nur Störungsanregungen bei 5m/s2 (siehe Tabelle 9.1).
Der Einfluss der Ausgangsgeschwindigkeit wird ausschließlich bei einer Querbeschleunigung von 5 m/s2 betrachtet. Untersucht wurden die Ausgangsgeschwindigkeiten 50 und 70
km/h (Abbildung 5.21). Hier zeigt sich, dass bei Störungstiefen unter 30 mm Unebenheits-
Seite 75
FAT
anregungen gleicher Tiefe bei 50 km/h in geringem Maße schlechter bewertet werden als
bei 70 km/h. Bei größeren Unebenheitsanregungen verschwindet dieser Unterschied jedoch. Das Ergebnis weist darauf hin, dass der Einfluss der Querbeschleunigung auf die
Bewertung höher ist als der Einfluss der Geschwindigkeit. Ist dies der Fall, müssen bei der
Beurteilung der Teilstörungen diejenigen fahrdynamischen Parameter, die deutlich auf
höhere Querbeschleunigungen reagieren, einen stärkeren Einfluss auf die Bewertung ausüben. Wie weiter unten gezeigt wird, ist dies sowohl für das Wanken wie für die Gierrate
der Fall.
5.6.3 Die Beziehung zwischen Störungstiefe und fahrdynamischer Auswirkung
Im zweiten Schritt werden die Auswirkungen der Vertikalstörung auf die fahrdynamischen
Größen bestimmt. Abbildung 5.22 zeigt die bei unterschiedlichen Störungstiefen aufgetretenen mittleren Spannweiten (1. Maximum - 1. Minimum) in Hub- und Nickreaktion des
Fahrzeugs.
Spannweite der Hubreaktion über Störungstiefe
Gesamtstörung bei verschiedenen Vx und Ay
50
E"
E.
40
i
30
»5
20
— » - V x : 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
10
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Spannweite der Nickreaktion über Störungstiefe
g
s
£
1.5
ä
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
1
0.5
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildimg 5.22: Hub- und Nickreaküonen des Fahrzeugs bei Gesamtstörungen für die realisierten Störungstiefen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich Geschwindigkeit und
Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.2).
Seite 76
FAT
Für die Hubreaktionen zeigt sich eindeutig, dass die zu stellende Bandbreite sehr gut abgebildet werden kann. Ausgangsgeschwindigkeit und Querbeschleunigung besitzen keine
Auswirkungen auf diesen linearen Zusammenhang. Die geringen Standardabweichungen
belegen weiter die gute Replizierbarkeit und die Unabhängigkeit der gestellten Hubreaktion des Fahrzeugs von situativen Störeinflüssen z.B. aus Unregelmäßigkeiten in der Fahrbahn.
Für die Nickreaktion bietet sich ein ähnliches Bild. Auch hier kann ein linearer Zusammenhang mit geringer Anfälligkeit für Störeinflüsse festgestellt werden. Gegenüber der
Hubreaktion zeigt sich die Nickreaktion jedoch stark geschwindigkeitsabhängig. So tritt
bei 50 km/h in beiden Querbeschleunigungskonfigurationen eine Bandbreite von ca. 1.5°
Nickwinkel über die verschiedenen Störungstiefen auf. Bei der erhöhten Geschwindigkeit
von 70 km/h lassen sich nur Variationen von 0.8° in der Spannweite des Nickwinkels herstellen.
Spannweite der Wankreaktion über Störungstiefe
2r
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
I
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«
5
c
-»-Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
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1•
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•
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10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Spannweite der Gierreaktion über Störungstiefe
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• Vx: 50km/h Ay: 3m/sJ
—••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s=
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/sJ
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10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 5.23: Wank- und Gierreaktionen des Fahrzeugs bei Gesamtstörungen für die realisierten Störungstiefen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich Geschwindigkeit und
Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.2).
Seite 77
FAT
Abbildung 5.23 zeigt eine erfolgreiche Variation der Wankreaktion durch unterschiedliche
Störungstiefen. Im Gegensatz zur Nickreaktion hat die Geschwindigkeit einen verstärkenden Einfluss auf die Wankreaktion: Bei 70 km/h können Wankreaktionen von bis zu 1.3°
hervorgerufen werden, während bei 50 km/h nur ca. 0.7° Wankreaktion erzeugt werden. Zu
beachten ist die im Vergleich zu Hub- und Nickreaktion erhöhte Varianz. Die Wankreaktion des Fahrzeugs zeigt sich als stärker abhängig von nicht vollständig kontrollierbaren
Faktoren wie geringen Störanregungen aus der Fahrbahn.
Noch weiter erhöht ist die Varianz innerhalb einer Störungstiefe bei der Gierrate. Hier fallen noch stärker leicht unterschiedliche Kreisradien ins Gewicht, die innerhalb der gestellten Pylonengassen von den Probanden realisiert werden. Auch die gleichzeitige Regeltätigkeit des Fahrers moderiert die beobachtete Gierreaktion aus der Störungsaufschaltung.
Nichtsdestotrotz zeigt sich die Gierreaktion als direkt abhängig von der Störungstiefe. Dabei unterscheiden sich die Gierreaktionen der unterschiedlichen Ausgangssituationen hinsichtlich Geschwindigkeit und Querbeschleunigung deutlich voneinander. So führt eine
Erhöhung der Querbeschleunigung genauso wie eine Erhöhung der Geschwindigkeit zu
stärkeren Gierreaktionen, so dass bei 70 km/h und 5 m/s2 die mittlere Spannweite der Gierrate bei bis zu 9°/s liegt. Bei 50km/h führen 5 m/s2 zu ca. 7°/s, bei 3 m/s2 zu ca. 4°/s in der
mittleren Spannweite der Gierreaktion.
Zusammenfassend lässt sich damit festhalten, dass alle untersuchten fahrdynamischen
Größen durch die Störungstiefe beeinflusst werden. Allerdings modifizieren Geschwindigkeit und Ausgangsquerbeschleunigung die Struktur der Fahrzeugreaktionen. So nehmen
beispielsweise mit zunehmender Geschwindigkeit Nickreaktionen des Fahrzeugs ab, während Wank- und Gierbewegungen durch die höhere Geschwindigkeit verstärkt werden.
Diese Strukturveränderung ist bei weiteren Auswertungen zu berücksichtigen.
5.6.4 Die Beziehung zwischen fahrdynamischer Auswirkung und Störungsbewertung
Im dritten Schritt der Auswertung werden die subjektiven Störungsbewertungen auf ihre
eigentliche Urteilsgrundlage - die fahrdynamische Resultante aus der Fahrer-FahrzeugInteraktion - bezogen. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass trotz gleicher
experimenteller Bedingungen (Störungstiefe, Ausgangsgeschwindigkeit und Ausgangsquerbeschleunigung) bei jeder Fahrt andere Bedingungen resultierten. Um dennoch generelle Aussagen treffen zu können, müssen deshalb die fahrdynamischen Parameter klassifiziert werden.
Die Definition der Klassen erfolgt nach Analyse der Verteilungen der aufgetretenen Fahrzeugreaktionen derart, dass gleichabständige Klassen gebildet und möglichst gleich starke
Besetzungen der Klassen zumindest im mittleren Bereich erreicht werden. Auf dieser
Grundlage wird die durch die Störung ausgelöste Spannweite der Hubreaktionen des Fahrzeugs in Kategorien von 10 mm Breite eingeteilt. Für die Nickreaktion ergeben sich Klassen mit einer Breite von 0.25° Nickwinkel. Bezüglich des Wankwinkels werden Klassen
mit einer Breite von 0.5° Wankwinkel und für die Gierreaktion mit einer Breite von 2°/s
Gierrate gewählt. Klassen, die weniger als zwei Fälle beinhalten, wurden aus Darstellung
und Analyse ausgeschlossen. Für jede der so entstehenden Klassen werden Mittelwerte und
Standardabweichungen der Urteile gebildet und dargestellt.
Seite 78
FAT
Nachdem gezeigt werden konnte, dass einerseits die Amplituden der Hubreaktionen des
Fahrzeugs mit zunehmender Störungstiefe linear ansteigen (Kap. 5.6.3) und weiter die Störungsbewertung ebenfalls mit der Störungstiefe ansteigt (Kap. 5.6.2), geht auch - wie zu
erwarten - eine zunehmende Hubreaktion mit einer Zunahme der Störungsbewertung einher (Abbildung 5.24). Es zeigt sich, dass Vertikalstörungen unter bestimmten Ausgangskonfigurationen (50 km/h, 5 m/s2) schon in die Kategorie „störend" eingestuft werden, die
mit Hubbewegungen größer 15 mm einhergehen. Bei größerer Geschwindigkeit (70 km/h,
5 m/s2) bzw. kleinerer Ausgangsquerbeschleunigung (50 km/h, 3 m/s2) erfolgt eine solche
Bewertung regelhaft erst bei Störungen mit mindestens 25 mm Hub.
Mittleres Urteil über Stärke der Hubreaktion
- • - V x : 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
I6
•
53
& 2
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]15-25]
]25-35]
Spannweite der Hubreaktion [mm] (1 .Max - 1 .Min)
Mittleres Urteil über Stärke der Nickreaktion
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
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1,
3 3
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Ja
]0-0.25]
]0.25-0.5] JO.5-0.75] JO.75-1.0] J1.0-1.25] ]1.25-1.5]
Spannweite der Nickreaktion [°] (1Max- I.Min)
Abbildung 5.24: Bewertung der aufgetretenen Hub- und Nickreaktionen des Fahrzeugs aufgrund der Störungseinleitung. Die Spannweiten der Fahrzeugreaktionen (1. rel. Maximum - 1. rel. Minimum) sind ex post
kategorisiert; es ist zu beachten, dass den einzelnen Kategorien unterschiedlichen Häufigkeiten zugrunde
liegen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich Geschwindigkeit und
Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.7 und Tabelle 9.8).
Hinsichtlich der Nickreaktion zeigt sich, dass Gesamtstörungen mit Nickwinkeln von mindestens 0.5° als störend wahrgenommen werden (Abbildung 5.24). Lediglich bei 50 km/h
Seite 79
FAT
und 3 m/s2 werden erst solche Unebenheiten regelhaft als „störend" eingestuft, bei denen
Nickwinkel größer 1° auftreten.
Für die Wankwinkel zeigt sich, dass schon bei geringsten Wankreaktionen Vertikal Störungen als störend wahrgenommen werden können (Abbildung 5.25). Bei vollständiger Störungsdarstellung werden Unebenheiten als störend bewertet, die eine Gierreaktion größer
2°/s hervorrufen (Abbildung 5.25). Lediglich bei höherer Geschwindigkeit werden erst
Störungen als „störend" eingestuft, bei denen Gierraten von 6 °/s auftreten.
Mittleres Urteil über Stärke der Wankreaktion
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
88
I6
3
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I
]0-0.5]
Spannweite der Wankreaktion [°] (I.Max - I.Min)
Mittleres Urteil über Stärke der Gierreaktion
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
••••••Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
I6
]0-2]
]2-4]
]4-6]
Spannweite der Gierreaktion [7s
]6-8]
]
(I.Max-I.Min)
Abbildung 5.25: Bewertung der aufgetretenen Wank- und Gierreaktionen des Fahrzeugs aufgrund der Gesamtstörung. Die Spannweiten der Fahrzeugreaktionen (1. rel. Maximum - 1. rel. Minimum) sind ex post
kategorisiert; es ist zu beachten, dass den einzelnen Kategorien unterschiedlichen Häufigkeiten zugrunde
liegen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich Geschwindigkeit und
Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.9 und Tabelle 9.10).
Seite 80
FAT
5.6.5 Fahrerreaktionen
Neben der Beschreibung der StörungsWahrnehmung und -bewertung im Fahrzeug hat sich
diese Studie zum Ziel gesetzt, Reaktionsweisen des Fahrers bei vertikaldynamischen Anregungen mit gleichzeitiger Querdynamikbeanspruchung zu leisten. Untersuchungen von
IZVW und ika zu Kurshaltungsstörungen im Fehlerfall einer Überlagerungslenkung zeigten teilweise heftige Kompensationsreaktionen auf, deren Effekte deutlich gefährlicher
sind als die ursprüngliche Störung.
Unter diesem Aspekt gilt es zu klären, ob und wie häufig Reaktionen des Fahrers zu beobachten sind, die durch die Unebenheitsanregung ausgelöst werden. Aus den Fällen mit
beobachteten Eingriffen des Fahrers sind ferner Auslösebedingungen zu identifizieren. Wie
sich bereits in den Definitionsversuchen gezeigt hat, sind die Ausgangsbedingungen für
das Auftreten solcher Fahrerreaktionen in der hier gewählten Anordnung ungünstig. Ebenso weist die Tatsache, dass keine realisierte Vertikalstörung als „gefährlich" eingestuft
wurde, darauf hin, dass in diesem Versuch lediglich ein geringer Bedarf an Störungskompensation durch den Fahrer gefordert war.
5.6.5.1 Zur Definition der „Fahrerreaktion"
Zur Bestimmung, wie groß der Lenkeingriff eines Fahrers sein muss, um als Reaktion auf
eine Vertikalstörung gelten zu können, wurden von Mitarbeitern des Instituts Fahrten
durchgeführt, in denen in der Kurvenfahrt so starke Lenkbewegungen eingeleitet wurden,
dass dennoch die Pylonengasse fehlerfrei durchfahren und das Manöver sicher abgeschlossen werden konnte. Die bewussten Eingriffe wurden ohne zusätzliche Störungsaufschaltung umgesetzt, so dass keine Fahrzeugbewegungen durch zusätzliche Unebenheitsanregung auftraten. Die bewussten Eingriffe werden durch Fahrten ergänzt, bei denen keine
Eingriffe durchgeführt wurden, so dass hierdurch ein Vergleich von Fahrten mit gegenüber
ohne Eingriff des Fahrers erfolgen kann. Die Fahrten ohne Eingriff werden den Fahrten des
Versuchs gegenüber gestellt, bei denen sog. Nullstörungen gestellt wurden, also keine Vertikalstörungen aufgeschaltet wurden. Damit liegen drei Bedingungen vor:
1. Fahrten ohne Störungsaufschaltung, bei denen explizit kein Lenkeingriff vorgenommen wurde (von den Versuchsleitern durchgeführt)
2. Fahrten, bei denen die normale Regelungstätigkeit ohne Aufschaltung von Vertikalstörungen bestimmt wurde (aus den Probandenversuchen)
3. Fahrten ohne Störungsaufschaltung, in denen (von den Versuchsleitern durchgeführt) ein maximaler Lenkeingriff durchgeführt wurde, der eben noch ein sicheres
Absolvieren der Fahraufgabe ermöglichte
Nimmt man als Kriterium den ausgangslagenkorrigierten maximalen Lenkradwinkel, der
1-2 Sekunden nach der (virtuellen, tatsächlich aber nicht erfolgten) Störungsaufschaltung
unter den drei Bedingungen aufgetreten ist, ergibt sich das in Abbildung 5.26 dargestellte
Ergebnis. Bei Fahrten ohne Fahrereingriff sind instruktionsgemäß keine Abweichungen zur
Ausgangslage zu beobachten. Für die bewusst hergestellten Fahrerreaktionen ergeben sich
maximale Lenkradwinkel zwischen 40 und 70°.
Seite 81
FAT
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Nullstörungen
mit
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Abbildung 5.26: Relative Maxima im l-2s nach Störungsauslösimg fiir Messungen ohne vs. mit Lenkeingriff.
Zum Vergleich dargestellt sind die aufgetretenen Lenkbewegungen bei Nullstörungen.
Die Maxima des Lenkradwinkels bei den im Versuch aufgezeichneten Nullstörungen besitzen auch einen Mediän von ca. 0°, allerdings wird deutlich, dass bei Nullstörungen
Lenkradwinkel bis zu +/-250 auftreten. Da diese Varianz nicht auf Störungseinleitungen
zurückführbar ist, muss dieser Bereich als Bandbreite der Regelungstätigkeit der Probanden zum Absolvieren der Fahraufgabe angesehen werden. Maximale Lenkradwinkel innerhalb dieses Bereichs können somit nicht eindeutig als Kompensationsbemühungen des
Fahrers bei Störungseinleitung verstanden werden. Zudem unterscheiden sich die bewusst
herbeigeführten maximalen Lenkradwinkel deutlich von der Regelungstätigkeit bei Nullstörungen.
3! "£ 150-
If
kein Lenkeingriff
Nullstörung
mit Lenkeingriff
Abbildung 5.27: Maximale Lenkradwinkelgeschwindigkeit l-2s nach Störungsauslösung für Messungen ohne
vs. mit Lenkeingriff. Zum Vergleich dargestellt sind die aufgetretenen Lenkbewegungen bei Nullstörungen.
Auch die Lenkradwinkelgeschwindigkeit zeigt einen deutlichen Unterschied zwischen
Fahrten mit Fahrereingriff gegenüber Fahrten ohne Fahrereingriff. Während bei den Fahr-
Seite 82
FAT
ten ohne Eingriff keine Lenkradwinkelgeschwindigkeiten größer 20°/s zu beobachten sind
und bei Nullstörungen die Regelungstätigkeit unterhalb von 50°/s verbleibt, treten bei Fahrereingriff Geschwindigkeiten im Lenkradwinkel von 100 bis 230°/s auf. Damit heben sich
Eingriffe des Fahrers auch in diesem Parameter deutlich von der Bandbreite der Regelungstätigkeit der Probanden im Versuch ab. Deshalb bietet sich die Lenkradwinkelgeschwindigkeit als weiterer Parameter für die Identifikation von Fahrereingriffen an.
5.6.5.2 Auftretenshäufigkeit von Fahrerreaktionen
Aus diesen Ergebnissen ergeben sich als Kriterien für das Auftreten einer Fahrerreaktion
Lenkradwinkel außerhalb des Bereiches von +/-25° und Lenkradwinkelgeschwindigkeiten
größer 50°/s. Abbildung 5.28 zeigt die im Versuch von den Fahrern realisierten Lenkradwinkel. Bei 50 km/h treten lediglich in zwei Fällen Lenkradwinkel außerhalb des Grundregelbereichs auf, bei 70 km/h sind 3 Fälle zu entdecken. Damit sind nur in weniger als 1%
der Fahrten extreme Lenkwinkel aufgetreten, die als mögliche störungsbedingte Fahrereingriffe bezeichnet werden könnten. In diesen fünf Fällen zeigt sich allerdings keine Abhängigkeit von der Störungstiefe oder der Geschwindigkeit, mit der die Störungen durchfahren
wurden. In einem der Fälle ist der Fahrereingriff sogar bei einer Nullstörung zu beobachten. Es liegt nahe zu vermuten, dass es sich bei den beobachteten Fällen um Einzelfälle
handelt, bei denen als Ursache nicht zwingend die Störungsaufschaltung angesehen werden
kann, da keine Abhängigkeit von der Störungstiefe besteht. Daher muss davon ausgegangen werden, dass die realisierten Fahrzeuganregungen nicht zu Kompensationsbemühungen durch den Fahrer führen.
vx soll: 50
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Störungstiefe [mm]
1
Störungstiefe [mm]
Abbildung 5.28: Relative Maxima im Lenkradwinkel l-2s nach Stöningsaitslösung abhängig von der Störungstiefe. Dargestellt sind Störungen bei 50 (links) und bei 70 km/h. Die markierten Ausreißer bezeichnen
Fälle, in denen extreme Eingaben des Fahrers erfolgt sind.
Die Analyse der Lenkwinkelgeschwindigkeiten in Abbildung 6.37 stützt diese Annahme.
Zwar zeigt sich ein leichter Anstieg der maximalen Lenkradwinkelgeschwindigkeit mit
zunehmender Störungsstärke, aber auch in diesem Parameter deuten sehr wenige Ausreißer
auf ein regelhaftes Auftreten von Fahrerreaktionen hin. Der Anstieg der maximalen Lenkwinkelgeschwindigkeiten erklärt sich zum Teil direkt aus den mit der StörungsaufschalSeite 83
FAT
tung verbundenen Radlastveränderungen. Die Identifikation von Auslösebedingungen ist
damit hinfällig. Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass im realisierten Bereich der
Vertikalanregungen bei Querdynamikbeanspruchung regelhaft Kompensationsbemühungen des Fahrers ausgelöst werden, die zu größeren Auswirkungen auf die Fahrsicherheit
führen als die Störung selbst.
Störungskomponente: Komplett
o
10
20
30
Störungstiefe [mm]
Abbildung 5.29: Relative Maxima in der Lenkradwinkelgeschwindigkeit l-2s nach Stönmgsauslösung abhängig von der Störimgstiefe. Die markierten Ausreißer bezeichnen Fälle, in denen extreme Eingaben des
Fahrers erfolgt sind.
5.6.6 Zusammenfassung Gesamtstörung
Die Analyse der Ergebnisse zur Auswirkung von Vertikalstörung bei querdynamischer
Beanspruchung ergab zum ersten, dass es für einen weiten Bereich gelungen ist, die Störungen mit dem Versuchsträger darzustellen. Dies gilt sowohl für die Gesamtstörung wie
die Aufschaltung isolierter Teilstörungen. Der Bereich der untersuchten Störungen war
sorgfältig auf der Basis von Ergebnissen zum Normalbereich des Fahrens ausgewählt worden. Dies betrifft sowohl den gewählten Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereich wie auch die realisierten Störungstiefen. Die Betrachtung der subjektiven Störungsbewertungen ergab wie die Analyse von möglichen Fahrerreaktionen auf Vertikalstörungen, dass in diesem Bereich keine als „gefährlich" bewerteten Situationen auftraten. Damit
erweist sich die Vertikalstörung als ein Problem, das wahrscheinlich nur in fahrdynamischen Grenzbereichen auftritt, wie sie im Fall der Profifahrer in der Untersuchung von
Riedel & Arbinger (1997) vorlagen.
Unter methodischen Aspekten zeigte sich die Störungsbewertungsskala als außerordentlich
sensitiv und geeignet, die Untersuchungsbedingungen abzubilden. Das Rationale, die Störungsbewertung nicht auf die Störung selbst, sondern auf das fahrdynamische Ergebnis der
Fahrer-Fahrzeug-Interaktion zu beziehen, erwies sich als erfolgreich. Durch diese Darstellung ist es möglich, unterschiedliche objektive Störungsbedingungen dann zusammenzu-
Seite 84
FAT
fassen, wenn sie zu gleichen fahrdynamischen Ergebnissen führen beziehungsweise gleiche objektive Störungsbedingungen voneinander zu trennen, wenn sie durch Fahrer- und
Situationsbedingungen zu unterschiedlichen fahrdynamischen Konsequenzen geführt haben. Auf diese Art bietet sich für künftige Untersuchungen an, auch unterschiedliche Störungsqualitäten (z.B. Seitenwind) miteinander zu vergleichen.
Der Zugewinn durch diese neue Methode ist in dieser Untersuchung allerdings nicht direkt
offensichtlich, da die Funktionen zwischen objektiver Störung und Urteil wie auch zwischen objektiver Störung und fahrdynamischer Auswirkung weitgehend linear sind und
sich daraus zwingend ergibt, dass auch die Funktion zwischen fahrdynamischer Auswirkung und Urteil annähernd linear sein muss.
Weiter weisen die Ergebnisse darauf hin, wo weiterer Untersuchungsbedarf besteht. Die
untersuchten fahr dynamischen Größen der Hub-, Nick-, Wank- und Gierreaktionen sind
untereinander hochgradig korreliert. Werden nun die fahrdynamischen Auswirkungen einer Vertikalstörung in einem dieser Parameter dargestellt, kovariieren die anderen Parameter damit linear. Zeigt deshalb einer dieser Parameter eine lineare Abhängigkeit zur subjektiven Störungsbewertung, gilt dies dann auch für alle anderen Parameter. Deswegen ist
allein aus der Betrachtung der Urteilsfunktionen keine Aussage darüber zu treffen, welche
der Teilstörungen in besonderer Weise für die subjektive Störungsbewertung der Gesamtstörung verantwortlich ist. Das heißt, dass im üblichen Untersuchungsfall im Normalbereich - der in der Regel durch lineare Zusammenhänge zwischen den Parametern gekennzeichnet ist - weder der korrelative noch der hier vorgestellte funktionale Ansatz Auskunft
über die Relevanz der einzelnen fahrdynamischen Parameter für die subjektive Störungsbewertung geben kann.
In wie weit die technische Möglichkeit des Versuchsträgers, isoliert Teilstörungen einzuführen, eine Antwort auf diese praktisch extrem wichtige Frage geben kann, wird im Folgenden untersucht.
5.7 Die Auswertung nach Störungskomponenten
Wie in Kap. 5.4.3 dargestellt, ist es mit dem Versuchsträger gelungen, die vier Teilkomponenten der Störung weitgehend isoliert darstellen zu können. Damit ist ein erster Zugang
zur Beantwortung der im vorherigen Absatz gestellten Frage möglich, welche Teilstörung
den größten Beitrag zur subjektiven Störungsbewertung liefert. Auch hier folgt die Auswertung wieder dem Rationale, dass Urteilsgrundlage die fahrdynamische Resultante aus
der Fahrer-Fahrzeug-Interaktion ist. Dazu müssen die Beziehungen zwischen Störungstiefe
und Urteil, zwischen Störungstiefe und fahrdynamischen Konsequenzen und schließlich
zwischen fahrdynamischen Auswirkungen und Störungsbewertung ermittelt werden. Dies
geschieht für alle vier Teilstörungen getrennt.
5.7.1 Die Verteilungen der Bewertungsurteile
Während die Analyse der Urteilsverteilung für die Gesamtstörung ergab, dass kein einziges
Urteil im Bereich des „gefährlich" lag, gilt dies für die Teilstörungen nicht mehr.
Seite 85
FAT
Abbildung 5.30 zeigt die Urteilsverteilungen für die vier Teilstörungen. Zuallererst fällt
auf, dass sich die Verteilungen deutlich unterscheiden. Während die Nickstörung die geringsten Bewertungen zeigt, gefolgt von den Hubstörungen, sind für Wank- und Gierstörungen durchaus Urteile aus dem Gefährlichkeitsbereich zu finden. Bei Wank- und Gierstörungen werden insgesamt ca. 5% der Störungen als „gefährlich" bewertet werden.
Vergleich Einzelkomponenten
40
Hubst
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störend
Urteil SBS
8
9
gefährlich
Abbildung 5.30: Verteilung der Urteile bei Einzelkomponentenstellung.
5.7.2 Störungstiefe - Störungsbewertung für Teilstörungen
Der Zusammenhang zwischen Störungstiefe und Störungsbewertung, getrennt für die Gesamtstörung und die isolierte Aufschalrung der Teilstörungen geht aus Abbildung 5.31
hervor. In dem Bereich der Störungstiefen, in dem Gesamt- und Teilstörung vergleichbar
sind (0 bis 40 mm), wird die Gesamtstörung generell mit höheren Störungsbewertungen
belegt als die Teilstörungen. Extremere Urteile kommen durch die größere Bandbreite der
umgesetzten Störungstiefe bei Komponentenstörungen zustande. Gier- und Wankstörungen
mit Störungstiefen von 60 bzw. 80 mm werden als „gefährlich" eingestuft. Besonders auffällig sind weiter die Nickstörungen: sie überschreiten in keinem Fall die Grenze des „bemerkt" und werden nie als „störend" bewertet.
Seite 86
FAT
Vergleich Störungsarten (V50 Ay3)
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Störungstiefe [mm]
60
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80
Abbildung 5.31: Bewertung der Störungsauswirkungen bei Gesamtstörung gegenüber der exklusiven Stellung
einzelner Stöningskomponenten in Abhängigkeit von der Stönmgstiefe getrennt dargestellt für unterschiedliche Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen (siehe Tabelle 9.1).
Seite 87
FAT
Abbildung 5.32 und Abbildung 5.33 zeigen, welche Rolle Geschwindigkeit und Ausgangsquerbeschleunigung für die Störungsbewertung spielen. Es ist jeweils der Vergleich
innerhalb einer Geschwindigkeit bei zwei unterschiedlichen Querbeschleunigungen möglich (50 km/ bei 3 bzw. 5 m/s2) beziehungsweise innerhalb einer Querbeschleunigung bei
zwei Geschwindigkeiten (5 m/s2 bei 50 bzw. 70 km/h). Dabei zeigt sich, dass die Bewertung
1. der isolierten Hubstörung vor allem durch die Geschwindigkeit, weniger durch die
Querbeschleunigung,
2. der isolierte Nickstörung sowohl von Geschwindigkeit wie von Querbeschleunigung kaum,
3. die isolierte Wank- bzw. Gierstörung vor allem durch die Querbeschleunigung
beeinflusst wird.
Hubstörung bei verschiedenen Vx und Ay
9
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Störungstiefe [mm]
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Abbildung 5.32: Bewertung der Störungsauswirkungen in Abhängigkeit von der Störungstiefe bei
unterschiedlichen Querbeschleunigungen und Geschwindigkeiten. Dargestellt sind nur Einzelkomponentenanregungen (oben: Hub, unten: Nicken) (siehe Tabelle 9.1).
Seite 88
FAT
Wankstörung bei verschiedenen Vx und Ay
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Störungstiefe [mm]
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- A - 7 0 k m / h 5m/s2
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Störungstiefe [mm]
50
60
Abbildung 5.33: Bewertung der Störungsauswirkungen in Abhängigkeit von der Störungstiefe bei
unterschiedlichen Querbeschleunigungen und Geschwindigkeiten. Dargestellt sind nur Einzelkomponentenanregungen (oben: Wanken, unten Gieren) (siehe Tabelle 9.1).
5.7.3 Störungstiefe - Fahrdynamik für Teilstörungen
Die Auswirkungen der isolierten Aufschaltung von Teilstörungen auf die fahrdynamischen
Parameter gehen aus Abbildung 5.34 und Abbildung 5.35 hervor.
Seite 89
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Störungstiefe [mm]
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•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
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Störungstiefe [mm]
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Abbildung 5.34: Hub- und Nickreaktionen des Fahrzeugs bei Komponentenstörungen für die realisierten Störimgstiefen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich
Geschwindigkeit und Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.3 und Tabelle 9.4).
Seite 90
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•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s-
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Störungstiefe [mm]
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Abbildung 5.35: Wank- und Gierreaktionen des Fahrzeugs bei Komponentenstörungen für die realisierten
Störungstiefen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich Geschwindigkeit
und Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.5 und Tabelle 9.6).
5.7.4 Fahrdynamik - Störungsbewertung für Teilstörungen
Für den dritten Schritt der Auswertung werden entsprechend den Angaben in Kap. 5.6.4
die aufgetretenen fahrdynamischen Werte in Klassen eingeteilt, für die dann jeweils die
mittlere Störungsbewertung berechnet wird. Es zeigt sich in Abbildung 5.36, dass isolierte
Hubreaktionen generell nicht als störend bewertet werden. Lediglich bei einer Hubreaktion
größer 25 mm kann ein Urteil der Kategorie „störend" auftreten. Zu berücksichtigen ist,
dass bei Hubstörungen ein gleichzeitiges Wanken und Gieren nicht vollständig unterdrückt
werden kann und von daher noch Konfundierungen in den Werten enthalten sein können.
Nickbewegungen des Fahrzeugs werden zwar bemerkt, aber nie als störend bewertet. Auch
hier ist die isolierte Stellung nicht vollständig möglich, da gleichzeitig leichte Gierreaktionen auftreten.
Seite 91
FAT
Q
—B-Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
a
U) °
^ 7
§6
I
l2
i
]15-25]
]25-35]
]35-45]
]45-55]
Spannweite der Hubreaktion [mm] (1 .Max - 1 .Min)
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
I6
5 3
£ 2
(D
]0-0.25]
JO.25-0.5]
]0.5-0.75]
]0.75-1.0]
]1.0-1.25]
Spannweite der Nickreaktion [° ] (1 .Max - 1 .Min)
Abbildung 5.36: Bewertung der aufgetretenen Hub- und Nickreaktionen des Fahrzeugs bei Hubbzw. Nickstörung. Die Spannweiten der Fahrzeugreaktionen (1. rel. Maximum - 1. rel. Minimum)
sind ex post kategorisiert; es ist zu beachten, dass den einzelnen Kategorien unterschiedlichen
Häufigkeiten zugrunde liegen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich Geschwindigkeit und Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.7 und Tabelle 9.8).
Starke Wankbewegungen können dazu fuhren, dass Fahrer die Situation als „gefährlich"
bewerten (Abbildung 5.37). Diese extremen Urteile können bei Wankreaktionen über 2°
auftreten. Schon geringste Wankreaktionen können als „störend" bewertet werden, bei 50
km/h und 3 m/s2 jedoch erst ab 1° Spannweite.
Bei 50 km/h und 3 m/s2 sind kaum Gierreaktionen zu beobachten. Es zeigen sich keine
Gierreaktionen, die in ihrer Spannweite 4°/s übersteigen. Erst Gierreaktionen größer als
4°/s werden mit Urteilen der Kategorie „störend" belegt. Solche Reaktionen treten bei 50
km/h und 3 m/s2 nie auf. Gierreaktionen ab 6°/s werden bereits häufig als „störend", Gierreaktionen mit einer Spannweite größer 87s teilweise sogar als „gefährlich" eingestuft.
Seite 92
FAT
• Vx: 50km/h Ay: 3m/s 2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s 2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s 2
L/l....
13 3
(O
a,
]0-0.5]
JO.5-1.0]
J1.0-1.5]
]1.5-2.0]
]2.0-2.5]
]2.5-3.0]
Spannweite der Wankreaktion [° ] (1 .Max - 1 .Min)
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s 2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s 2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s 2
a o
V) °
i7
I6
.<•<
I2
]0-2]
]2-4]
]4-6]
]6-8]
Spannweite der Gierreaktion [7s] (1 .Max - 1 .Min)
Abbildung 5.37: Bewertung der aufgetretenen Wank- und Gierreaktionen des Fahrzeugs bei Wankbzw. Gierstörung. Die Spannweiten der Fahrzeugreaktionen (1. rel. Maximum — /. rel. Minimum)
sind ex post kategorisiert; es ist zu beachten, dass den einzelnen Kategorien unterschiedlichen
Häufigkeiten zugrunde liegen. Getrennt dargestellt sind die unterschiedlichen Ausgangslagen hinsichtlich Geschwindigkeit und Querbeschleunigung (siehe Tabelle 9.9 und Tabelle 9.10).
5.7.5 Gewichtung der Teilstörungen für die Bewertung der Gesamtstörung
Zu einer ersten Beantwortung der Frage, welche Teilstörungen für die Störungsbewertung
der Gesamtstörung in besonderer Weise verantwortlich sind, werden im Folgenden die
Urteile über die Gesamtstörung bei gleicher Ausprägung in der jeweiligen Teilstörung einander gegenüber gestellt. Abbildung 5.38 zeigt, dass für die isoliert gestellten Hubreaktionen im Vergleich zu Gesamtstörungen, bei denen gleich starke Hubreaktionen auftreten,
regelhaft geringere Urteile abgegeben werden als bei vollständiger Störungsdarbietung.
Einschränkend ist allerdings zu bedenken, dass bei den separat gestellten Hubbewegungen
Gier- und Wankreaktionen des Fahrzeugs nicht vollständig unterdrückt werden können. Da
die isoliert gestellten Hubstörungen durchgängig nur mit Bewertungen des „Störung be-
Seite 93
FAT
merkt" belegt werden, während die Gesamtstörung durchaus in den Bereich der Störung
des Fahrens gehen kann, können die Hubreaktionen nicht als ausschlaggebend für die Bewertung von Vertikalstörungen angesehen werden. Vielmehr deuten die Ergebnisse darauf
hin, dass Hubbewegungen kaum als beeinträchtigend wahrgenommen werden.
Noch deutlicher ist der geringe Einfluss von isoliert gestellten Nickreaktionen. Diese werden zwar wahrgenommen, aber nie als störend bewertet und damit immer als weniger beeinträchtigend erlebt als vollständige Anregungen mit gleichzeitigen Nickreaktionen. Auch
hier ist zu unterstreichen, dass durch die nicht in vollem Umfang zu unterdrückenden Gierreaktionen des Fahrzeugs bei isolierter Nickanregung der Einfluss des Nickens auf die Störungsbewertung eher noch überschätzt wird.
Gesamtstörung versus Hubstörung
••••• Gesamtstörung
-•-Hubstörung
Q o
w
8
l6
J _
i.
] 15-25]
]25-35]
]35-45]
]45-55]
Spannweite der Hubreaktion [mm] (I.Max- I.Min)
Gesamtstörung versus Nickstörung
• • • • • Gesamtstörung
—•-Nickstörung
\i
=> 3
[ ....••••" j
l2
11
]0-0.25]
]0.25-0.5] ]0.5-0.75] ]0.75-1.0] ]1.0-1.25] ]1.25-1.5]
Spannweite der Nickreaktion [°] (I.Max- I.Min)
Abbildung 5.38: Vergleich der Bewertungen von Gesamt- und Komponentenstörung in Bezug zur
beobachteten Hub- (links) bzw. Nickreaktion des Fahrzeugs. Die Spannweiten der Fahrzeugreaktionen (1. rel. Maximum - 1. rel. Minimum) sind ex post kategorisiert; es ist zu beachten, dass den
einzelnen Kategorien unterschiedlichen Häufigkeiten zugrunde liegen (siehe Tabelle 9.7und
Tabelle 9.8).
Zwar werden isolierte Wankreaktionen weniger störend beurteilt als Gesamtstörungen mit
gleicher Wankreaktion, allerdings fällt der Unterschied weniger stark aus als bei Nick- und
Seite 94
FAT
Hubreaktionen des Fahrzeugs. Wankreaktionen können zu extremen Beeinträchtigungen
des Fahrens führen. So zeigen sich bei starken Wankreaktionen größer 2°, die bei Stellung
einer isolierten Wankstörung zu beobachten sind, sogar Urteile der Kategorie „gefährlich".
Zu beachten ist hierbei, dass der Versuchsträger in der Lage ist, Wankreaktionen weitestgehend isoliert zu stellen und die weiteren Fahrzeugreaktionen zu unterdrücken. Wie die
Differenz zur Bewertung der Gesamtstörung zeigt, kann aber auch die Wankreaktion nicht
allein ausschlaggebend für die Störungsbewertung sein.
Wie Abbildung 5.39 eindrucksvoll zeigt, unterscheiden sich die Bewertungen bei isolierter
Gierstörung nicht von den Bewertungen vollständiger Unebenheitsanregungen mit gleich
starken Gierreaktionen. Die dargestellten Verläufe der mittleren Urteile liegen in beiden
Fällen größtenteils übereinander. Gierreaktionen scheinen damit wesentlich für die Störungswahrnehmung zu sein. Einschränkend muss berücksichtigt werden, dass geringe
Wankanteile nicht vollkommen unterdrückt werden konnten.
Gesamtstörung versus Wankstörung
-•-Wankstörung
i 67
I
i:
]0-0.5]
]0.5-1.0]
]1.0-1.5]
]1.5-2.0] ]2.0-2.5]
]2.5-3.0]
Spannweite der Wankreaktion [°] (1 .Max - 1 .Min)
Gesamtstörung versus Gierstörung
••••• Gesamtstörung
-•-Gierstörung
i7
6
I
f.
^ 4
i.
l
11
L
:H*
]0-2]
]2-4]
]4-6]
]6-8]
]8-10]
]10-12]
Spannweite der Gierreaktion [°] (1 Max - 1 .Min)
Abbildung 5.39: Vergleich der Bewertungen von Gesamt- und Komponentenstörung in Bezug zur
beobachteten Wank- (links) bzw. Gierreaktion des Fahrzeugs. Die Spannweiten der Fahrzeugreaktionen (1. rel. Maximum - 1. rel. Minimum) sind ex post kategorisiert; es ist zu beachten, dass den
einzelnen Kategorien unterschiedlichen Häufigkeiten zugrunde liegen (siehe Tabelle 9.9 und
Tabelle 9.10).
Seite 95
FAT
Aus diesen Vergleichen zwischen vollständiger und isolierter Störungsdarbietung lässt sich
ableiten, dass vor allem Wank- und Gierbewegungen des Fahrzeugs als störend und beeinträchtigend wahrgenommen werden. Hub- und Nickbewegungen werden vom Fahrer in
großem Umfang toleriert. Weiter zeigt sich auch, dass die Bewertung der Gesamtstörungen
nicht summativ aus den Bewertungen der Störungskomponenten herzustellen ist. Offensichtlich handelt es sich im psychologischen Sinn um eine Komplexqualität, die sich aus
einem nicht-additiven Zusammenwirken einzelner Störungskomponenten zusammensetzt.
Eine detaillierte Analyse der wahrscheinlich vorliegenden Wechselwirkung zwischen verschiedenen Störungskomponenten ist mit der gewählten Versuchsanordnung nicht möglich, wohl aber die Aussage, dass die einzelnen Störungskomponenten sich in ihrem Anteil
an der Gesamtbeurteilung erheblich unterscheiden.
5.8 Ergebnisse aus abgeleiteten Parametern
In Ergänzung zu den bislang behandelten fahrdynamischen Größen können die abgeleiteten Parameter der prognostizierten Querabweichung (zur Definition siehe Kap. 5.2.1) und
des Schwimmwinkels herangezogen werden.
5.8.1 Die prognostizierte Querabweichung
Ausgehend von dem Postulat, dass die Bewegungen des Fahrzeugs möglichst exakt den
Erwartungen des Fahrers entsprechen sollen (Reichelt, 1990), sind solche Kennwerte als
sinnvoll anzusehen, welche die Diskrepanz zwischen Fahrererwartung und Fahrzeugbewegung beschreiben. Für die quasistationäre Kurvenfahrt lässt sich die Arbeitshypothese aufstellen, dass der Fahrer erwartet, dass er das Fahrzeug auf der gewünschten Bahn bewegen
kann. Wird bei der Kurvenfahrt eine Störung aufgeschaltet, so erlangen Kenngrößen eine
besondere Bedeutung, die den Fahrer eine (zu große) Kursabweichung befürchten lassen.
Da in der durchgeführten Untersuchung der Fahrer die Aufgabe hat, einer kreisförmigen
Pylonengasse mit konstantem Radius zu folgen, bietet sich als Kenngröße die prognostizierte Querabweichung an, eine Kenngröße, die bereits bei ähnlichen Fragestellungen eingesetzt wurde (Riedel & Arbinger, 2000).
Für den Fall, dass sich ein Fahrzeug nicht exakt auf einer stationären Kreisbahn bewegt,
ergibt sich für den über einer bestimmte Zeitspanne als konstant angesehenen Fahrzeugzustand ein bestimmter Querversatz, der als prognostizierte Querabweichung bezeichnet
wird. Da die Fahrversuche nicht auf einer Fahrdynamikfläche, sondern auf einem Handlingkurs durchgeführt wurden, ist es aufgrund der vorhandenen Kurvenneigungen notwendig, die Sollquerabweichung nicht aus den vorgegebenen Kurvenradien (der Pylonengassen) zu berechnen, sondern diese aus den kurvenspezifischen Mittelwerten für Querbeschleunigung und Schwimmwinkel zu bestimmen. Abbildung 5.40 zeigt hierzu den entsprechenden kurvenspezifischen Wertevergleich zwischen den beiden Berechnungsarten.
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FAT
Kurvenbezogene Sollquerabweichung bei quasi stationärer Kurvenfahrt
(Vorgabe versus Messung)
| bestimmt aus Kurvenradien und Vx
j bestimmt aus gemittelten Ay und Beta bzw. Vy
ö
15
5m/s:
3m/s:
|
0.5
o
2
3
4
E
50 km/h
Kurvennummer
1
5
70 km/h
Abbildung 5.40:Kurvenspezifische Sollquerabweichung bei quasi stationärer Kurvenfahrt bestimmt
aus vorgegebenen Kurvenradien und (für Zeitpunkt der Störungsaufschaltung) gemittelten Werten
für Querbeschleunigung und Schwimmwinkel.
In Abbildung 5.41 sind beispielhaft drei Messverläufe für die prognostizierte Querabweichung aufgeführt. Sie zeigen, dass für den Bereich der quasistationären Kurvenfahrt die
Messwerte um die Nulllinie herum oszillieren, wohingegen die Werte bei Kurvenein- und ausfahrt immer mehr von Null abweichen. Die Zeitachse orientiert sich hierbei an dem
Zeitpunkt der Störungsaufschaltung (t=0). Die dritte Messkurve verdeutlicht, dass auf
Grund der verschiedenen Kurvenlängen der Bereich der quasistationären Kurvenfahrt nicht
in jedem Fall so lang ist, dass Zeitbereiche größer zwei Sekunden für die Auswertung der
Störungsauswirkung herangezogen werden können. Bezogen auf die prognostizierte Querabweichung bedeutet dies, dass nicht zwischen Ursache und Wirkung der Abweichung
unterschieden werden kann, da die Dauer der Störungsanregungen ebenfalls bis zu zwei
Sekunden beträgt.
Seite 97
FAT
ProQA
vp:5 vx:50 typ:1 stoera:2 stoerk:1 tiefe:30 urteil:2 kurve:1 Vxst:50 AxSoll:3.0442
-1
n
1
2
3
4
F,
ProQA
vp:5 vx:50 typ:1 stoera:2 stoerk:3 tiefe:1O urteil:1 kurve:4 Vxst:50 AxSoll:3.9009
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-7
-1
n
1
2
3
4
5
ProQA
vp:5 vx:70 typ:2 stoera:2 stoerk:1 tiefe:30 urteil:2 kurve:1 Vx st:70 AxSoll:5.3229
- 3 - 2 - 1
0
1
2
3
4
5
Abbildung 5.41: Beispielverläufe der prognostizierten Querabweichling.
In Abbildung 5.42 ist die mittlere Spannweite der prognostizierten Querabweichung über
der Störungstiefe aufgetragen, getrennt für die unterschiedlichen Störungsarten Gesamt-,
Hub- Wank-, Nick und Gierstörung. Auf Grund der direkten Auswirkung der Gierstörung
Seite 98
FAT
auf die Querbeschleunigung zeigt sich, dass eben diese Störungsart den größten Einfluss
auf die prognostizierte Querabweichung ausübt. Für die unterschiedlichen Kombinationen
von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung zeigt sich, dass im Mittel bei höherer Geschwindigkeit und Querbeschleunigung auch größere Abweichungen vorliegen (Abbildung
5.43). Hierbei muss allerdings berücksichtigt werden, dass die Pylonengassenbreite bei der
höheren Geschwindigkeit von 70 km/h verbreitert wurde, so dass bezogen auf die Geschwindigkeitsabhängigkeit der prognostizierten Querabweichung keine allgemeingültige
Schlussfolgerung zu ziehen ist.
Spannweite Prognostizierte Querabweichung über Störungstiefe
Vergleich Störungsarten
2
—•—Gesamtstörung
•-•—Hubstörung
—A— Wankstörung
Nickstörung
- •-Gierstörung
1.8
1.6
tu
_
1.2
li
N
o
1.4
1
'53 0.8
c
liS x
0.6
0.4
0.2
0
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
Abbildung 5.42: Mittlere Spannweite der prognostizierten Querabweichung in Abhängigkeit von
der Störungstiefe und Störungsart (siehe Tabelle 9.13).
1.5
S x
Q.
• Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••- Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - Vx: 70km/h Ay: 5m/s2
0.5
«
5
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 5.43 Mittlere Spannweite der prognostizierten Querabweichung in Abhängigkeit von der
Störungstiefe und Kombination aus Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und Querbeschleunigung (siehe
Tabelle 9.13).
Dass bei der Gesamtstörung der Anstieg der Abweichung über der Störungstiefe relativ
gering ausfällt, wird auch deutlich, wenn anstatt der Spannweite der prognostizierten
Seite 99
FAT
Querabweichung (Abbildung 5.43) der entsprechende RMS-Wert ausgewertet wird
(Abbildung 5.44).
RMS-Wert der ProQA über Störungstiefe
Gesamtstörung bei verschiedenen Vy und Ay
-=•
1r
Q
8
0.8
- • - V x : 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
m
O4
0.6
2
•c
0.4
0.2
.."»."«•"•"•"•
10
20
30
Störungstiefe [mm]
40
Abbildung 5.44 Mittlerer RMS-Wert der prognostizierten Querabweichung (0-2s) aufgetragen über
Störungstiefe und unterschieden nach Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Dieses Ergebnis unterstreicht die zentrale Bedeutung der Gierstörung für die prognostizierte Querabweichung. Allerdings bleibt ungeklärt, in wie weit diese Abhängigkeit allein auf
der inneren Abhängigkeit zwischen Gierrate und (in der Formel berücksichtigten) Querbeschleunigung beruht. Zudem ist nicht schlüssig nachgewiesen, dass die prognostizierte
Querabweichung eine fahrerrelevante Größe darstellt. Sie müsste auf Seiten des Fahrers
visuell repräsentiert sein, wobei vor allem die Befunde aus der Studie zu Lenksystemstörungen (Neukum & Krüger, 2003) darauf hinweisen, dass die Fahrer im Störungsfall sehr
viel früher auf haptische und kinästhetische Veränderungen reagieren.
5.8.2 Schwimmwinkel
Abbildung 5.45 zeigt das Ergebnis für die mittlere Spannweite des Schwimmwinkels, ebenfalls getrennt für die Gesamtstörung und die isolierten Teilstörungen. Auch hier zeigt
sich, dass diese Kenngröße am deutlichsten von der Gierstörung beeinflusst wird. Da in der
vorliegenden Untersuchung der Schwimmwinkel unter ansonsten vergleichbaren Störungsbedingungen nicht gezielt variiert wurde, können Aussagen über den Einfluss dieser
Kenngröße auf das Fahrerurteil nicht bzw. nur sehr eingeschränkt vorgenommen werden.
Seite 100
FAT
Spannweite Beta über Störungstiefe
1» 2.5
CM
Ü
2
Gesamtstörung
Hubstörung
- A — Wankstörung
Nickstörung
-•-Gierstörung
;:I 1-5
i 1
« *
•
5 0.5
10
20
30
40
50
Störungstiefe [mm]
60
70
80
Abbildung 5.45 Mittlere Spannweite des Schwimmwinkels in Abhängigkeit von der Störungstiefe
und Störungsart (siehe).
5.9 Zusammenfassung
In der vorliegenden Studie zur Untersuchung der Auswirkungen vertikaldynamischer Störungen bei gleichzeitiger Querdynamikbeanspruchung wurden unterschiedlich starke Störungen, variiert durch die Störungstiefe, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und
Querbeschleunigungen aufgeschaltet. Durch die Wahl der Geschwindigkeitsstufen von 50
und 70 km/h und die zu fahrenden Querbeschleunigungen von 3 und 5 m/s2 wird der Bereich des normalen Fahrens unterhalb des Grenzbereiches abgedeckt. Die Auswirkungen
der Vertikalstörung wurden sowohl über die Messung objektiver fahrdynamischer Parameter wie über subjektive Bewertungen auf der Störungsbewertungsskala (Neukum & Krüger
2003) als auch über die Betrachtung von Fahrerreaktionen in der Fahrzeugbedienung erfasst.
Bezieht man die Auswirkungen auf die physikalische Störungstiefe, zeigt sich, dass mit
steigender Störungstiefe auch die Störungsbewertung ansteigt. Allerdings werden selbst
extreme Störungen, die größer sind als dies straßenbauliche Richtlinien zulassen, vom Fahrer nicht als „gefährlich" bewertet, sondern verbleiben im Bereich des „bemerkbar" oder
„die Fahraufgabe störend". Dabei findet der Übergang von „bemerkbar" zu „die Fahraufgabe störend" für die Vertikalstörung in Form eines doppelten Kosinus in Wankeigenfrequenz bei Störungstiefen in der Größenordnung von 20 mm statt.
Gestützt wird dieses Ergebnis durch die Tatsache, dass bei den untersuchten Fahrten in
lediglich vier Fällen Fahrereingriffe in der Lenkung festgestellt wurden, die vielleicht auf
die Aufschaltung der Vertikalstörung zurück zu führen sind. Auf dieser schmalen empirischen Basis war jedoch eine detaillierte Untersuchung zur Art von möglichen Fahrerreaktionen nicht möglich, so dass auch diese Analyse lediglich das Ergebnis brachte, dass der
realisierte Störungsbereich insgesamt als im Wesentlichen unkritisch einzustufen ist.
Seite 101
FAT
Die zweite Untersuchungsfrage war methodischer Art. Zum einen sollte untersucht werden, in wie weit die in anderen Untersuchungen entwickelte Störungsbewertungsskala auch
für Vertikalstörungen eingesetzt werden kann. Der Befund ist hier eindeutig: die Skala
erwies sich durchgängig als sensitiv für auch kleine Veränderungen der fahrdynamischen
Reaktionen. Ebenfalls methodisch orientiert war die Übernahme des von Neukum (2001)
entwickelten Rationales zur Untersuchung von Subjektiv-Objektiv-Zusammenhängen außerhalb des traditionellen Korrelationsansatzes. Dabei werden die subjektiven Bewertungen nicht auf die Störung direkt bezogen, sondern auf die daraus resultierende FahrerFahrzeug-Interaktion, die als die eigentliche Urteilsgrundlage der Fahrer angesehen wird.
Wurden die subjektiven Störungsbewertungen in dieser Weise für jede einzelne Messfahrt
auf die dort resultierenden fahrdynamischen Auswirkungen bezogen, zeigte sich, dass solche Unebenheitsanregungen als „störend" eingestuft werden, die
•
mit einer Hubreaktion größer 15mm,
•
einer Nickreaktionen von mind. 0.5°,
•
einer Giergeschwindigkeiten größer 2°/s und/oder
•
einem Wankwinkel größer 1°
einhergehen.
Durch die Variation von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung wird das Urteil des
Fahrers moderiert. Insbesondere die kritischen Größen Wankwinkel und Gierrate zeigen
eine deutliche Abhängigkeit vom Niveau der Ausgangsquerbeschleunigung.
Bei der Analyse der Gesamtstörung musste ungeklärt bleiben, welche der beteiligten Teilstörungen in welchem Ausmaß in das Bewertungsurteil eingeht. Für die SubjektivObjektiv-Fragestellung ist dies ein bekannter Fall: die fahrdynamischen Parameter sind
untereinander hoch korreliert und damit zumindest im Normalbereich voneinander linear
abhängig. Liegt eine Korrelation zwischen einem fahrdynamischen Parameter und einem
subjektiven Urteil vor, ist diese Korrelation regelhaft in gleicher Größenordnung auch für
alle anderen beteiligten Parameter zu finden.
Aus diesem Dilemma ist nur zu entkommen, wenn es gelingt, den Zusammenhang zwischen den einzelnen Parametern zu kontrollieren. Ein erster Zugang war mit dem verwendeten Versuchsträger möglich, der es erlaubte, die unterschiedlichen Störungskomponenten
getrennt voneinander darzubieten. Dabei zeigten sich die Wank- und Gierbewegungen des
Fahrzeugs als wesentliche Komponenten der Störungsbewertung. Insbesondere die Gierstörung war in der Lage, die Bewertung der Gesamtstörung fast vollständig zu erklären.
Deutlich geringer ist der Einfluss der Hubstörung. Am wenigsten trägt die Nickreaktion
zur Bewertung einer Störung bei.
Dennoch ist aus dieser Versuchsanordnung heraus kein quantitativer Schluss über den Beitrag der Teilstörungen zur Gesamtstörung zu ziehen, da die Einflüsse der Teilstörungen
sich nicht additiv verhalten. Es ist davon auszugehen, dass zwischen den Parametern erhebliche Wechselwirkungen bestehen, die zum jetzigen Zeitpunkt nur erlauben, ein Mehr
oder Weniger an Einfluss abzuleiten.
Seite 102
FAT
Studie 2: Auswirkungen einer Wankstabilisierung auf die Störungswahrnehmung
Studie 2: Auswirkungen einer Wankstabilisierung auf die
Störungswahrnehmung
6.1 Fragestellung
Studie 1 hatte sich zum Ziel gesetzt, die Auswirkungen von Vertikalstörungen bei querdynamischer Beanspruchung sowohl in fahrdynamischen Größen wie in subjektiven Störungsbewertungen zu beschreiben. Darüber hinaus wurde ein neuer Ansatz geprüft, eine
globale Störungsbewertung in Komponenten zu zerlegen, die auf den Einfluss von Teilstörungen zurückzuführen sind. Dazu wurde ein Versuchsträger aufgebaut, der es ermöglicht,
nicht nur eine Gesamtstörung zu realisieren, sondern auch die Teilstörungen der Hub-,
Nick-, Wank- und Gierreaktion des Fahrzeugs isoliert zu stellen. Als Ergebnis zeigte sich,
dass für die Beurteilung einer Vertikalstörung in besonderer Weise Wank- und Gierreaktionen verantwortlich sind.
Aus diesen Ergebnissen ergab sich die Frage, wie sich bei einer isolierten Ausschaltung
einer Teilstörung die Bewertung der Gesamtstörung verändert. Während also in Studie 1
die Teilstörungen einzeln und isoliert aufgeschaltet wurden, wird in Studie 2 lediglich eine
Teilstörung unterdrückt, während alle anderen Teilstörungen erhalten bleiben. In besonderer Weise bietet sich für diese Fragestellung die aktive Wankstabilisierung an, die es erlaubt, bis in hohe Querbeschleunigungsbereiche das Wanken zu unterdrücken. Inhaltlich
ergibt sich daraus die Frage, ob sich eine solche Unterdrückung einer relevanten fahrdynamischen Größe auf die Bewertung von Vertikalstörungen auswirkt. Methodisch ergänzt
diese Studie 2 die Studie 1 insofern, als geprüft werden kann, ob die bei isolierter Aufschaltung gefundene Relevanz des Wankens auch bei gezielter Abschaltung des Wankens
wieder gefunden werden kann. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus Studie 1 ist die
Erwartung, dass die Wankstabilisierung subjektiv zu einer Verringerung der Störungsbewertungen führt.
6.2 Das wankstabilisierende System
6.2.1 Möglichkeiten der Wankstabilisierung
In den meisten heutigen Fahrzeugen werden passive Stabilisatoren zur Reduzierung des
Wankwinkels bei Kurvenfahrt eingesetzt. Bei einem Stabilisator handelt es sich um eine
Torsionsfeder, die nur bei der wechselseitigen Federbewegung des Aufbaus ein rückstellendes Moment um die Fahrzeuglängsachse liefert. Der Stabilisator bewirkt unter anderem
eine Wankwinkelreduktion bei Kurvenfahrt, wodurch die Fahrsicherheit gesteigert werden
Seite 103
FAT
soll. Bei Geradeausfahrt kann es jedoch zur Beeinträchtigung des Fahrverhaltens kommen.
Um diesem Konflikt zu begegnen, werden in modernen Oberklassefahrzeugen zunehmend
aktive Systeme eingesetzt, die in der Lage sind, den Wankwinkel bei Kurvenfahrt zu reduzieren oder auf 0° zurückzuführen. Ein von BMW eingesetztes System ist der Aktive Stabilisator (ARS, vgl. Abbildung 6.1).
KarosserieAufhangungen
Federbein
StabilisatorTors ionsstab
Motor+Getriebe
gelenkige
Aufhangungen
Abbildung 6.1: Prinzipieller Aufbau der aktiven Wankstabilisierimg ARS.
Hierbei handelt es sich um einen in der Mitte aufgetrennten Stabilisator. Ein in der Verbindungsstelle wirkender Motor ist in der Lage, die beiden Stabilisatorhälften aktiv gegeneinander zu verdrehen. Wirkt während einer Kurvenfahrt eine Querbeschleunigung, die in
einem passiven Fahrzeug zu einem Wankwinkel führen würde, kann das System diesen
Wankwinkel reduzieren. Ziel dieses Eingriffs soll sein, dem Fahrer ein erhöhtes Sicherheitsgefühl zu vermitteln. Bei Geradeausfahrt ist das System nicht wirksam, so dass einseitige Unebenheiten keinen negativen Einfluss auf das Fahrverhalten haben.
Abbildung 6.2 zeigt den Vergleich eines Fahrzeugs mit und ohne das Wankstabilisierungssystem DynamicDrive der BMW AG. Die Darstellungen beruhen auf Messungen aus dem
Standardmanöver „quasistationäre Kreisfahrt". Das Fahrzeug wird in der quasistationären
Kreisfahrt langsam beschleunigt, so dass alle Querbeschleunigungszustände nahezu stationär angefahren werden. Wie aus der Abbildung erkennbar, wird der Wankwinkel des Fahrzeugs durch das System DynamicDrive bis zu einer Querbeschleunigung von 5 m/s2 nahezu auf 0° gehalten.
Seite 104
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Wankverhalten (R=105m)
Wankverhalten (R=40m)
I
TT7I I I
2
\/i
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L
T"
L
11
1
mit Dynamic Drive
• ohne Dynamic Drive
1
mit Dynamic Drive
ohne Dynamic Drive
2 3 4 5 6 7 8 9
Querbeschleunigung [m/s2]
0
1
2 3 4 5 6 7 8 9
Querbeschleunigung [m/s2]
Abbildung 6.2: Funktion des Wankwinkels über der Querbeschleunigung mit und ohne DynamicDrive bei
Normalbeladung.
Ein weiteres System, das in verschiedenen Modellen der DaimlerChrysler AG zum Einsatz
kommt, ist das so genannte Active Body Control (ABC). Durch die aktive Federfußpunktverstellung (vgl. Abbildung 6.3) ist das System in der Lage, neben den Wankbewegungen
auch die Nick- und Aufbauvertikalbewegung gezielt zu reduzieren.
ProportionalRegelventil
HydraulikVersorgung
r.
Steuergerät
Aufbau
Einfachwirkender
hydraulischer
Stellzy linder
Feder
Passiver
Radstoßdämpfer
Federbein
Schnittstelle mit Sensonk
(Beschleunigungen.
Niveaus....)
Abbildung 6.3: Prinzipieller Aufbau des aktiven Fahrwerkssystems ABC von DaimlerChrysler.
Von besonderem Interesse sind damit aktive Fahrwerke, die sowohl einer Erhöhung des
Fahrkomforts wie der Fahrsicherheit dienen sollen. Durch aktive Systeme können die
Wankbewegungen des Fahrzeugaufbaus bei Kurvenfahrt minimiert (bis zu gänzlich beseitigt) werden, was die Kopierbewegungen des Fahrzeugaufbaus reduziert. Dies soll eine
hohe Agilität und Zielgenauigkeit über den gesamten Geschwindigkeitsbereich sowie ein
optimales Eigenlenk- und gutmütiges Lastwechselverhalten erzeugen. Der Effekt dieser
Systeme ist die weitere Ausschöpfung des Querkraftpotenzials.
Seite 105
FAT
6.2.2 Das im Versuchsträger realisierte System
Im Regelalgorithmus des Versuchsträgers wird zusätzlich eine Funktion implementiert, die
in der Lage ist, während einer Kreisfahrt den Wankwinkel zu eliminieren, d. h. auf 0° zu
halten. Darüber hinaus erlaubt das vollaktive Fahrwerk aufgrund der hohen Systemdynamik nahezu ein Ausregeln der durch die Unebenheit hervorgerufenen Wankwinkelstörung.
Abbildung 6.4 zeigt das Abstimmungsergebnis der wankhorizontierten Variante.
1
Sc II
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2
Zeit [s]
4
Abbildimg 6.4: Abstimmungsergebnis der Wankhorizontierung bei 50 km/h und 5 m/s2.
Die dargestellte Störung entspricht wie in Studie 1 einer doppelten kosinusförmigen Unebenheit mit einer Anregung in Höhe der Wankeigenfrequenz. Verglichen mit der Gesamtstörung ist das System in der Lage, trotz der hohen Querbeschleunigung von 5 m/s2 den
stationären Wankwinkel auf 0° einzuregeln. Geringe Störungen im Wankwinkel während
der Unebenheitssimulation lassen sich bei der Abstimmung der wankhorizontierten Variante nicht vermeiden.
6.3 Versuchsbeschreibung
6.3.1 Versuchsaufbau
Aus Gründen der Vergleichbarkeit wurde der Versuchsaufbau so weit wie möglich dem in
Studie 1 angepasst. Die Fahrten werden mit konstanter Querbeschleunigung über vorgege-
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FAT
bene Kurvenradien auf dem Handlingkurs der atp-Versuchsstrecke in Papenburg durchgeführt. Die Kurvenradien werden durch Pylonengassen (Breite 3.5 und 4 m) abgesteckt.
Innerhalb der Kurven werden Vertikaldynamikstörungen in Form einer doppelten Sinusanregung in Wankeigenfrequenz aufgeschaltet. Zur Isolation des Einflusses von Ausgangsgeschwindigkeit und Querbeschleunigung bei Störungseinleitung werden die Unebenheitsanregungen bei 50 km/h mit 3 und 5 m/s2 Querbeschleunigung und bei 70 km/h mit 5 m/s2
Querbeschleunigung aufgeschaltet.
6.3.2 Versuchsplan, unabhängige und abhängige Variablen
Analog zu den Ausführungen der vorangegangenen Kapitel ergeben sich für die Untersuchung der Auswirkungen einer Wankstabilisierung folgende Faktoren:
•
Tiefe der Unebenheit:
Aus den Simulationsuntersuchungen und den technischen Grenzen der Aktuatorik
des Versuchsfahrzeugs ergeben sich Stellbereiche von 10 bis 40 mm.
•
Ausgangsgeschwindigkeit:
Realisiert werden die Geschwindigkeitsstufen 50 und 70 km/h
•
Ausgangsquerbeschleunigung:
Störungen werden in Kurven mit 3 und 5 m/s2 Querbeschleunigung aufgeschaltet
•
gestellte Störungskomponenten:
Für den Vergleich der Auswirkungen der Gesamtstörung aus der vorangegangenen
Studie 1 erfolgt eine Darstellung eines wankstabilisierten Fahrzeugs (Hub, Nicken,
Gieren, ohne Wanken).
Damit ergibt sich der in Tabelle 6.1 dargestellte Versuchsplan. Die Bereiche der Störungstiefen und die Abstände wurden anhand von Simulationsdaten des ika ausgewählt. Alle
Störungsanregungen werden wiederholt dargestellt, so dass pro Versuchsperson 24 Messungen zur Wankstabilisierung aufgezeichnet werden.
Tabelle 6.1: Im Versuch zu realisierende Faktorstufen der Störungstiefen.
Zu stellende
Störungskomponente
Wankstabilisator (Wanken = 0)
50km/h,
3m/s2
50km/h,
5m/s2
70km/h,
5m/s2
10mm
10mm
10mm
20mm
20mm
20mm
30 mm
30mm
30mm
40mm
40mm
40mm
Der Satz an abhängigen Variablen ist identisch mit dem in Studie 1 verwendeten. Neben
fahrdynamischen Messungen wurde die Bewertungen der Fahrer pro Fahrt auf der Störungsbewertungsskala erhoben.
Seite 107
FAT
6.3.3 Versuchsablauf
Die Probanden wurden nach Teilnahme an Studie 1 vom Versuchsleiter über die weitere
Untersuchung informiert. Die Versuchspersonen sind mit Versuchsanordnung und -ablauf
sowie dem Bewertungsinstrumentarium vertraut, so dass zunächst bei 50 km/h die Störungseinleitung bei wankstabilisiertem Fahrzeug erfolgte. Der Proband wird über die geänderten Fahrzeugeigenschaften nicht informiert. Nach Abschluss der Messungen mit 50
km/h wird der Parcours umgebaut und für das Befahren mit höherer Geschwindigkeit abgesteckt. Hier erfolgt die Untersuchung der wankstabilisierten Fahrzeugvariante bei 70
km/h. Im Sinne einer Messwiederholung werden die Störungsaufschaltungen bei 50 und 70
km/h abschließend erneut dargeboten.
6.3.4 Stichprobe und Zeitplan
Es werden die 12 Probanden der ersten Studie für diesen Untersuchungsteil als Versuchspersonen herangezogen (Kapitel 5.1.4). Die Versuche wurden vom 27.04.2005 bis zum
02.05.2005 in Verbindung mit den Versuchen der Studie 1 durchgeführt. Die Versuchsdauer belief sich auf eine halbe Stunde pro Proband.
Analog zum Vorgehen der Studie 1 werden auch in dieser Teilstudie nur Messungen in den
Auswertungen berücksichtigt, die nicht bei extremen Wetterbedingungen (Starkregen, Hagel) durchgeführt wurden (siehe Abschnitt 5.3.1). Auch aus diesem Untersuchungsteil
wurde Versuchsperson 8 ausgeschlossen.
Weiter beziehen sich die Analysen nur auf solche Messungen, in denen sich das Fahrzeug
beim Durchfahren der Pylonengasse in quasistationärer Kreisfahrt befand. Daher werden
Messungen identifiziert und ausgeschlossen, bei denen zum Zeitpunkt der Störungsauslösung starke Regelungstätigkeiten des Fahrers zu beobachten sind oder aber eine so starke
Abweichung vom Idealkurs vorliegt, dass eine stabile Durchfahrt der Pylonengasse ohne
deutliche Korrektureingriffe nicht möglich ist. Damit werden Störungen ausgeschlossen,
bei denen zum Zeitpunkt der Störungsauslösung ein Lenkradwinkel vorliegt, der eine Korrekturbewegung im weiteren Kurvenverlauf erzwingt (für eine genaue Beschreibung dieses
Vorgehens wird auf Kapitel 5.3.2 verwiesen). Die Auswertungen beziehen sich nach diesen Korrekturen auf insgesamt 118 Messfahrten.
Zur Überprüfung der Wirksamkeit der umgesetzten Wankstabilisierung ist zunächst die
Abbildungsgüte eines solchen Systems im Fahrzeug zu beschreiben. Es ist zu zeigen, dass
der Wankwinkel bei Kurvenfahrt auf 0° reduziert wird und gleichzeitig bei Unebenheitsanregung in Wankeigenfrequenz keine Wankbewegungen des Fahrzeugs zu beobachten sind.
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FAT
Studie 2: Auswirkungen einer Wankstabilisierung auf die Störungs Wahrnehmung
Daneben sollen Störungsauswirkungen aus der Unebenheitsanregung in den Parametern
Hub, Nicken und Gieren erhalten bleiben. Dazu werden die Fahrzeugreaktionen mit aktiver
Wankstabilisierung den Fahrzeugbewegungen ohne Wankstabilisierung gegenüber gestellt.
Hinsichtlich der Hubreaktion zeigt sich definitionsgemäß kein Einfluss der Wankstabilisierung. Die Hubreaktion bleibt auch bei aktivierter Wankstabilisierung in vollem Umfang
erhalten. Abbildung 6.6 zeigt einerseits das verringert Niveau des Wankwinkels und andererseits die Unabhängigkeit der Wankreaktion von der Störungstiefe bei aktivierter Wankstabilisierung. Genauso zeigt sich die Erhaltung der Nick- und Gierreaktionen bei aktivierter Wankstabilisierung. Zwar sind hier bei der Reduktion des Wankwinkels leichte Niveauverschiebungen der Ausgangslage zu beobachten, allerdings sind die Spannweiten der
Nick- und Gierbewegungen aus der Störungsanregung gleich groß. Als Ergebnis ist festzuhalten, dass der Versuchsträger die Wankstabilisierung entsprechend den gestellten Anforderungen realisiert.
Einfluss der Wankstabilisierung Vx50 Ay5
Hub für erstes Minimum
10
•••••ohne Wankstabilisierung
- • - mit Wankstabilisierung
0
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- • -mit Wankstabilisierung
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20
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Störungstiefe [mm]
-
40
Abbildung 6.5 Abbildungsgüte der Unebenheitsanregung bei wankstabilisiertem Fahrzeug. Vergleich der Hub- und Wankreaktionen bei vollständiger Störungsdarbietung vs. wankstabilisierter
Variante.
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FAT
Nick für erstes Minimum
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• • • • • ohne Wankstabilisierung
- • - m i t Wankstabilisierung
-0.2
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Störungstiefe [mm]
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Gier für erstes Minimum
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Störungstiefe [mm]
40
Abbildung 6.6: Abbildungsgüte der Unebenheitsanregung bei wankstabilisiertem Fahrzeug. Vergleich der Nick- und Gierreaktionen bei vollständiger Störimgsdarbietung vs. wankstabilisierter
Variante.
6.6 Störungswahrnehmung bei Wankstabilisierung
6.6.1 Verteilung der Urteile
Abbildung 6.7 zeigt die Verteilungen der Störungsbewertungen mit und ohne aktivierte
Wankstabilisierung. Weder mit noch ohne Wankstabilisierung treten „gefährlich" bewertete Fahrten auf. Insgesamt fuhrt die Wankstabilisierung dazu, dass die Urteilsverteilung
nach links in Richtung geringerer Störung verschoben wird.
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FAT
Gesamtstörung
40
lohne Wankstabilisierung
I mit Wankstabilisierung
E
w 30
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I
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2 10
|
1
2
spürbar
7
4
5
störend
Urteil SBS
8
9
gefährlich
Abbildung 6.7: Verteilung der Urteile bei Gesamtstörung im Vergleich zur wankstabilisierten Fahrzeugvariante.
6.6.2 Auswirkungen der Störungstiefe und Einfluss von Geschwindigkeit und
Querbeschleunigung
Die differenzierte Analyse der Störungsbewertungen nach Störungstiefe unterstreicht die
über Betrachtung der Verteilungen gewonnenen Ergebnisse: Die Wankstabilisierung führt
bei jeder Störungstiefe zu geringeren Bewertungen. Dies gilt in allen untersuchten Geschwindigkeitsbereichen und realisierten Ausgangsquerbeschleunigungen (Abbildung 6.8).
Mit steigender Störungstiefe werden die Auswirkungen der Wankstabilisierung größer, da
bei stärkeren auftretenden Wankwinkeln, die mit großen Störungstiefen einhergehen, die
Unterschiede in den auftretenden Fahrzeugreaktionen mit vs. ohne Wankstabilisierung
zunehmen.
Gesamtstörung mit/ohne Wankstabilisierung
• • • • o h n e Wankstabilisierung
• • - m i t Wankstabilisierung
10
20
Störungstiefe [mm]
30
50km/h 3m/s 2
40
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— » - • ohne Wankstabilisierung
10
20
Störungstiefe [mm]
50km/h 5m/s 2
30
40
ohne Wankstabilisierung
— • - mit Wankstabilisierung
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70km/h 5m/s 2
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20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 6.8: Bewertung der Störungsauswirkungen bei Komplettstörung vs. wankstabilisiertem Fahrzeug
bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Querbeschleunigungen (siehe Tabelle 9.16).
6.6.3 Auswirkungen auf die prognostizierte Querabweichung
Dass sich die Wankstabilisierung auf die prognostizierte Querabweichung auswirkt, wird
aus Abbildung 6.9 deutlich, wo die mittlere Spannweite dieser Abweichung über der Störungstiefe getrennt für die Varianten ohne und mit Wankstabilisierung aufgetragen ist. Auf
den ersten Blick paradox erscheint das Ergebnis, dass mit Wankstabilisierung diese
Spannweite größer ist, was einen negativen Einfluss der Wankstabilisierung auf die Spurhaltung bedeuten könnte. Dem widerspricht das Ergebnis aus Abbildung 6.10, in der die
RMS-Werte aufgetragen sind, für die kein Unterschied zu finden ist.
Dieser scheinbare Widerspruch löst sich auf, wenn man berücksichtigt, dass die Fahrer
nicht dazu aufgefordert wurden, einer bestimmten Ideallinie möglichst exakt zu folgen,
sondern lediglich dazu, das Manöver sicher zu bewältigen. Zwingender Handlungsbedarf
besteht daher für den Fahrer nur dann, wenn er das Gefühl hat, das Fahrzeug nicht mehr
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FAT
innerhalb der aufgestellten Pylonengasse halten zu können. Die Interpretation, dass bei
vergleichbarer Querabweichung ein Fahrer mit aktiver Wankstabilisierung sich weniger
gedrängt fühlt, diese Abweichung auszugleichen, wird durch die Auswertung in Abbildung
6.11 gestützt. Dort wurde die Querabweichung in Klassen eingeteilt und die Beurteilung
der Störung pro Klasse für die Bedingung mit und ohne Wankstabilisierung berechnet. Es
zeigt sich deutlich, dass mit Wankstabilisierung die gleiche Querabweichung als weniger
störend empfunden wird als ohne Wankstabilisierung. Dies kann als Hinweis auf eine geringere subjektive Gefährlichkeit gedeutet werden.
ü
1
=
0.9
55
0.8
01
— • • • Gesamtstörung
— • -Wankstabilisierung
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20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 6.9 Mittlere Spannweite der prognostizierten Querabweichling (0-2s) bei Gesamtstörung ohne und mit Wankstabilisierung (siehe Tabelle 9.16).
RMS-Wert der ProQA über Störungstiefe
0.4
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Störungstiefe [mm]
Abbildung 6.10:Mittlerer RMS-Wert der prognostizierten Querabweichung (0-2s) über der Störungstiefe bei Gesamtstörung ohne und mit Wankstabilisierung.
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FAT
Mittleres Urteil über Spannweite prog. Querabweichung
Gesamtstörung mit und ohne Wankstabilisation
• • • • • ohne Wankstabilisation
— • -mit Wankstabilisation
-0.2]
]0.2-0.3]
]0.3-0.4]
]0.4-0.5]
Spannweite Prognostizierte Querabweichung [m]
(Max-Min Zeitintervall 0-2s)
Abbildung 6.11: Mittleres Urteil (SBS) über Spannweite der prognostizierten Querabweichung bei
Gesamtstörung ohne und mit Wankstabilisierung (siehe Tabelle 9.17).
6.7 Zusammenfassung
Die Wankstabilisierung eines Fahrzeugs führt zu einer durchgängig niedrigeren Bewertung
der Auswirkungen von Vertikalstörung durch den Fahrer. Dies gilt unabhängig von den
untersuchten Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereichen. Offensichtlich hat
eine aktive Wankstabilisierung, die neben der aktiven Rückführung des Wankwinkelniveaus in Kurven in der Lage ist, Anregungen im Bereich der Wankeigenfrequenz auszuregeln, einen positiven Effekt auf die Störungswahrnehmung des Fahrers.
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Diskussion der Ergebnisse
7 Diskussion der Ergebnisse
7.1 Aufbau eines Versuchsträgers zur aktiven Herstellung vertikaler
Störungen
Entsprechend der Zielsetzung der Studie galt es, einen Versuchsträger aufzubauen und zu
validieren, der es ermöglichte, über aktive Stellglieder valide Vertikalstörungen einzuleiten. Dabei sollte sowohl eine Gesamtstörung dargestellt werden können, als auch eine isolierte Aufschaltung von Hub-, Nick-, Wank- und Gierstörungen möglich sein (Fragestellung 1). Weiter sollte eine wankstabilisierte Fahrzeugvariante dargestellt werden.
Diese technischen Ziele können als erfüllt angesehen werden. So wurde mit dem Aufbau
des Opel Senator eine Möglichkeit geschaffen, über ein aktives Fahrwerk vertikale Unebenheiten mit dem Fahrzeug abzubilden. Über die Simulation eines Streckenverlaufs mit
Vertikalprofil konnten grundsätzlich alle Arten einer vertikalen Anregung zugeschaltet
werden. Durch das hinterlegte Fahrzeugmodell wurden die Störungsauswirkungen mit den
fahrdynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs verrechnet. In den Validierungsversuchen
des Kap. 5.4 wurde aufgezeigt, dass die fahrdynamischen Auswirkungen vertikaler Unebenheiten weitestgehend dargestellt werden konnten. Die Abbildung der zeitlichen Struktur der ausgewählten Anregung in Form einer doppelten kosinusförmigen Fahrbahnvertiefung erfolgte mit einem Versatz der Fahrzeugreaktionen zueinander, der 55 ms in allen
Fällen unterschritt.
Hinsichtlich der Amplituden wurde bei der Gesamtstörung eine sehr gute Nachbildung
erreicht. Die darstellbare Störungstiefe für eine Gesamtstörung war aufgrund der Abmaße
und des Leistungsbereichs der Stellglieder bis 40 mm möglich. Damit konnten Störungen
gestellt werden, die deutlich über denen liegen, die in Entwürfen zu straßenbaulichen
Richtlinien als zulässig anzusehen sind.
Auch die separate Stellung einzelner Störungskomponenten konnte im open loop validiert
werden. Zwar konnten die Einzelkomponenten nicht vollständig isoliert gestellt werden,
eine deutliche Reduktion der zu unterdrückenden Fahrzeugreaktionen bei Maximierung der
Reaktion in der zu stellenden Bewegungsgröße wurde jedoch erreicht. Dies gilt auch für
die Fahrzeugvariante mit Wankhorizontierung. Lediglich bei geringen Querbeschleunigungen war eine alleinige Stellung einer Gierreaktion aufgrund der linearen Reifeneigenschaften in diesem Kraftbereich über Wankmomentverteilung nicht möglich.
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FAT
7.2 Definition einer Versuchsanordnung zur Untersuchung fahrdynamischer Störungen im closed loop
In ausführlichen Vorversuchen wurden neben der Art und Stärke der Vertikalstörung die in
der Hauptuntersuchung zu realisierenden Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereiche definiert (Fragestellung 2). Es wurde ein Fahrmanöver erarbeitet, das die Bewertung
solcher Störungen durch den Fahrer und damit im closed loop erlaubt. Aus den inhaltlichen
und technischen Anforderungen der Untersuchung ergab sich die Wahl eines quasistationären Manövers, da in dynamischen Manövern einerseits die geforderte Situation mit stabiler
Querbeschleunigung nicht zu erreichen war und bei dynamischen Manövern durch Lenkeingaben die Störungsauswirkungen stark überblendet wurden. So konnte gezeigt werden,
dass eine Landstraßensituation kaum geeignet ist, um den Anforderungen des Versuchs
gerecht zu werden: Einerseits wurden - zumindest auf dem Landstraßenkurs der atpPrüfgeländes - nur relativ geringe Querbeschleunigungen erreicht, andererseits war eine
Stellung der Vertikalanregung aufgrund der starken Anregungen durch die Fahrbahn nicht
in geeigneter Weise möglich. Das demgegenüber strenge Manöver der quasistationären
Kreisfahrt erschien im Sinne einer validen Abbildung der Störung am sinnvollsten. Allerdings zeigten die Ergebnisse des Vorversuchs, dass die Fahrer in dieser hoch stabilen Situation einen konstanten Lenkradwinkel einstellten und auf externe Störeinflüsse nicht mehr
reagierten. Weiter war dieses Manöver Probanden und Versuchsleitern bei einer Dauer von
mehr als drei Stunden kaum zumutbar. Als erfolgreich erwies sich die Störungseinleitung
in den Kurven des Handlingkurses. Hier konnte der gewünschte Kompromiss geschaffen
werden: Das angestrebte Niveau der Ausgangsquerbeschleunigung wurde durch in den
Kurven aufgestellte Pylonengassen hergestellt. Durch die dabei relativ kurzen Kurvenabschnitte war es dem Probanden in der Regel nicht möglich, einen festen Lenkradwinkel
„einzustellen", sondern er musste in jeder Kurve das Fahrzeug erneut in die quasistationäre
Situation einregeln. Damit erwies sich der Handlingkurs mit definierten Kurvenradien über
Pylonengassen als sinnvolles Manöver.
Für die zu wählenden Querbeschleunigungen und Geschwindigkeiten wurden Bereiche
angestrebt, die das normale Fahren abdecken und sogar noch ein wenig darüber hinausgehen. Fahrten im Grenzbereich wurden nicht realisiert. Aus Vorgaben der Literatur und den
Einschränkungen der Teststrecke wurden die Geschwindigkeiten 50 und 70 km/h ausgewählt, die bei Querbeschleunigungen von 3 und 5 m/s2 in den Kurven per Tempomat befahren wurden.
Über die direkte Bewertung der Auswirkungen der Störungen mit Hilfe der Störungsbewertungsskala nach Neukum & Krüger (2003) konnte in diesem Zusammenhang ein einfaches, leicht zu handhabendes subjektives Bewertungsverfahren eingesetzt werden, das sich
bereits bei der Bewertung von Lenksystemstörungen als geeignet erwiesen hat. Der Befund
hinsichtlich der Eignung dieser Skala war eindeutig: Die Skala erwies sich durchgängig als
sensitiv für auch kleine Veränderungen der fahrdynamischen Reaktionen. Genauso erwies
sich die Anwendung des von Neukum (2001) beschriebenen Rationales zur Untersuchung
von Subjektiv-Objektiv-Zusammenhängen außerhalb des traditionellen Korrelationsansatzes auch bei der Untersuchung vertikaler Anregungen als erfolgreich. Bei dieser Herangehensweise werden die subjektiven Bewertungen nicht auf die Störung bezogen, sondern
auf die daraus resultierende Fahrer-Fahrzeug-Interaktion, die als die eigentliche Urteilsgrundlage der Fahrer angesehen wird.
Seite 116
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7.3 Bewertung der fahrdynamischen Auswirkungen vertikaler Unebenheitsanregungen
Als zentraler Aspekt dieses Forschungsvorhabens stand die Analyse der Ergebnisse der
Fahrversuche bezogen auf die fahrdynamischen Auswirkungen und die subjektive Bewertung der Vertikalstörung im Vordergrund. Ziel ist war es, fahrdynamische Grenzwerte zu
bestimmen, ab der solche Störungen sicherheitsrelevant werden (Fragestellung 3).
Zwar stiegen mit steigender Störungstiefe sowohl die fahrdynamischen Reaktionen des
Fahrzeugs als auch die Störungsbewertungen an, allerdings wurden selbst extreme Störungen, die größer sind als dies straßenbauliche Richtlinien zulassen, vom Fahrer nicht als
„gefährlich" bewertet, sondern verblieben im Bereich des „bemerkbar" oder „die Fahraufgabe störend". Der Übergang von „bemerkbar" zu „die Fahraufgabe störend" für die Vertikalstörung in Form eines doppelten Kosinus in Wankeigenfrequenz fand bei Störungstiefen
in der Größenordnung von 20 mm statt.
Lediglich in fünf Fällen konnten in der Lenkung Fahrereingriffe festgestellt werden, wobei
selbst diese wenigen Fälle nicht eindeutig auf die Aufschaltung der Vertikalstörung zurückzuführen waren. Der Bereich der hier untersuchten Störungen ist damit als unkritisch
einzustufen. Es bleibt an dieser Stelle offen, ob die von Riedel & Arbinger (1997) berichteten Effekte ebenfalls als solche Einzelfälle verstanden werden können oder aber diese darauf zurückzuführen sind, dass in dieser Untersuchung die Fahrzeuge zumindest von den
Profifahrern teilweise im Grenzbereich bewegt wurden. Da es im Versuchsträger nicht
möglich war, haptische Informationen über das Lenkmoment darzustellen, bleibt offen,
wie eine zusätzliche haptische Information Störungsauswirkungen und -Wahrnehmung moderieren würde.
Werden die subjektiven Störungsbewertungen für jede einzelne Messfahrt auf die dort resultierenden fahrdynamischen Auswirkungen bezogen, zeigt sich, dass solche Unebenheitsanregungen als „störend" eingestuft werden, die
•
mit einer Hubreaktion größer 15mm,
•
einer Nickreaktionen von mind. 0.5°,
•
einer Giergeschwindigkeiten größer 27s und/oder
•
einem Wankwinkel größer 1 °
einhergehen. Diese Grenzen werden durch Geschwindigkeit und Querbeschleunigung moderiert.
Bei der Analyse der Gesamtstörung muss ungeklärt bleiben, welche der beteiligten Teilstörungen in welchem Ausmaß in das Bewertungsurteil eingeht. Für die Subjektiv-ObjektivFragestellung ist dies ein bekannter Fall: die fahrdynamischen Parameter sind untereinander hoch korreliert und damit zumindest im Normalbereich voneinander linear abhängig.
Liegt eine Korrelation zwischen einem fahrdynamischen Parameter und einem subjektiven
Urteil vor, ist diese Korrelation regelhaft in vergleichbarer Größenordnung auch für alle
anderen beteiligten Parameter zu finden.
Seite 117
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7.4 Identifikation bewertungsrelevanter Parameter
Der Versuch der Identifikation bedeutsamer Komponenten der fahrdynamischen Reaktion
und der Abschätzung ihres Beitrags zur Bewertung der Gesamtstörung erfolgte über die
Aufschaltung isolierter Teilstörungen, bei denen Hub, Nicken, Wanken und Gieren separat
gestellt werden (Fragestellung 4). Über die separate Stellung dieser Einzelkomponenten ist
es möglich, den Zusammenhang zwischen den Einzelgrößen zumindest zum Teil aufzubrechen und den Einfluss dieser Komponenten in Relation zur Gesamtstörung zu bestimmen.
Dabei zeigen sich die Wank- und Gierbewegungen des Fahrzeugs als wesentliche Komponenten der Störungsbewertung. Insbesondere die Gierstörung ist in der Lage, die Bewertung der Gesamtstörung fast vollständig zu „erklären", da sie in Niveau und Steigung fast
deckungsgleich zur Gesamtstörung ist. Deutlich geringer ist der Einfluss der Hubstörung.
Am wenigsten trägt die Nickreaktion zur Bewertung einer Störung bei.
Kritisch anzumerken ist, dass die separate Stellung nicht vollständig erreicht wird. So werden die nicht zu stellenden Größen zwar stark reduziert, aber nicht in vollem Umfang eliminiert. Aus dieser Versuchsanordnung ist kein quantitativer Schluss über den Beitrag der
Teilstörungen zur Gesamtstörung zu ziehen, da die Einflüsse der Teilstörungen sich nicht
additiv verhalten. Es ist davon auszugehen, dass zwischen den Parametern erhebliche
Wechselwirkungen bestehen, die zum jetzigen Zeitpunkt nur erlauben, ein Mehr oder Weniger an Einfluss abzuleiten. Auch bei der Einzelkomponentenstellung wird das Urteil des
Fahrers durch die Variation von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung moderiert. Insbesondere die kritischen Größen Wankwinkel und Gierrate zeigen eine deutliche Abhängigkeit vom Niveau der Ausgangsquerbeschleunigung.
7.5 Auswirkungen einer Wankstabilisierung auf die Störungsbewertung
Im zweiten Untersuchungsteil wurde überprüft, welche Auswirkungen die Einführung einer aktiven Wankstabilisierung auf die Fahrdynamik und daraus abgeleitet auf die Störungsbewertung hat (Fragestellung 5). Schließlich bot sich mit diesem Untersuchungsteil
zur Elimination der Wankreaktion auch die Möglichkeit an, die Ergebnisse zur Stellung
isolierter Teilstörungen auf einem anderen Weg methodisch zu überprüfen (Fragestellung
6).
Insgesamt zeigte sich, dass das Fehlen der Wankreaktion des Fahrzeugs zu einer durchgängig niedrigeren Bewertung der vertikalen Unebenheiten und ihren Auswirkungen auf
die Fahrdynamik führt. Da in den Versuchen zur Wankstabilisierung lediglich die Wankreaktion unterdrückt, alle anderen Parameter (Hub, Nicken und Gieren) aber wie in der Gesamtstörung dargestellt wurden, weist dieses Ergebnis zum einen darauf hin, dass eine aktive Wankstabilisierung, die neben der aktiven Rückführung des Wankwinkelniveaus in
Kurven in der Lage ist, Anregungen im Bereich der Wankeigenfrequenz auszuregeln, einen positiven Effekt auf die Störungswahrnehmung des Fahrers besitzt. Zum anderen steht
dieses Ergebnis im Einklang mit den Erkenntnissen, die aus der Einzelkomponentenstellung abgeleitet werden konnten, und unterstreicht damit die zentrale Rolle der Wankreaktion des Fahrzeugs für die Störungsbewertung durch den Fahrer.
Seite 118
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7.6 Kritik am Vorgehen und Ausblick
Das Forschungsvorhaben erbrachte detaillierte Erkenntnisse über die Auswirkungen vertikaler Unebenheitsanregungen bei querdynamischer Beanspruchung und deren Bewertung
durch den Normalfahrer. Weiter erwies sich die isolierte Stellung von Teilstörungen zur
Untersuchung der Einflussgrößen auf die Beurteilung der Gesamtstörung als viel versprechender methodischer Weg. Die Studie konnte zumindest qualitativ den unterschiedlichen
Beitrag von Teilstörungen zur Bewertung der Gesamtstörung aufzeigen. In weiteren Studien sollte der Versuch unternommen werden, diese Zusammenhänge zu quantifizieren.
Hierzu ist hinsichtlich des Versuchsträgers eine höhere Präzision bei der Darstellung einzelner Störungskomponenten zu fordern. Möglich ist dies beispielsweise über eine unabhängige aktive Stellung der Gierbewegung mit Hilfe einer beeinflussbaren Lenkung. Für
die Untersuchung der Rolle weiterer Parameter wie dem Schwimmwinkel ist ein Eingriff
über eine Hinterachslenkung eine mögliche Lösung. Für die identifizierten Größen Wankund Gierbewegung vermag in der dargestellten Versuchsanordnung keine Aussage darüber
getroffen werden, ob die Amplitude oder aber die Geschwindigkeit der Veränderung in
diesen Parametern als bewertungsrelevant anzusehen ist, da diese Größen nicht unabhängig
voneinander variiert werden konnten. Offen bleibt auch der Beitrag haptischer Informationen. In der vorliegenden Studie wurden dem Fahrer allein die kinästhetischen Informationen über die Fahrzeugreaktionen dargeboten. Eine adäquate Abbildung haptischer Informationen im Lenkmoment erfolgte nicht. Dies ist bei der Interpretation des Ergebnisses,
dass keine eindeutigen Fahrerreaktionen auf die Störung hin auftraten, mit zu berücksichtigen.
Schließlich ist ein zusätzlicher Erkenntnisgewinn zu erwarten, wenn weitere Störungsbilder in die Untersuchung einbezogen werden. Darüber würde die dieser Studie zu Grunde
liegende Annahme überprüfbar, dass nicht die Störungsart, sondern deren fahrdynamischen
Auswirkungen die Grundlage der subjektiven Störungsbewertung darstellen.
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Literaturverzeichnis
8 Literaturverzeichnis
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car body movements for use in Virtualprototyping and ride comfort evaluation. Paper presented at the SAE Conference Automotive Dynamics and Stability.
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to a rotating linear acceleration vector. In H. Schone (Ed.), Mechanisms of spatial
perception and orientation as related to gravity. Stuttgart: Gustav Fisher-Verlag.
Bergman, W. (1978). Correlation between vehicle tests and subjective evaluation. Entwicklungsstand der objektiven Testverfahren für das Fahrverhalten. Kolloquium
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Seite 121
FAT
Anhang
9 Anhang
9.1 Wertetabellen der dargestellten Versuchsergebnisse
9.1.1 Beurteilung der Störungsanregungen
Aufgeführt sind die Wertetabellen zu Kapitel 5.6.2 und 5.7.2.
Tabelle 9.1: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die umgesetzten Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
Gesamtstörung
Hubstörung
Wankstörung
Nickstörung
Gierstörung
Störungstiefe [mm]
0
10
20
30
40
20
30
40
50
60
20
40
60
80
10
20
30
40
50
20
30
40
50
60
50km/h 3m/s2
m
sd
0,000
0,000
0,909
0,917
1,750
0,950
2,100
0,940
3,533
1,176
1,000
0,408
1,563
0,417
2,111
0,993
2,778
0,795
3,056
1,310
0,955
0,723
1,574
0,635
2,426
1,045
3,111
0,993
0,222
0,428
0,689
0,958
1,389
0,546
1,556
0,583
0,607
0,769
1,222
0,684
0,696
0,618
N
2
11
10
10
9
10
8
9
9
9
11
9
9
9
18
12
9
9
14
13
9
50km/h 5m/s2
m
N
sd
0,900
0,982
9
11
1,182
1,230
2,752
0,979
9
3,430
0,978
9
4,093
1,068
9
1,593
9
1,143
2,150
1,156
10
2,375
0,916
8
3,125
1,217
8
2,852
0,729
9
2,000
0,750
9
2,938
1,522
8
3,722
1,417
9
4,688
8
1,557
0,635
0,710
16
1,444
0,726
9
11
1,591
1,068
2,375
1,217
8
1,563
2,389
3,500
3,889
4,222
0,417
1,495
1,658
0,894
1,856
8
9
9
9
9
70km/h 5m/s2
m
sd
0,500
0,612
0,885
0,820
1,850
1,081
2,938
1,568
3,944
1,286
1,950
1,092
2,778
1,805
3,222
1,149
2,000
N
9
13
10
8
9
10
9
9
1
1,550
2,611
3,944
4,063
1,301
1,409
1,333
2,306
10
9
9
8
1,208
1,400
2,250
2,556
1,400
2,333
2,650
4,722
5,333
1,1%
0,699
1,253
0,768
0,966
1,179
1,564
1,523
1,871
12
10
10
9
10
8
10
9
9
Seite 122
FAT
Anhang
9.1.2 Auswirkung der Störung auf Fahrdynamik
Tabelle 9.2: Mittelwerte und Standardabweichungen der Spannweiten (SW) von Hub-, Wank-,
Nick-, und Gierreaktion des Fahrzeugs für die Gesamtstörung aufgetrennt für die umgesetzten
Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und
Querbeschleunigung.
Störungstiefe [mm]
0
10
20
30
40
vx [km/h]
/üy [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
SW Hubreaktion [mm]
m
sd
1,939
0,147
0,528
0,631
0,954
0,915
0,843
0,853
9,199
0,677
8,483
0,871
9,032
0,808
8,912
0,825
17,807
0,585
16,952
0,895
17,230
1,214
17,343
0,971
27,855
0,610
26,480
1,877
25,832
1,450
26,797
1,591
37,733
0,701
37,281
1,803
36,237
0,851
37,084
1,335
SW Wankreaktion [°]
m
sd
0,243
0,058
0,095
0,128
0,078
0,081
0,102
0,111
0,189
0,119
0,217
0,150
0,315
0,093
0,245
0,130
0,234
0,078
0,290
0,107
0,520
0,209
0,350
0,189
0,396
0,052
0,475
0,105
0,859
0,084
0,559
0,216
0,544
0,062
0,655
0,139
1,257
0,073
0,819
0,333
SW Nickreaktion [°]
m
sd
0,062
0,035
0,062
0,036
0,073
0,031
0,067
0,032
0,024
0,347
0,346
0,070
0,226
0,054
0,302
0,078
0,044
0,681
0,665
0,039
0,413
0,057
0,584
0,134
1,006
0,051
1,001
0,048
0,587
0,087
0,880
0,203
1,400
0,041
1,357
0,056
0,750
0,067
1,169
0,307
SW Gierreaktion [°/s]
m
sd
0,647
0,536
0,752
0,705
0,545
0,774
0,628
0,715
0,319
1,103
1,733
0,980
2,080
0,482
1,664
0,751
0,814
2,248
3,364
1,133
3,824
1,728
3,138
1,417
0,294
3,220
1,282
5,220
6,126
0,883
4,748
1,518
4,687
0,545
6,805
2,490
8,691
0,732
6,727
2,223
N
2
9
9
20
11
11
13
35
10
9
10
29
10
9
8
27
9
9
9
27
Seite 123
FAT
Anhang
Nick-, und Gierreaktion des Fahrzeugs für die Hubstörung aufgetrennt für die umgesetzten Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungstiefe [mm]
v5 [km/h|
/ay [m/s2]
20
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
30
40
50
60
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
Total
SW Hubreaktion |nini|
m
sd
16,749
0,523
16,640
0,977
20,048
1,065
17,853
1,832
25,065
0,301
24,917
0,606
29,815
1,915
26,594
2,583
33,229
0,665
33,348
0,860
39,085
4,854
35,293
3,976
41,297
0.995
41,154
0,883
52,324
41,846
2,762
49,247
0,764
49,328
0,683
49,287
0,704
m
sd
0,046
0,023
0,062
0,044
0,072
0,052
0,092
0,071
0,079
0,017
0,111
0,071
0.172
0,033
0.174
0,111
0,253
-0,057
0,098
0,031
0,029
0,040
0,036
0,091
0,059
0,121
0,091
0,040
0,033
0,061
0,060
0,046
0,041
0,082
0,055
0,017
0,164
m
sd
-0,018
0,016
0,015
0,029
0,035
0,006
0,000
0,030
-0,053
0,027
-0,052
0,045
-0,006
0,044
-0,037
0,045
0,024
-0,069
-0,062
0,031
-0,007
0,060
-0,045
0,049
-0,103
0,027
-0,059
0,051
0,023
-0,077
0,050
-0,088
0,029
-0,096
0,039
-0,092
0,034
m
sd
1,557
0,853
1,286
0,831
1,950
0,741
1,609
0,827
2,491
0,800
1,496
2,636
3,930
0,545
1,211
3,025
0,309
2,746
1,322
2,687
3,922
1,139
3,135
1,130
3,111
0,736
0,757
3,173
5,258
3,258
0,861
3,560
0,805
1,499
0,757
2,530
1,303
N
10
9
10
29
8
10
9
27
9
8
9
26
9
8
1
18
9
9
18
Seite 124
FAT
Anhang
Nick-, und Gierreaktion des Fahrzeugs für die Wankstörung aufgetrennt für die umgesetzten Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungstiefe [mm]
20
40
60
80
v„ [km/h]
/ay [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
SW Hubreaktion [mm]
m
sd
0,376
0,425
0,872
0,912
0,431
0,519
0,543
0,651
0,067
0,401
2,955
8,747
0,304
0,476
1,038
4,822
-0,580
0,372
0,920
2,118
0,002
0,511
0,114
1,378
-0,801
0,838
4,038
2,360
0,785
1,726
1,255
2,640
m
sd
0,324
0,098
0,090
0,418
0,508
0,060
0,414
0,113
0,552
0,069
0,162
0,764
1,131
0,817
0,917
1,322
1,731
1,323
1,353
2,027
2,816
2,037
0,111
0,273
0,049
0,056
0,103
0,346
0,083
0,215
0.077
0,628
m
sd
0,034
0,021
0,071
0,051
0,113
0,054
0,071
0,054
0,040
0,035
0,011
0,052
0,100
0,031
0,052
0,054
0,027
0,025
0,058
0,063
0,107
0,046
0,064
0,056
0,032
0,009
0,070
0,063
0,118
0,041
0,064
0,064
in
sd
0,415
0,371
1,040
1,533
0,795
0,515
0,729
0,920
0,749
0,328
0.790
1,005
1,006
0,877
0,917
0,686
1,240
0,312
0,704
1,406
1,441
0,527
1,362
0,525
1.471
0,608
1,076
1,655
0,564
1,008
1,382
0,792
N
11
9
10
30
9
8
9
26
9
9
9
27
9
8
8
25
Nick-, und Gierreaktion des Fahrzeugs für die Nickstörung aufgetrennt für die umgesetzten Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungstiefe [mm]
10
20
30
40
50
v, Ikm/h]
/»y [m/s2]
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
70/5
SW Hubreaktion [mm]
in
sd
1,459
0,625
1,548
1,130
1,501
0,885
2,590
0,580
4,331
5,146
1,762
0,728
2,764
2,828
2,912
0,573
3,554
0,546
1,469
0,720
2,667
1,080
4,556
0,568
5,646
1,517
2,285
0,905
4,038
1,753
3,069
1,330
m
sd
0,065
0,039
0,024
0,044
0,034
0,055
0,037
0,047
0,033
0,081
0,051
0,034
0,052
0,045
0,072
0,040
0,046
0,057
0,052
0,087
0,047
0.071
0,045
0,075
0,056
0,049
0,072
0,033
0,045
0,066
0,032
0,103
m
sd
0,303
0,058
0,064
0,295
0,299
0,060
0,574
0,041
0,552
0,122
0,442
0,067
0,520
0,098
0,867
0,031
0,844
0,034
0,609
0,079
0,772
0,128
1,171
0,040
0,112
1,190
0,813
0,102
1,044
0,200
1.058
0,075
m
sd
0,711
0,497
0,700
0,522
0,705
0,501
0,645
0,801
1,482
0,534
1,137
1,026
1,052
0,878
0.883
0,368
1,597
0,981
1,274
1,935
1,495
1,030
1,015
0,456
2,268
0,636
2,469
1,348
1,925
1,113
2,846
0,452
N
18
16
34
12
9
12
33
9
11
10
30
9
8
10
27
9
Seite 125
FAT
Anhang
Nick-, und Gierreaktion des Fahrzeugs für die Gierstörung aufgetrennt für die umgesetzten Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungstiefe [mm]
20
30
40
50
60
v, [km/h]
/a y [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
SW Hubreaktion [mm]
sd
m
0,925
0,097
1,156
0,988
0,084
0,750
0,990
0,316
0,986
-0,155
2,187
1,249
0,932
0,313
1,515
0,391
0,624
0,716
1,510
3,043
0,680
1,118
1,865
0,929
3,461
3,469
1,506
-0,539
3,310
1,465
2,184
-0,462
1,135
-1,206
-0,834
1,731
m
sd
0,161
0,023
0,256
0,028
0.187
0,067
0,193
0,057
0,215
0,062
0,406
0,111
0.250
0,055
0,282
0,113
0,275
0,021
0,530
0,142
0,283
0,125
0,360
0,160
0,703
0,080
0,373
0,076
0.538
0,186
0,659
0,148
0,406
0,037
0,533
0,167
m
sd
0,036
0,038
0,162
0,076
0,134
0,053
0,076
0,099
0,047
0,033
0,104
0,154
0,144
0,050
0,084
0,101
0,031
0,062
0,167
0,179
0,100
0,044
0,109
0,111
0,161
0,186
0,088
0,122
0,154
0,130
0,101
0,019
0,093
0,107
0,104
0,063
m
sd
0,999
0,303
3,000
0,855
3,164
0,838
2,176
1,234
1,335
0,461
3,773
2,083
5,192
1,258
3,095
2,101
0,764
1,660
5,355
2,139
6.716
1,665
4,654
2,680
6,027
3,078
8,397
1,133
7,212
2,559
3,202
6,761
7,446
2,977
7,103
3,020
N
14
8
10
32
13
9
8
30
9
9
10
28
9
9
18
9
9
18
9.1.3 Beurteilung der fahrdynamischen Auswirkungen
Seite 126
FAT
Anhang
Tabelle 9.7: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die aufgeführten Kategorien der Hubbewegung in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
SW Hubbewegung [mm]
]5-15]
] 15-25]
Gesamtstörung
]25-35]
]35-45]
]15-25]
Hubstörung
]25-35]
135-45]
Wankstörung
Nickstörung
Gierstörung
15-151
]15-251
15-15]
115-251
15-151
vx [km/h]
/av [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
50/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
50/5
m
sd
N
0,909
1,182
0,885
0,986
1,750
2,797
0,917
1,230
0,820
0,974
0,950
0,934
1,394
1,183
0,940
1,102
1,673
1,337
1,176
1,082
1,308
1,156
0,469
1,028
1,092
0,962
0,828
1,182
1,662
1,234
0,795
1,217
1,080
1,032
1,000
11
11
13
35
10
10
13
33
10
2,231
2,257
2,100
3,630
3,000
2,867
3,533
3,979
3,813
3,765
1,083
1,881
1,950
1,634
1,900
2,192
2,682
2,218
2,778
3,125
3,500
3,104
5,000
4,000
1,750
2,700
4,000
2,625
1,000
3,900
1,061
1,483
1,382
1,140
9
6
25
9
8
8
25
12
14
10
36
15
13
11
39
9
8
7
24
3
1
2
5
1
8
1
5
Seite 127
FAT
Anhang
Tabelle 9.8: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die aufgeführten Kategorien der Nickbewegung in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
SW Nickbewegung [°]
]0-0.25]
JO.25-0.5]
]0.5-0.75]
Gesamtstörung
10.75-1]
]1-1.25]
Jl.25-1.5]
Hubstörung
10-0.25]
Wankstörung
10-0.25]
Nickstörung
10-0.25]
10.25-0.5]
]0.5-0.75]
]0.75-l]
vx [km/h]
/av [m/sJl
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
ru
sd
N
0,000
1,013
0,632
0,693
0,909
1,182
1,769
1,314
1,750
2,752
3,167
2,589
2,200
3,573
4,100
3,291
2,000
3,250
2,556
3,533
4,093
3,813
0,000
1,537
2,500
2,086
1,855
3,240
2,972
2,668
0,333
1,000
0,667
0,200
0,711
1,150
0,629
0,958
1,357
1,633
1,338
1,389
1,591
2,250
0,000
0,986
0,742
0,815
0,917
1,230
0,992
1,085
0,950
0,979
1,572
1,345
0,758
0,737
1,245
1,204
1,179
1,323
1,336
1,176
1,068
1,127
2
8
19
29
11
11
1,160
1,075
1,229
1,159
1,702
1,867
1,703
0,577
0,000
0,516
0,414
0,874
1.292
0,929
0,689
0,690
0,896
0,823
0,546
1,068
1,161
9
17
27
31
25
36
92
3
3
6
15
15
10
40
12
7
15
34
9
11
10
13
35
10
9
12
31
5
5
5
15
5
4
9
9
9
18
1
Seite 128
FAT
Anhang
]1-1.25]
]1.25-1.5]
]0-0.25]
Gierstörung
]0.25-0.5]
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
1,750
1,556
2,000
2,583
1,977
5,000
0,833
3,017
3,028
2,335
2,875
7,250
3,750
1,015
0,583
0,645
0,801
0,763
0,714
1,595
1,922
1,835
1,529
1,061
2,312
30
9
7
6
22
1
33
30
42
105
8
2
10
Seite 129
FAT
Anhang
Tabelle 9.9: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die aufgeführten Kategorien der Wankbewegung in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
SW Wankbewegung [°|
] 0-0.5]
Gesamtstörung
]0.5-l]
11-1.51
Hubstörung
]0-0.5]
]0-0.5]
Wankstörung
]0.5-l]
]1-1.5]
Nickstörung
Gierstörung
]0-0.5]
10-0.5]
10.5-1]
v* [km/h]
/av [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
70/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
m
sd
N
1,684
2,063
0,932
1,640
3,278
3,625
2,536
3,083
3,750
2,114
2,222
2,603
2,287
1,077
2,250
1,875
1,580
2,031
2,611
1,429
2,063
3,111
3,722
2,688
3,192
0,872
1,309
1,872
1.320
0,819
1,974
3,254
2.145
4,040
1,276
1,422
0,863
1,309
1,277
1,594
1,407
1,500
1,359
1,130
1,069
1,410
1,213
0,732
0,926
1,931
1,134
0,999
1,495
0,787
1,165
0,993
1,417
1,487
1,327
0,776
1,090
1,122
1,071
0,698
1,160
2,054
1,875
1,391
36
33
22
91
6
12
14
32
10
44
24
29
97
13
8
4
25
16
9
7
32
9
9
8
26
47
41
39
127
36
19
46
101
25
Seite 130
FAT
Anhang
Tabelle 9.10: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die aufgeführten Kategorien der Gierbewegung in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
SW Gierbewegung p/s]
]0-2]
]2-4]
Gesamtstörung
]4-6]
]6-8]
]8-10]
10-2]
Hubstörung
]2-4]
]4-6]
16-8]
]0-2]
Wankstörung
]2-4]
H-61
Nickstörung
10-2]
v* [km/h]
/av [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
70/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
50/3
50/5
70/5
Total
m
sd
N
0,972
1.413
0,727
1,069
2,071
1,956
1,021
1,150
0,786
1,035
0,854
1,460
0,904
1,091
1,210
0,964
1,566
1,242
1,432
1,215
1,356
0,707
1,321
1,125
0,416
1,051
1,220
1,054
1,094
18
16
11
45
14
9
13
36
10
11
7
28
5
7
12
4
1,231
1,739
3,380
3,321
2,429
3,119
3,900
2,857
3,292
4,333
4,063
4,153
1,045
2,211
1,714
1,770
2,375
2,525
3,000
2,571
2,667
3,250
2,583
2,781
3,000
1,971
3,021
2,891
2,571
2,750
4,286
3,333
3,792
3,000
0,905
1,217
1,375
1,112
1,106
1,558
1,228
1,080
0,957
0,970
0,983
1,166
1,612
1,942
1,645
0,354
1,524
1,041
1,373
0,767
1,092
0,972
0,944
8
12
11
19
7
37
28
20
15
63
6
4
6
16
1
35
24
32
91
2
7
3
12
1
42
33
20
95
Seite 131
FAT
Anhang
]2-4]
14-61
]6-8]
10-2]
12-4]
Gierstörung
14-6]
16-8]
]8-10]
]10-12]
50/3
50/5
70/5
Total
70/5
70/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/5
2,000
2,056
2,250
2,179
2,000
4,000
0,788
2,333
2,500
1,098
1.167
2,182
1,318
1.680
2,714
2,524
2,619
3,500
3.433
3.462
5,143
5,545
5.389
4,000
0,846
1,047
0,955
0,718
1,472
0,707
1,050
0,289
1,365
1,055
1,207
0,994
1,812
1,407
1,565
1.280
1,378
1,376
1,767
1,596
1
9
18
28
1
1
33
6
2
41
3
11
11
25
7
7
14
11
15
26
7
11
18
1
Seite 132
FAT
Anhang
Tabelle 9.11: Mittelwerte und Standardabweichungen der Spannweite des Schwimmwinkels für die
dargestellten Störungsarten aufgetrennt nach Störungstiefe in den unterschiedlichen realisierten
Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
Störungstiefe [mm]
0
10
Gesamtstörung
20
30
40
20
30
Hubstörung
40
50
60
Wankstörung
20
Vx [km/h]
/av [m/s*l
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
in
sd
N
0,316
0,565
0,672
0,588
0,497
0,571
0,792
0,630
0,524
0,785
0,888
0,731
0,708
1,034
0,981
0,898
0,907
1,458
1,265
1,210
0,560
0,698
0,677
0,643
0,688
0,903
0,975
0,863
0,647
0,928
1,064
0,878
0,823
1,135
1,915
1,022
0,891
1,010
0,950
0,480
0,739
0,738
0,644
0,018
0,163
0,306
0,249
0,134
0,163
0,223
0,218
0,088
0,134
0,233
0,224
0,158
0,130
0,186
0,213
0,192
0,360
0,157
0,336
0,146
0,199
0,184
0,181
0,178
0,215
0,217
0,231
0,074
0.115
0,228
0,234
0,253
0,227
2
9
9
0,354
0,111
0,174
0,155
0,160
0,481
0,411
0,376
20
11
11
13
35
10
9
10
29
10
9
8
27
9
9
9
27
10
9
10
29
8
10
9
27
9
8
9
26
9
8
1
18
9
9
18
11
9
10
30
Seite 133
FAT
Anhang
40
60
80
10
20
Nickstörung
30
40
50
20
30
Gierstörung
40
50
60
50/3
50/5
70/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
0,591
0,886
0,902
0,789
0,796
1,128
1,068
0,997
1,048
1,624
1.242
1,294
0,460
0,563
0,509
0,473
0,636
0,749
0,618
0,459
0,718
0,798
0,667
0,504
0,753
0,066
0,332
0,525
0.377
0,141
0,191
0,279
0,251
0,131
0,270
0,160
0,308
0,150
0,158
0,160
0,153
0,168
0,379
0,281
0,070
0,204
0,368
0,279
0,085
0,172
Total
0,840
0,571
10
70/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
0,702
0,718
0,537
0,877
0,914
0,740
0,585
1,211
1,166
0,928
0,707
1,616
1,398
1,246
1,940
1,934
1,937
2,041
2,000
0,380
0,217
0,137
0,077
0,113
0,215
0,212
0,254
0.213
0,375
0,140
0,385
0,180
0,460
0,430
0,349
0,380
0,535
0,250
27
9
14
8
10
32
13
9
8
30
9
9
10
28
9
9
18
9
9
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
9
8
9
26
9
9
9
27
9
8
8
25
18
16
34
12
9
12
33
9
11
10
30
9
8
Seite 134
FAT
Anhang
Tabelle 9.12: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die aufgeführten Kategorien der Spannweite des Schwimmwinkels in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
SW Schwimmwinkel [°]
]0-0.4]
]0.4-0.8]
Gesamtstörung
]0.8-1.2]
]1.2-1.6]
]0-0.4]
]0.4-0.8]
Hubstörung
]0.8-1.2]
]1.2-1.6]
Wankstörung
]0-0.4]
]0.4-0.8]
]0.8-1.2]
]1.2-1.6]
v, [km/h]
/av [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
m
sd
N
0,500
0,500
0,000
0,389
1.628
1,717
1,500
1,625
2,997
2,810
1,711
2,387
5,500
3,958
3,227
3,552
1,500
1,000
1,250
1,750
2,204
2,250
1,935
2,769
2,345
2,536
2,494
4,000
3,167
3,875
3,500
0,600
1,000
0,667
1,676
2,444
2,100
1,992
2,756
3,250
3,583
3,162
4,071
4,167
0,707
0,707
0,000
0,601
0,960
1,315
0,919
1,070
1,354
1,446
1,475
1,525
5
2
2
9
26
22
1,493
2,161
1,983
0,354
0,817
1,384
1,296
1,046
1,394
1,008
1,184
1,143
17
65
10
16
19
45
1
4
11
16
1
1
2
30
9
10
49
13
28
14
55
1
1,169
2,175
1,500
0,548
6
4
11
5
1
0,516
0,923
0,768
1,824
1,303
1,054
1,790
1,145
1,356
1,813
2,658
6
18
9
15
42
15
12
12
39
7
6
Seite 135
FAT
Anhang
JO-0.4]
Nickstörung
]0.4-0.8]
]0.8-1.2]
11.2-1.61
] 0-0.4]
10.4-0.8]
Gierstörung
JO.8-1.2]
Jl.2-1.6]
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
70/5
50/3
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
4,115
0,688
0,667
2,333
0,909
1,000
1,224
1,630
1,269
0,000
2,056
1,500
1,750
2,000
0,500
0,778
0,750
1,250
0,806
1,300
2,042
1,476
1,667
2,889
3,300
3,146
2,142
0,680
1,155
1,528
1,008
0,796
1,025
1,088
0,996
1,074
1,472
1,236
0,612
1,000
0,670
1,061
0,354
0,667
0,447
0,988
0,972
0,943
1,387
1,347
1,347
13
16
3
3
22
31
32
27
90
1
9
4
14
5
4
27
2
2
31
5
12
14
31
9
15
24
Seite 136
FAT
Anhang
Tabelle 9.13: Mittelwerte und Standardabweichungen der prognostizierten Querabweichung für
die dargestellten Störungsarten aufgetrennt nach Störungstiefe in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
Störungstiefe [mm]
0
10
Gesamtstörung
20
30
40
20
30
Hubstörung
40
50
60
Wankstörung
20
40
vx [km/h)
/av [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
m
sd
N
0,181
0,287
0,393
0,324
0,194
0,274
0,380
0,288
0,209
0,321
0,524
0,353
0,269
0,380
0,513
0,378
0,331
0,516
0,720
0,522
0,223
0,285
0,387
0,299
0,272
0,405
0,435
0,376
0,280
0,305
0,454
0,348
0,327
0,414
0,580
0,380
0,379
0,270
0,325
0,240
0,368
0,413
0,336
0,245
0,004
0,157
0,244
0,201
0,056
0,068
0,132
0,121
0,031
0,076
0,313
0,227
0,056
0,057
0,116
0,126
0,040
0,151
0,123
0,196
0,070
0,125
0,196
0,153
0,107
0,104
0,091
0,119
0,058
0,065
0,067
0,100
0,090
0,071
2
9
9
20
11
11
13
35
10
9
10
29
10
9
8
0,101
0,046
0,076
0.082
0,083
0,212
0,221
0,189
0,018
27
9
9
9
27
10
9
10
29
8
10
9
27
9
8
9
26
9
8
1
18
9
9
18
11
9
10
30
9
Seite 137
FAT
Anhang
60
80
10
20
Nickstörung
30
40
50
20
30
Gierstörung
40
50
60
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
0,313
0,480
0,347
0,322
0,470
0,588
0.460
0,475
0,725
0,704
0,628
0,750
0,800
0,774
1,471
2,318
1,457
0,944
1,139
1,800
1,296
1,500
2,250
1,875
0,063
0,199
0,156
0,026
0,120
0,078
0,137
0,080
0,128
0,125
0,159
0,612
0,837
0,805
0,739
1,055
0,926
0,882
1,195
0,789
1,024
1,844
0,935
1,448
8
9
26
9
9
9
27
9
8
8
25
6
5
31
17
11
Total
0,750
0,500
4
70/5
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
0,310
0,256
0,324
0,500
0,349
0,288
0,491
0,503
0,406
0,289
0,404
0,638
0,451
0,558
1,173
0,865
0,568
1,412
0,990
0,072
0,074
0,112
0,148
0,151
0,127
0,190
0,084
0,172
0,042
0,062
0,150
0,178
0,115
0,214
0,358
0,128
0,206
0,465
9
14
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
47
9
12
10
31
6
6
12
8
10
32
13
9
8
30
9
9
10
28
9
9
18
9
9
18
Seite 138
FAT
Anhang
Tabelle 9.14: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die aufgeführten Kategorien der prognostizierten Querabweichung in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungsart
Progn. Querabweichung [m]
]0.1-0.2]
JO.2-0.3]
Gesamtstörung
]0.3-0.4J
]0.4-0.5]
JO.1-0.2]
JO.2-0.3]
Hubstörung
] 0.3-0.4]
]0.4-0.5]
Wankstörung
JO.1-0.2]
]0.2-0.3]
10.3-0.4]
10.4-0.5]
v s [km/h]
/av [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
m
sd
N
0,875
1,700
0,333
1,000
1,946
1,700
1,400
1,786
2,985
2,387
1,042
2,135
3,433
2,300
2,867
1,214
1,500
2,000
1,375
1,611
2,611
1,167
1,991
2,571
2,045
3,000
2,500
3,300
2,850
3,333
3,125
0,600
2,000
2,000
1,000
1,474
2.188
1.200
1,641
2,303
3,083
1,875
2,444
2,500
0,956
1,924
0,577
1,246
1,117
1,398
1,140
1,207
1,417
1,232
0,838
1.398
1,616
1,874
1,800
0,699
1,291
12
5
3
20
19
13
5
37
11
15
12
38
10
10
20
7
4
1
12
18
15
3
36
14
11
8
33
5
10
9
24
5
1
1
7
13
8
5
26
11
6
4
21
7
0,882
0,631
1,015
1,041
0,982
0,997
1,128
1,909
1,317
1,565
1,156
1,000
1,163
0,548
0,816
0,830
1,067
0,837
0,954
0.980
1,744
1,750
1,378
0,408
Seite 139
FAT
Anhang
JO.1-0.2]
]0.2-0.3]
Nickstörung
10.3-0.4]
JO.4-0.5]
]0.1-0.2]
]0.2-0.3]
Gierstörung
]0.3-0.4]
JO.4-0.5]
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/5
70/5
Total
50/3
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
3,583
3,833
3,156
0,775
0,750
0,800
0,774
0,947
1,471
2,318
1,457
0,944
1,139
1,800
1,296
1,500
2,250
1,875
0,750
0,625
2,000
1,500
0,883
1,417
1,909
0,833
1,640
2,000
3,650
1,688
2,737
1,772
1.607
1,351
0,881
0,612
0,837
0,805
0,598
0,739
1,055
0,926
0,882
1,195
0,789
1,024
1,844
0,935
1,448
0,500
0.680
0,707
0,848
0,492
1,068
1,179
0,955
1,599
0,843
1,593
6
3
16
20
6
5
31
19
17
11
47
9
12
10
31
6
6
12
4
24
5
1
30
6
11
2
19
1
10
8
19
Seite 140
FAT
Anhang
Nick-, und Gierreaktion des Fahrzeugs für die Gierstörung aufgetrennt für die umgesetzten Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungstiefe [mm]
0
10
20
30
40
vx [km/h]
/ay [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
RMS (0-2s) Prognostizierte Querabweichung [m]
m
sd
0,006
0,093
0,047
0,106
0,117
0,066
0,053
0,110
0,091
0,051
0,070
0,126
0,043
0,145
0,122
0,058
0,030
0,083
0,047
0,149
0,225
0,217
0,143
0,150
0,101
0,026
0,151
0,028
0,043
0,171
0,044
0,139
0,113
0,020
0,070
0,177
0,036
0,204
0,165
0,060
N
2
9
9
20
11
11
13
35
10
9
10
29
10
9
8
27
9
9
9
27
Seite 141
FAT
Anhang
9.1.4 Störungswahrnehmung bei Wankstabilisierung
Tabelle 9.16: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils mit vs. ohne Wankstabilisierung
für die dargestellten Störungsarten aufgetrennt für die umgesetzten Störungstiefen in den unterschiedlichen realisierten Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Störungstiefe [mm]
0
10
20
30
40
vx [km/h]
/a y [m/s2]
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
50/3
50/5
70/5
Total
ohne Wankstabilisierung
m
sd
N
0,000
2
0,000
0,900
0,982
9
0,500
0,612
9
0,630
0,805
20
11
0,909
0,917
1,182
11
1,230
0,885
0,820
13
0,986
0,974
35
1,750
0,950
10
2,752
9
0,979
1,850
1,081
10
29
2,095
1,069
2,100
10
0,940
3,430
0,978
9
2,938
8
1,568
2,791
27
1,263
3,533
1,176
9
4,093
1,068
9
3,944
1,286
9
3,857
27
1,159
mit Wankstabilisierung
sd
N
m
0,727
0,917
0,714
0,784
1,222
1,167
1,139
1,172
1,750
2,167
2,278
2,077
2,375
3,333
3,000
2,920
0,467
0,793
0,825
0,712
0,441
0,935
1,117
0,877
0,756
0,791
1,460
1,046
1,061
1,346
1,512
1,328
11
12
14
37
9
9
12
30
8
9
9
26
8
9
8
25
Seite 142
FAT
Anhang
Tabelle 9.17: Mittelwerte und Standardabweichungen des Urteils bei aktivierter Wankstabilisierung aufgetrennt für die aufgeführten Kategorien der Fahrzeugbewegung.
mit Wankstabilisierung
Spannweite
Hubbewegung |mm|
Spannweite
Nickbewegung |°|
Spannweite
Wankbewegung |°|
Spannweite
Gierbewegung |°/s|
Spannweite
Schwimmwinkel |°|
Prognostizierte
Querabweichung |m|
|5-15|
115-25]
|25-35|
|35-45|
|0-0.25|
10.25-0.5]
|0.5-0.75|
10.75-1]
11-1.251
11.25-1.51
|0-0.5|
10.5-11
|0-2|
|2-4|
|4-6|
|6-8|
|8-10|
|0-0.4|
|0.4-0.8|
10.8-1.2]
11.2-1.61
|0.1-0.2|
|0.2-0.3|
|0.3-0.4|
|0.4-0.5|
m
m
sd
N
m
sd
N
sd
0,727 0,467 11 0,917 0,793 12 0,833 0,835
1
1,222 0,441 9
1,148
1,15 0,883 10
1,667 0,75 9 2,313 0,704 8 2,278 1,46
2,571 0,976 7 3,333 1,346 9
1.512
3
1
0,741 0,925
0
2
0,8
0,632 10 0,917 0,793 12 1,167 1,332
1,167 0,354 9 1,071 1,018 7
1,287
1,9
1,786 0,809 7 1.929 0,732 7 2,688 1,646
2,375 1,061 8 2,25 0,957 4
3,5
2,917 1,281 6
1,444 0,916 36 1,816 1,363 38 1,614 1,468
12
9
8
9
15
10
8
1
41
1
0
1
0,548 21 0,444 0,527 9
1,818 0,874 11 1,333 0,866 9
2,75 1,041 4
2
0,671 11
3,667 1,402 6
2,75 0,957 4
0,500 0.707 5 0,500 0,707 2
1,628 0,960 26 1,717 1,315 22
2,997 1,354 10 2,810 ,446 16
5,500
1 3,958 ,493 4
0,875 0.956 12 1,700 ,924 5
1,946 1,117 19 1,700 ,398 13
2,985 1,417 11 2,387 ,232 15
3.433 ,616 10
N
14
0,958 0,881 8
0,906 0,97 16
2,393 1,734 14
2,25 1,323 4
1
3,5
0,000
1,500
1,711
3,227
0,333
1,400
1,042
2,300
0,000
0,919
1,475
2,161
0,577
1,140
0,838
1,874
2
17
19
11
3
5
12
10
Seite 143
FAT
Anhang
9.2 Ergänzende Betrachtung weiterer Kenngrößen
9.2.1 Ableitungen der Stellgrößen
In diesem Abschnitt werden die Parameter Hub-, Wank- und Nickgeschwindigkeit sowie
die Gierbeschleunigung dargestellt. Für die Ableitungen der Stellgrößen gilt, dass aufgrund
der Vorgabe, trotz veränderter Unebenheitsamplitude der Doppelwelle die Ereignisdauer
konstant zu halten, die Anstiegsgradienten zur Störungsamplitude proportional sind. Dass
dies sich auch tatsächlich für die empirischen Messwerte der Hub-, Wank-, Nick- und
Gierreaktionen widerspiegelt, zeigen die in Abbildung 9.1 bis Abbildung 9.4 über der Störungstiefe aufgetragenen Mittelwerte der Fahrzeugreaktionen. Um Aussagen über den Einfluss des Anstiegsgradienten der Störungsanregung auf das Subjektivurteil treffen zu können, müsste dieser gezielt variiert werden. Unter den gegebenen Vorraussetzungen ist eine
weiterführende Betrachtung des Anstiegsgradienten nicht sinnvoll.
50 r
f
M.
40
—•— Vx: 50km/h Ay: 3m/s:
—••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s3
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s=
30
X to
3
i
20
10
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Spannweite der Hubgeschwindigkeit über Störungstiefe
^ 400
V 350
x
ra
5 300
- • — Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
[ST 2 5 0
M. 2 0 °
1 1501 100
"I 50
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 9.1: Mittlere Fahrzeugreaktionen in Hubbewegimg (oben) und Hubgeschwindigkeit
(unten) getrennt für die unterschiedlichen Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleunigung.
Seite 144
FAT
Anhang
2
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
—••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
E
o
1.5
1
ll
0.5
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Spannweite der Wankgeschwindigkeit über Störungstiefe
•S 12
- V x : 50km/h Ay: 3m/s2
••Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
••••
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
—•»
SS10
I
'S
1 2
¥J
0
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 9.2: Mittlere Fahrzeugreaktionen in Wankbewegung (oben) und Wankgeschwindigkeit
|
1-5
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
—••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
(0 *£"
0.5
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Seite 145
FAT
Anhang
Spannweite der Nickgeschwindigkeit über Störungstiefe
15
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
rl 10
. - - *
=0 5
f
Z
0
10
20
30
40
Störungstiefe [mm]
Abbildung 9.3: Mittlere Fahrzeugreaktionen in Nickbewegung (oben) und Nickgeschwindigkeit
10
—
8
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s s
—•-• Vx: 50km/h Ay: 5m/s3
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s3
i
C
>
>
IS
6
ij
i
*
3 2
4
••••
'
i—
c
S.
W
10
——
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Spannweite der Gierbeschleunigung über Störungstiefe
•? 100
i
ä 80
w
- • - V x : 50km/h Ay: 3m/s2
• • • " Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
6040
e
I
20
I
(3
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 9.4: Mittlere Fahrzeugreaktionen in Giergeschwindigkeit (oben) und Gierbeschleunigung (unten) getrennt für die unterschiedlichen Kombinationen von Geschwindigkeit und Querbeschleimigung.
Seite 146
FAT
Anhang
9.2.2 Relative Betrachtung der Fahrzeugreaktionen
Soll bei der Betrachtung der durch die Störungsanregung (Doppelwelle) hervorgerufenen
Wank- und Gierreaktion des Fahrzeugs berücksichtigt werden, dass bereits durch die quasistationäre Kurvenfahrt eine Fahrzeugreaktion hervorgerufen wird, so ist es möglich, die
Spannweite der Fahrzeugreaktion in Relation zum Ausgangsniveau zu setzen. Abbildung
9.6 zeigt hierzu, wie sich im Mittel die Spannweite der Wankreaktion des Fahrzeugs über
der Störungstiefe prozentual zum Kurvenausgangsniveau verändert. Bei einem Vergleich
mit der Darstellung der absoluten Mittelwerte über der Störungstiefe (Abbildung 9.5) wird
deutlich, dass sich durch die relative Betrachtung der Wankreaktion in Bezug auf den Einfluss der Querbeschleunigung ein anderes Bild ergibt. Im Gegensatz zu den Absolutwerten
der Wankspannbreite erzeugt die Störungsanregung bei relativer Betrachtung für den Fall
50km/h und 3m/s2 tendenziell eine stärkere Fahrzeugreaktion als bei 50km/h und 5m/s2.
Vereinfacht lässt sich sagen, dass durch die relative Betrachtung Wankreaktionen insbesondere dann stärker gewichtet werden, wenn bei gleicher Ausgangsgeschwindigkeit die
Kurve mit einer niedrigeren Querbeschleunigung durchfahren wird. Dass diese relative
Betrachtung nicht dazu führt, dass die Fahrzeugreaktionen unabhängig von der Kombination aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Querbeschleunigung das gleiche Niveau erlangen,
wird auch deutlich, wenn die relativen Spannweiten der Gierreaktionen über der Störungstiefe getrennt für die Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungskombinationen betrachtet werden. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass eine relative Betrachtung der
Wank- und Gierreaktionen gegenüber den Absolutwerten nicht von Vorteil ist, da im Versuchsplan nicht die relativen sondern die absoluten Werte für die Störungsanregungen variiert wurden.
i
1.5
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
— • - • Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s*
0.5
(0
o.
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 9.5: Spannweiten der Wankreaktionen über der Störimgstiefe getrennt für die Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungskombinationen.
Seite 147
FAT
Anhang
Spannweite rel. Wankwinkel über Störungstiefe
inkwin kel [%
Am)
60
50
—•— Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
—••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s:
40
— ><30
Spanne
20
10
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 9.6: Relative Spannweiten der Wankreaktionen über der Störungstiefe getrennt für die
Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungskombinationen.
Spannweite rel. Gierrate über Störungstiefe
60
—•—Vx: 50km/h Ay: 3m/s2
•••••• Vx: 50km/h Ay: 5m/s2
- A - V x : 70km/h Ay: 5m/s2
J
•35 i 30
B
510
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 9.7: Spannweiten der Gierreaktionen über der Störungstiefe getrennt für die Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungskombinationen.
10
El
| |
- • — Vx: 50km/h Ay: 3m/s:
••••- Vx: 50km/h Ay: 5m/s- A - Vx: 70km/h Ay: 5m/s;
6
li
&5
4
a.
W
10
20
Störungstiefe [mm]
30
40
Abbildung 9.8: Relative Spannweiten der Gierreaktionen über der Störungstiefe getrennt für die
Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungskombinationen.
Seite 148
FAT
10
Projektbegleitender Ausschuss 'Fahrdynamik von Pkw'
Dr.-Ing. Erich Sagan
B M W AG
80788 München
Dipl.-Ing. Frank Esser
Ford Werke GmbH
50725 Köln
Dipl.-Ing. Martin Winkler
Dring.h.c.F. Porsche AG
71283 Weissach
Heribert Roth
A. Opel GmbH
65423 Rüsselsheim
Günther Mäckle
Daimler-Chrysler AG
71059 Sindelfingen
Dipl.-Ing. Eckhard Babbel
Volkswagen AG
38436 Wolfsburg
Dr.-Ing. Detlef Kudritzki
AUDI AG
85045 Ingolstadt
Dr.-Ing. Peter Reitz
ZF Friedrichshafen AG
73529 Schwäbisch Gmünd
Dipl.-Ing. Roland Stoller
Robert Bosch GmbH
74232 Abstatt
Dipl.-Ing. Jürgen Ehlich
Continental AG
30419 Hannover
DaimlerChrysler AG
Dr.-Ing. Dieter Ammon
70546 Stuttgart
Dipl.-Ing. Steffen Hladik
DEKRA Automobil GmbH
01998 Klettwitz
Seite 149
FAT
Bisher in der FAT-Schriftenreihe erschienen (ab 1997)
130
131
132
133
134
135
136
137
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Zur Verletzungsmechanik und Belastbarkeit der unteren Extremität, insbesondere des Fußes, 1996
26,Analyse Kfz-relevanter Immissionen in innerstädtischen Verkehrs- und Grünflächen, 199726,Batteriemanagementsysteme für Elektrostraßenfahrzeuge, 1997
31,Ozon und Großwetterlagen - Analyse der Abhängigkeit der bodennahen Ozonbelastung von meteoro31 ,logischen Parametern im Großraum München, 1997
Meßverfahren für Kräfte und Momente an strich- und punktgeschweißten Überiappverbindungen, 1997
49,Mathematische Nachbildung des Menschen - RAMSIS 3D-Soft-Dummy, 1997
13,Anwendung brennbarer Kältemittel in Autoklimaanlagen, 1997
31 ,Entwicklung von Finite Element Seitencrash-Dummys: Ein Beitrag zur effizienten Insassensimulation, 1997 16,Ermittlung ertragbarer Beanspruchungen an Aluminium-Punktschweißverbindungen auf Basis der
(vergriffen)
Schnittkräfte, 1997
Subjektive und objektive Beurteilung des Fahrverhaltens von Pkw, 1997
(vergriffen)
Finite-Element-Berechnung mit 3D-CAD-Systemen - eine vergleichende Untersuchung, 1997
13,Experimentelle Ermittlung des Wirkungsgrades von elektrischen Antrieben, 1998
(vergriffen)
Untersuchungen zur Übertragbarkeit von Kennwerten einer punktgeschweißten Einelementprobe auf
41 ,Mehrelementprüfkörper und Bauteile, 1998
Analyse des Fahrverhaltens von Rollenprüfstandsfahrern, 1998
18,Retarderbremsverhalten bei Gefällefahrten mit unterschiedlichem Gefälle, 1998
44,Test und Beurteilung existierender Bordladegeräte für Elektrostraßenfahrzeuge, 1999
21 ,Konzept für die numerische Auslegung durchsetzgefügter Blechbauteile, 1999
(vergriffen)
Biomechanische Bewertung der Euro-NCAP-Einstufungskriterien - Untersuchungen an Freiwilligen und
29,Dummies, 1999
Stanznieten von Aluminium mit Stahl mittels Halbhohlniet, 1999
44,Wirtscr.aftlichkeitsbetrachtungen zum Recycling von Kunststoffkraftstoffbehältem, 1999
23,Charakterisierung von USSID und Euro-SID-1 zur Ermittlung von Daten für FEM Crash Simulationen, 2000 18,Blickfixationen und Blickbewegungen des Fahrzeugführers sowie Hauptsichtbereiche an der Wind64,schutzscheibe, 2000
Informations- und Assistenzsysteme im Auto benutzergerecht gestalten (Referate des Symposiums
13,vom 1.7.99), 2000
Experimentelle und rechnerische Bestimmung des Versagensverhaltens von punktgeschweißten
98,Blechverbindungen, 2000
Verkehrsplanerische Eckwerte einer nachhaltigen regionalen Verkehrs Strategie, 2000
39,Heizleistung in Pkw mit verbrauchsoptimierten Motoren, 2000
(vergriffen)
Lärm und kardiovaskuläres Risiko, 2000
18,Pkw-Reifen/Fahrbahngeräusche bei unterschiedlichen Fahrbedingungen, 2000
44,Einflußgrößen auf Reifen/Fahrbahn-Geräusche von Lkw bei unterschiedlichen Fahrbedingungen, 200049,Kölner Verfahren zur vergleichenden Erfassung der kognitiven Beanspruchung im Straßenverkehr, 2000
64,Eichung und Anwendungserprobung von K-VEBIS, 2000
59,Ergänzende Auswertungen zur subjektiven und objektiven Beurteilung des Fahrverhaltens von Pkw, 2000
46,Analyse des Unfallgeschehens'Kleiner Nutzfahrzeuge', 2001
46,Die Bedeutung biogener Kohlenwasserstoffe für die Ozonbildung, 2001
39,Schwingfestigkeitsberechnung an Dreiblech-Punktschweißungen, 2001
28,Energiesparmaßnahmen am Elektroauto, 2001
49,Betriebsfestigkeit von umgeformten Karosseriestählen, 2001
64,Einfluss wasserabweisender Beschichtungen auf Windschutzscheiben im Hinblick auf Sicht und
45,Fahrzeugsicherheit, 2001
Auslegung von Blechen mit Sicken (Sickenatlas), 2001
50,Bewertung und Vereinheitlichung von gefügten Dünnblechproben für Schwingversuche im Zeit40,festigkeitsbereich, 2001
Bestimmung des max. Kraftschlusses an mit ABV ausgerüsteten Fahrzeugen und Fahrzeugzügen, 2001 35,Beurteilung des Einsatzes von teilstrukturierten Stahlfeinblechen im Kfz-Karosseriebau zur Gewichts45,reduzierung, 2002
Erweiterte Knotenfunktionalität im parametrischen Entwurfswerkzeug SFE CONCEPT, 2002
(vergriffen)
Anwendungspotenziale und Prozessgrenzen für die umformtechnische Herstellung von steifigkeits45,optimierten Bauteilen aus Doppellagenblechen (Bonded Blanks), 2002
Verhaltensmodellierung von Steuergeräten für die EMV-Simulation im automotive Bereich, 2002
45,Dehnungsgeregelte Versuche mit Proben aus den Magnesiumdruckgusslegierungen AZ91 HP
15,und AM50 HP, 2003
Betriebsfestigkeit von Bauteilen aus Magnesium unter Berücksichtigung von erhöhter Temperatur und
45,Korrosion, 2003
Fahrzeugklimatisierung und Verkehrssicherheit, 2003
45,Optimierte Verzahnungsgeometrien leistungsübertragender Zahnräder für die umformtechnische Her45,stellung, 2003
Ingenieurmäßige Berechnungsverfahren zur Lebensdauerabschätzung von geschweißten Dünn(vergriffen)
blechverbindungen -Teil I: Punktschweißverbindungen -Teil II: Laserstrahlschweißen, 2003
Aufbau eines Konzeptes zur Auslegung gefügter Stahlbauteile, 2003
30,Effizienzsteigerung durch professionelles/partnerschaftliches Verhalten im Straßenverkehr, 2004
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Einflußgrößen auf den Elastizitätsmodul von Stählen für den Fahrzeugbau, 2004
25,VDA-Forschungstag 13. Juli 2004 - Innovationsmotor Automobilindustrie - Redebeiträge
kostenfrei
Kompetenzerwerb für Fahrer-Informationssysteme - Einfluß des Lernprozesses auf die Interaktion
45,mit Fahrerassistenzsystemen, 2004
Systemvergleich Kostenstruktur der Bodenverkehrsmittel, 2004
45,Experimentelle Bestimmung und rechnerische Vorhersage des Tragverhaltens punktgeschweißter
29,Bauteile aus Stahlblechverbindungen unter Crashbelastung mit Hilfe von Ingenieurkonzepten, 2004
Zeil- und molekurlarbiologische Untersuchungen zur DNS-schädigenden Wirkung des Rußkerns in
34,einem Multi-Dose-Modell zur Erfassung von Dosis-Schwellenwert, 2005
Verwertung von Kunststoffbauteilen aus Altautos - Analyse der Umwelteffekte nach dem LCA-Prinzip
45,und ökonomische Analyse , 2005
Darstellung des Schwingungsverhaltens von Fahrzeug-Insassen - Symbiose aus Experiment und
45,Simulation , 2005
Elektromagnetische Feldverteilung und Einkopplungen bei Mobilfunkbetrieb im Kraftfahrzeug, 2005
45,Leichtbau mit Hilfe von zyklischen Werkstoffkennwerten für Strukturen aus umgeformtem höherfesten
Feinblech, 2005
30,Grundsatzuntersuchung zum quantitativen Einfluß von Reifenbauform und -ausführung auf die
Fahrstabilität von Kraftfahrzeugen bei extremen Fahrmanövern, 2005
45,Bewertung von Achskombinationen und Reifentypen auf den Beanspruchungszustand von FahrbahnBefestigungen, 2005
39,Ermittlung der aktuellen Konzentration und Verteilung von Platingruppenelementen (PGE), 2005
30,Neue Wege des Effektmonitorings für partikelgebundene Schadstoffe in Dieselabgasen , 2005
39,Hemoglobin adducts of dinitropyrenes as a marker for Diesel emission exposure in humans
Bewertung lokaler Berechnungskonzepte zur Ermüdungsfestigkeit von Punktschweißverbindungen, 2005
30,Berechnungsmethoden für die Lebensdauerabschätzung von MSG- bzw. lasergeschweißten Kehlnähten
30,dünnwandiger Stahlblechstrukturen, 2005
Verbesserung der Prognosefähigkeit der Crashsimulation aus höherfesten Mehrphasenstählen durch
30,Berücksichtigung von Ergebnissen vorangestellter Umformsimulation
Anwendungspotenziale und Prozeßgrenzen der Klebtechnik für die Umformung von Doppellagenblechen
76,Thermisches Fügen für die stahlintensive Hybridbauweise im Fahrzeugleichtbau
76,Lufthygienische Beurteilung von Pkw-Innenraumfiltern
96,Vergleich verschiedener Konzepte der Bodensimulation und von drehenden Rädern zur Nachbildung
der Straßenfahrt im Windkanal und deren Auswirkung auf Fahrzeuge
40,Methodischer Ansatz im Stahlleichtbau am Beispiel Federbein/Dämpfer
50,Innovative Nfz-Konzepte - Gesamtwirtschaftliche Effekte durch Einführung schwerer und langer Lkw
45,Technische Kompatibilität von innovativen Nutzfahrzeugkonzepten auf den kombinierten Verkehr
Straße/Schiene sowie den Containerverkehr
50,Größenaufgelöste physikalische und chemische Bestimmung von elementarem und organischem
55,Kohlenstoff in Nanopartikeln
Erstellung einer VHDL-AMS-Modellbibliothek für die Simulation von Kfz-Systemen
50,Fahrer-Fahrzeug-Wechselwirkungen bei Fahrmanövern mit Querdynamikbeanspruchungen und
50,zusätzlichen Vertikaldynamikstörungen
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FAT
Verband der
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Forschungsvereinigung
Automobiltechnik
Westendstraße 61
D-60325 Frankfurt am Main
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