Fahrverhalten von PKW beim Bremsen in der Kurve

 

 

Bremsen bei Kurvenfahrt als Testverfahren

Aus der Unfallstatistik geht hervor, daß der Fahrvorgang Lenken und Bremsen bei 5 bis 12 % aller Unfälle eine Rolle spielt. Dabei steigt die Unfallrate in Kurven überproportional mit kleiner werdendem Kurvenradius. Im Bereich der Kurvenradien von 50 bis 125 m ist diese Rate bis zu 10mal größer als auf der Geraden.

Wegen der Komplexität der fahrdynamischen Bewegungsabläufe beim Bremsen und Lenken wurde die systematische Untersuchung eines entsprechenden Testverfahrens erst zu Beginn der 60er Jahre, also relativ spät aufgenommen.

Bei den objektiven Testverfahren ist zu unterscheiden, ob der Lenkeinschlag vor und während der Bremsung konstant bleibt wie z. B. bei dem am häufigsten angewendeten Test "Bremsen bei Kreisfahrt" oder ob vor, während oder nach der Bremsung ein bestimmter Lenkeinschlag vorgenommen wird. Wichtig ist außerdem die Art der Bremsbetätigung, die allgemein als Bremsdruck-Sprung vorgenommen wird.

Die Bewertung der Fahreigenschaften beim Bremsen in der Kurve muß sich insbesondere beziehen auf

- die seitliche Abweichung von dem durch den Lenkeinschlag beabsichtigten Kurs und damit auch auf die Grenze der Lenkfähigkeit und

- die Größe des auftretenden Gier- bzw. Schwimmwinkels und damit auf die Gierstabilität.

Mögliche Kennwerte hierfür sind Maximalwerte, z.B. der Giergeschwindigkeit, der Gierbeschleunigung sowie des Schwimm Winkels, integrale bzw. mittlere Größen nach abgeschlossener Bremsung im Stillstand, wie z. B. Spurabweichung, Kurswinkelfehler oder Bahnkrümmung und Größen zum Zeitpunkt der üblichen Fahrerreaktion wie z. B. Querbeschleunigung, Giergeschwindigkeit und Schwimmwinkel 1 s nach Bremsbeginn. Untersuchungen haben ergeben, daß nahezu alle genannten Kennwerte gut mit dem subjektiven Urteil der Testfahrer korrelieren. Eine besonders hohe Korrelation mit dem Subjektivurteil wurde für die "Untersteuerzunahme" gefunden, die aus dem maximal auftretenden Wert der Giergeschwindigkeit abgeleitet wird. Bei der Bewertung der Fahreigenschaften beim Bremsen in der Kurve ist der Bereich der kleinen und mittleren Verzögerungen und der Bereich maximaler Verzögerungen zu unterscheiden. Die Radlastverlagerungen bewirken, daß die resultierenden Horizontalkräfte in den Reifenaufstandsflächen ein Giermoment erzeugen, welches das Fahrzeug in die Kurve hineinfahren läßt. Dieses Moment erreicht bei mittleren Verzögerungen seine maximale Größe. Bei höheren Verzögerungen bestimmt die Bremskraftverteilung, welche die Blockierreihenfolge der Räder festlegt, die Fahreigenschaften stärker. Blockieren nur die Hinterräder, führt dies zum Verlust der Gierstabilität und in Regel zu hohen Schwimmwinkeln. Ein Blockieren der Vorderräder führt zum Erreichen der Grenze der Lenkfähigkeit, was ein Herausschieben aus der Kurve bewirkt. Insbesondere auf Fahrbahnen mit niedriger Griffigkeit und bei schnellem Bremsdruckaufbau beeinflussen auch die mit den einzelnen Rädern verbundenen rotierenden Massen die Blockierreihenfolge. Nach den bisherigen Erfahrungen treten die Unterschiede in der Fahrzeugauslegung bei sonst gleichen Bedingungen umso stärker hervor, je größer Kurvenradius und Fahrgeschwindigkeit und je kleiner die Fahrbahngriffigkeit sind.

Zur Bewertung der Fahreigenschaften beim Bremsen und Lenken wird im allgemeinen das Testverfahren "Bremsen bei Kreisfahrt" angewendet. Ausgangsbedingung ist dabei, die  stationäre Kreisfahrt mit vorgegebener konstanter Ausgangsquerbeschleunigung. Die verschiedenen Einzelversuche werden mit unterschiedlichem, jedoch für den jeweiligen Versuch konstantem Bremsdruck durchgeführt, beginnend mit dem Lastwechsel (Bremsdruck Null) bis zu dem Druck, bei dem alle Räder blockieren. Während des gesamten Versuchs wird das Lenkrad in den für die stationäre Kreisfahrt notwendigen Positionen fixiert. Die Ausgangsquerbeschleunigungen liegen meist bei 3,4 oder 5 m/s2 und die Kreisbahnradien bei 40 und 100m. Für das Verfahren wurde ein ISO Normentwurf erarbeitet. Die Temperatur der Bremsen darf vor Bremsbeginn einen Grenzwert von 100°C nicht überschreiten.

Übliche Meßgrößen als Funktion der Zeit sind neben Lenkradwinkel und Bremsdruck zur Kontrolle des konstanten Verlaufs die Größen Querbeschleunigung, Giergeschwindigkeit und Schwimmwinkel sowie Fahrgeschwindigkeit und Verzögerung. Um das Verhalten eines Fahrzeugs im gesamten Verzögerungsbereich darstellen zu können, werden aus den Meßgrößen Kennlinien als Funktion der Verzögerung abgeleitet. Dabei hat sich für Pkw insbesondere die Verwendung der Meßgrößen zum Zeitpunkt der Fahrerreaktion 1 s nach Bremsbeginn bewährt. Kennlinien aus Meßgrößen zu kürzeren, z. B. 0,5 s oder längeren, z. B. 2,0 s Zeitpunkten nach Bremsbeginn ergeben vergleichbare Tendenzen.

 

 

Fahrverhalten von Pkw beim Bremsen in der Kurve

Vergegenwärtigt man sich die während eines Bremsvorganges in der Kurve angreifenden Kräfte, so ergibt sich daraus durch den über der Fahrbahn liegenden Schwerpunkt des Fahrzeuges ein Moment, das die Vorderachse zusätzlich belastet und die Hinterachse entlastet. Neben der Schwerpunkthöhe wird diese Achslastverlagerung noch durch die Nicksteifigkeit des Fahrzeuges beeinflußt. Die Be- und Entlastung wächst mit zunehmender Verzögerung des Fahrzeuges an.

Infolge der Kreisfahrt bewirkt die ebenfalls im Schwer-  . punkt angreifende Zentrifugalkraft zusätzlich eine Radlastverlagerung von den kurveninneren zu den kurvenäußeren Rädern. Die Zentrifugalkraft bewirkt außerdem über die Wankfederung zusammen mit der Reifenfederung ein seitliches Auswandern des Schwerpunktes aus der Fahrzeugmitte. Die Radlastverlagerung steigt mit größer werdender Fahrzeugquerbeschleunigung an.

Während sich die Seitenführungskräfte der einzelnen Räder den jeweiligen Radlasten in etwa anpassen, bleiben die an der einzelnen Achse rechts und links auftretenden Bremskräfte aber gleich groß. Die seitliche Schwerpunktauswanderung des Kraftfahrzeuges bei Kurvenfahrt bewirkt jedoch, daß die kurveninneren Bremskräfte mit einem größeren Hebelarm um die Vertikalachse des Fahrzeugschwerpunktes wirken als die kurvenäußeren Kräfte. In diesem Fall dreht das Fahrzeug in die Kurve hinein, und zwar stärker mit zunehmender Verzögerung. Damit wird der gefahrene Kurvenradius kleiner.

Da aber die übertragbare Bremskraft von der Größe der Radlast abhängt, gilt dies nur so lange, wie die äußeren und inneren Bremskräfte gleich groß sind. Bei hohen Fahrzeugquerbeschleunigungen und großen Bremsdrücken, d. h. großen Verzögerungen, werden jedoch die kurveninneren Räder wegen der Radentlastung zuerst blockieren. Im Extremfall kann ein kurveninneres Rad vom Boden abheben, so daß dort überhaupt keine Kräfte mehr übertragen werden können.

Dadurch wird das Moment der Bremskräfte an den kurvenäußeren Rädern um den Schwerpunkt größer und das in die ! Kurve hineindrehende Moment abgebaut. Der gefahrene Kurvenradius wird daher wieder größer. Bei einer Vollbremsung mit Blockade aller Räder bricht schließlich die Seitenführungskraft an den einzelnen Rädern vollständig zusammen und das Fahrzeug rutscht tangential aus dem Kreis heraus. Dies ist auch schon der Fall, wenn nur die Vorderräder blockieren. Das Fahrzeug ist dann wegen der fehlenden Seitenführung der Vorderräder nicht mehr lenkbar. Blockieren jedoch nur die Hinterräder, so fällt dort die Seitenführung weg und das Fahrzeug dreht um die Hochachse, es schleudert.

Durch die Auslegung einer festen Bremskraftverteilung auf die beiden Achsen bestimmt der Fahrzeughersteller, welche Achse zuerst blockiert und damit wesentlich, wie sich das Fahrzeug auf Fahrbahnen mit unterschiedlichen Griffigkeiten verhält, wenn in der Kurve gebremst wird. Durch Beladungsänderung, Wahl anderer Bereifung und abweichendem Reifenluftdruck beeinflußt der Fahrzeugführer oft ungewollt das Fahr- und Bremsverhalten seines Fahrzeugs. Tritt hierzu noch eine niedrige Fahrbahngriffigkeit, so kann der Fahrzeugführer von einer unerwarteten Fahrzeugreaktion in kritischen Situationen überrascht und überfordert werden.

 

Für das Fahrverhalten eines Fahrzeuges beim Bremsen in der Kurve lassen sich vier wesentliche Einflussfaktoren nennen, denen die verschiedenen Fahrzeug- und Fahrbahnvariationen zugeordnet werden können:

- Momentane Bremskraftverteilung (z. B. durch Änderung der Beladung)

- Untersteuerneigung (z. B. durch Änderung der Reifenluftdrücke)

- Seitliche Bewegung des Schwerpunktes (z. B. durch Änderung der Reifensteifigkeit, der Schwerpunkthöhe)

- Gierträgheitsmoment (z. B. Anordnung der Zuladung)

 

Mit dieser vereinfachten Theorie können näherungsweise auch die Auswirkungen weiterer Einflussfaktoren wie z. B. Fahrbahnquerneigung, Steigung oder Gefälle abgeschätzt werden.

 

Abschätzung der Einflussfaktoren auf die Fahreigenschaften beim Bremsen in der Kurve

 

Bremskraftverteilung

Die Verteilung der Bremskräfte bestimmt das Verhältnis von Bremskraft zu Achslast an Vorder- und Hinterachse und damit die Kraftschlussverhältnisse. Ein grösseres Verhältnis von Bremskraft zu Radlast an der Vorderachse bedingt verringerte Lenkfähigkeit, grösseres Verhältnis von Bremskraft zu Radlast an der Hinterachse, eine höhere Eindrehneigung und verringerte Stabilität. Eine grössere Kraftschlussausnutzung an der Vorderachse bei gleicher Verzögerung ergibt sich z. B. durch höhere Beladung der Hinterachse oder bei der üblichen konstanten Bremskraftverteilung auf Fahrbahnen mit niedriger Griffigkeit.

 

Untersteuerneigung

Ein grosser Untersteuerungsgrad bedingt bei stationärer Kreisfahrt auf konstantem Radius eine grosse Zunahme des notwendigen Lenkwinkels mit wachsender Querbeschleunigung. Andersherum bedeutet dies, dass ein Fahrzeug bei Verlangsamung aus einer bestimmten Querbeschleunigung auf einem um so kleineren Kreisbogen fährt, je stärker der Untersteuergrad ist, die Eindrehneigung wird also grösser. Bei gleicher Querbeschleunigung wird z. B. mit abnehmender Griffigkeit der Fahrbahn der notwendige Lenkwinkel grösser. Unter diesen Bedingungen wird daher auch mit abnehmender Griffigkeit die Eindrehneigung grösser.

 

Seitliche Bewegung des Schwerpunktes

Infolge der wirkenden Querbeschleunigung, bedingt durch Aufbau und Reifenfederung, wandert der Fahrzeugschwerpunkt zur kurvenäusseren Seite. Vor dem Blockieren eines Rades sind die Bremskräfte an beiden Rädern einer Achse gleich gross, so dass die Kräfte an den kurveninneren Rädern infolge des längeren Hebelarms um den den Schwerpunkt die Eindrehneigung verstärken. Mit dem Blockieren der inneren Räder bei höheren Verzögerungen dreht sich dieser Effekt um. Grosse Querfederung und hoher Schwerpunkt verstärken daher die Eindrehneigung.

 

Gierträgheitsmoment

Ein grosses Gierträgheitsmoment wirkt einerseits der Eindrehneigung entgegen. Andererseits kann dies jedoch bei schnellem Abbau der Querbeschleunigung infolge hoher Verzögerung zu grossen Schwimmwinkeln und damit zu geringer Stabilität führen.

 

Radlastverlagerung zur kurvenäusseren Seite

Bei gleicher Querbeschleunigung bedingt eine grössere Radlastverlagerung an einer Achse dort grössere Schräglaufwinkel. Je nachdem, ob dies an der Vorder- oder der Hinterachse geschieht, vergrößert oder verkleinert sich die Untersteuerneigung. Gleichzeitig blockiert jedoch auch das kurveninnere Rad an dieser Achse bei kleineren Verzögerungen. Eine Verringerung der Eindrehneigung ist die Folge.

 

Einfluss der Beladung

Eine zusätzliche Beladung des Kfz bewirkt das für die gleiche Verzögerung höhere Bremsdrücke notwendig sind, die zum frühzeitigen Blockieren dieser Räder führen. Durch die erhöhte Hinterachslast können die Hinterräder des Kfz, auch nachdem die Vorderräder bereits blockiert sind, noch zusätzliche Verzögerungskräfte übertragen. Die Grenze der Lenkfähigkeit wird durch zusätzliche Beladung früher erreicht. Der Schwimmwinkel zeigt bezogen auf das Kfz ohne Beladung eine verstärkte Schrägstellung der Fahrzeuglängsachse zur Fahrtrichtung.

 

Einfluss einer kleineren Reifendimension und eines abgesenkten Vorderradluftdruckes

Die Untersuchung des Einflusses einer kleineren Reifendimension auf das Bremsverhalten in der Kurve zeigt ebenfalls wie die Versuche mit abgesenktem Vorderradluftdruck (kann auch durch die Erhöhung des Druckes an den Hinterrädern erreicht werden) eine Zunahme der Untersteuerneigung. Ein Reifen kleinerer Dimension benötigt zur Übertragung gleich grosser Seitenkräfte in der Regel grössere Schräglaufwinkel. Das Umrüsten von 175/70 SR 13 Serienbereifung (bei einem VW Golf II) auf den 155 SR 13 Reifen bringt zusätzlich noch eine Abnahme der Reifenquersteifigkeit infolge des grösseren Querschnittsverhältnisses mit sich. Der Lenkradeinschlag musste somit zum stationären Befahren der 40 m Radien vergrössert werden und zwar um ca. 15 Grad im Vergleich zur Serienausrüstung.

 

Erhöhung des Vorderradluftdruckes und Absenkung des Hinterradluftdruckes

(+0,5 bar und -0,5 bar)

Diese Reifenluftdruckkombination bewirkt einen Abbau der Untersteuerneigung, das Kfz wird kurvenwilliger. Der zur Kurshaltung bie stationärer Kreisfahrt benötigte Lenkwinkel wird somit kleiner.

 

 

Definition:

Griffigkeit

Unter der Griffigkeit einer Fahrbahndecke versteht man den Einfluß, den ihre Oberfläche durch die stoffliche Beschaffenheit auf die Größe der maximal von einem Meßreifen unter genau definierten Bedingungen auf die Straße übertragbaren Antriebs-, Brems- und Seitenführungskräfte ausübt.

 

Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn

Als Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn versteht man einen aus Adhäsion, Reibung und Verzahnung bestehenden Zustand, bei dem die zwei zusammenwirkenden Oberflächen des Reifens und der Fahrbahn die maximal übertragbaren Kräfte bestimmen.

Der Kraftschluß hängt von einer großen Anzahl von Faktoren wie Fahrgeschwindigkeit, Radlast, Schwimm- und Schräglaufwinkel, Profilart, Profiltiefe, GummiZusammensetzung, Reifenbauart und Reifenluftdruck sowie von der Struktur der Fahrbahndecke und den Eigenschaften der einzelnen Baustoffe und zusätzlich von der Wasserfilmdicke und den klimatischen Bedingungen ab.

Stellung des Kfz bei Kreisfahrt und seine Messgroessen

 

 

 

 

Geschwindigkeit-Gleitbeiwerts-Diagramm

 

 

 

 

Zur Startseite

 

mailto:sicherheitstraining@gmx.ch