91 Fahrzeugkonstruktion
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Motorcycling is a fascinating kind of transportation. While the riders' direct exposure to the environment and the unique driving dynamics are essential to this fascination, they both cause a risk potential which is several times higher than when driving a car. This chapter gives a detailed introduction to the fundamentals of motorcycle dynamics and shows how its peculiarities and limitations place high demands on the layout of dynamics control systems, especially when cornering. The basic principles of dynamic stabilization and directional control are addressed along with four characteristic modes of instability (capsize, wobble, weave, and kickback). Special attention is given to the challenges of braking (brake force distribution, dynamic over-braking, kinematic instability, and brake steer torque induced righting behavior). It is explained how these challenges are addressed by state-of-the-art brake, traction, and suspension control systems in terms of system layout and principles of function. It is illustrated how the integration of additional sensors " essentially roll angle assessment " enhances the cornering performance in all three categories, fostering a trend to higher system integration levels. An outlook on potential future control systems shows exemplarily how the undesired righting behavior when braking in curves can be controlled, e.g., by means of a so-called brake steer torque avoidance mechanism (BSTAM), forming the basis for predictive brake assist (PBA) or even autonomous emergency braking (AEB). Finally, the very limited potential of brake and chassis control to stabilize yaw and roll motion during unbraked cornering accidents is regarded, closing with a promising glance at roll stabilization through a pair of gimbaled gyroscopes.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren entwickelt und validiert, mit dem sich reale Emissionsfaktoren für motorisierte Zweiräder in der Systematik des HBEFA generieren lassen. Das Verfahren basiert auf Fahrzeug-Emissionsmessungen in realen Testzyklen, vermessen am Rollenprüfstand oder auf der Straße, als Eingabe für ein Simulationsmodell. Das Modell erzeugt aus den Messungen Motorkennfelder, in denen die Abgasemissionen und der Kraftstoffverbrauch über normierter Motordrehzahl und normierter Motorleistung abgelegt werden. Für jedes gemessene Kfz ergibt sich ein normiertes Emissions-Motorkennfeld. Aus den einzelnen Kennfeldern können dann Durchschnittskennfelder je Fahrzeugkategorie (z.B. Motorrad über 500ccm, EURO 3) gebildet werden. Die Motordrehzahl muss in den Emissionstests entweder gemessen, oder aus Geschwindigkeit, Gang, Reifenumfang und Übersetzungen berechnet werden. Die Motorleistung kann mittels gemessenem CO2-Massenstrom und der Drehzahl aus "generischen CO2-Kennfeldern" ermittelt werden, da im Allgemeinen keine gemessene Leistung vorliegt. Um mit dem Modell dann Emissionsfaktoren für beliebige Fahrzyklen zu bestimmen, wird die Motorleistung aus der Fahrzeuglängsdynamik, den Verlusten im Antriebstrang und dem Leistungsbedarf von Nebenaggregaten aus dem jeweils vorgegebenen Geschwindigkeits- und Steigungsverlauf berechnet. Zur Bestimmung der Drehzahl wird zuerst ein passender Gang berechnet und dann aus den Übersetzungen die Motordrehzahl. Steht die geforderte Motorleistung in keinem Gang zur Verfügung, wird die Beschleunigung im betroffenen Zeitschritt so reduziert, dass sich ein Volllastbetrieb ergibt. Die Berechnungen erfolgen in 1Hz Auflösung. Für jede Sekunde werden dann aus dem zugehörigen Motorkennfeld die Emissionen entsprechend der Drehzahl und Leistung interpoliert. Die integrierten Emissionswerte über den Zyklus ergeben die Summenemissionen, die Division durch die zurückgelegte Strecke die Emissionsfaktoren in g/km. Die Methode wurde im Simulationsprogramm PHEM implementiert. Da PHEM bereits in einem ähnlichen Verfahren Emissionsfaktoren für PKW, LNF und SNF berechnet, war der Zusatzaufwand zum Einbau von Zweirädern nieder und alle Zusatzfunktionen von PHEM können auch für Zweiräder verwendet werden (z.B. Dynamikkorrekturen, automatisierte CO2-basierte Kennfelderzeugung, Batch-Modus, etc.). In dem Projekt wurde die Modellentwicklung und Validierung anhand von 4 gemessenen Zweirädern durchgeführt. Die Tests umfassten Abgasmessungen auf einem Rollenprüfstand sowie On-Road-Messungen mittels PEMS. Die Messkampagne wurde auch genutzt, um einen Vorschlag für ein einheitliches Minimalmessprogramm zur Bestimmung von Emissionsfaktoren von Zweirädern zu erarbeiten. Dazu wurden umfangreiche Fahrversuche im realen Betrieb durchgeführt, die gemessenen Zyklen in Teilstücke verschiedener Verkehrssituationen unterteilt und je Verkehrssituation ein repräsentatives Teilstück bestimmt. Diese wurden dann zu "Real World Rollenzyklen" zusammengefügt. Bei einem Motorradzyklus ist auch ein sportlicher Fahranteil mit Steigung enthalten. Damit ist sichergestellt, dass die Motorkennfelder mit diesen Rollentests gut abgedeckt sind und bei der Berechnung von Emissionsfaktoren keine Extrapolationen von Emissionswerten erforderlich sind. Die am Markt befindlichen PEMS Systeme sind für die Verwendung bei Zweirädern wegen deren Gewicht und Baugröße nicht für alle Fahrzeuge geeignet. PEMS Messungen sind vorerst nur bei größeren Motorrädern im realen Verkehr möglich. Die Emissionskennfelder enthalten jeweils CO, CO2, NOx, HC sowie optional auch die vom FTIR gemessenen Komponenten und Partikelanzahl. Die nicht limitierten Abgaskomponenten aus der FTIR Messung können, wegen der teilweise sehr niederen Emissionsniveaus, nur unsicher zeitaufgelöst gemessen und simuliert werden, so dass hier die Verwendung von Zyklusmittelwerten in [g/km] oder von mittleren Prozentwerten an den HC und NOx Emissionen empfohlen wird. Mit der entwickelten Methode und der Software PHEM bestehen nunmehr die Grundlagen, Emissionsfaktoren für Zweiräder in gleicher Qualität wie sie bei PKW und Nutzfahrzeugen bereits Standard ist, zu gerieren. Die Methoden und mögliche gemeinsame Messprogramme werden in der ERMES Gruppe bereits diskutiert und werden hoffentlich schon 2018 zu einer deutlichen Verbreiterung der Datengrundlage zum Emissionsverhalten von Zweirädern führen.
SEEKING is looking for answers regarding electric powered bicycles and their relation to traffic safety issues. Does a cyclist need "E"? Is it as risky as riding a moped or are E-bikes creating conflicts with other cyclists? The project described herein, funded by the Austrian Ministry of Transport, has the aim of seeking answers to these hot topics. The SEEKING-team shows an in-depth investigation of vehicle dynamic sensing, together with subjective feedback of test riders to detect similarities and differences between conventional cycling and E-biking. Following an overview on the international status quo, measurement runs and their analyses are performed to find a set of preventative measures to make (E-)biking safer. A specific focus is the detection of curve handling, stopping and acceleration phases as well as conflict studies on course-based test rides and "real world" tests on cycling paths (naturalistic riding).
Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Beurteilung der Hochgeschwindigkeitsstabilität von Motorrädern
(1991)
Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung eines Prüfverfahrens, welches die objektive Beurteilung der Hochgeschwindigkeitsstabilität von Motorrädern ermöglicht. Insgesamt beteiligten sich 17 Fahrer an den Fahrversuchen, die auf der Hochgeschwindigkeitsstrecke eines Prüffeldes erfolgten. Zum Einsatz kamen vier Motorradmodelle, von denen zwei jeweils mit und ohne Gepäck erprobt wurden. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Hochgeschwindigkeitsstabilität von Motorrädern und grundlegenden Fahrerparametern war nur in einem Punkt zu erkennen: Oberhalb einer im Zusammenhang mit den Untersuchungen ermittelten Mindestfahrerfahrung kann ein Einfluss weitergehender Fahrerfahrung ausgeschlossen werden. Die anderen untersuchten, objektiv leicht messbaren Fahrerparameter waren Körpergröße und Masse. Eindeutig isolierbare Zusammenhänge zwischen der Pendeldämpfung und einem dieser Werte waren nicht festzustellen. Bei einem der beiden mit Gepäck untersuchten Motorrädern wurde in Analogie zu früheren Untersuchungen ermittelt, dass die Zuladung die Pendeldämpfung reduziert. Bei Mitnahme eines Beifahrers stellten sich höhere Dämpfungsgrade ein als bei den überwiegend durchgeführten Solofahrten. Das vorgeschlagene Prüfverfahren basiert größtenteils auf den Ergebnissen früherer Untersuchungen und enthält eine engere Beschreibung des einzusetzenden Versuchsfahrers. Weiterhin wurde zusätzlich die Beladung mit Gepäck im üblichen Rahmen in den vorgeschlagenen Prüfungsablauf aufgenommen.
Mit den Schwerpunkten Fahrstabilität, Kurshaltung und Kraftschlussausnutzung wurden die theoretischen und fahrdynamischen Grundlagen für die fahrsichere Motorrad-Kurvenbremsung mit einem kurventauglichen Bremssystem untersucht. In theoretischen Betrachtungen wurden ein Bremskraftregelungs- und das zugehörige Sensorkonzept sowie Maßnahmen zur Schräglaufbegrenzung (Fahrstabilität/Kraftschlussausnutzung) und zur Ausschaltung des Bremslenkmoments (Kurshaltung) erarbeitet. Die elektronische Bremskraftregelung baut auf einer dynamisch lastabhängigen Kombibremse mit voreilend überbremstem Hinterrad auf. Die Sensorik umfasst Raddrehzahlen (bzw. -änderungen), dynamische Radlasten, Radseitenkräfte und Fahrzeugrollwinkel. Das Sensorkonzept ermöglicht indirekte Messung des aktuellen Umfangs- und Seitenkraftschlussbedarfs und bietet einen Ansatz für eine kraftschlussorientierte Bremskraftregelung. Die Radkraftmessung erkennt den Beginn einer querdynamischen Destabilisierung frühzeitig und eindeutig; dies konnte im fahrdynamischen Experiment ebenso bestätigt werden wie die Praxistauglichkeit der von der Forschungsstelle neu entwickelten und gebauten Sensorik. Die kraftschlussorientierte Radregelung ist notwendigerweise angewiesen auf die Kenntnis des Reifenkraftübertragungsverhaltens. Dieses wurde mit einem Motorradreifenmessanhänger der Forschungsstelle auf realen Fahrbahnen exemplarisch untersucht. Mit seiner Hilfe kann für jeden Betriebspunkt der Kurvenbremsung der aktuelle Schräglauf an beiden Rädern bestimmt werden. Alle erfassten Daten können für weitere zukünftige Sicherheitssysteme genutzt werden. Es ist vorgesehen, das entworfene Bremskraftregelungskonzept einschließlich der Maßnahmen zur Schräglauf- und Bremslenkmomentbegrenzung zu realisieren und die hiermit zu erzielenden Verbesserungen im fahrdynamischen Experiment nachzuweisen. Die Messungen zum Reifenverhalten sollen fortgesetzt und auf den dynamischen Bereich ausgedehnt werden.
Airbag-Systeme können, wie frühere Untersuchungen gezeigt haben, die passive Sicherheit von Motorrädern wirksam verbessern. Der vorliegende Forschungsbericht betrachtet die Übertragbarkeit von Pkw-Airbag-Konzepten auf das Motorrad und befasst sich vor allem mit dem Problem der motorradgerechten und sicheren Auslösung des Airbags. Die Funktion des Motorradairbags unterscheidet sich von der des Pkw-Airbags in entscheidender Weise durch die Möglichkeit, die Flugbahn des Fahrers bei einem Zusammenstoß mit einem rechtwinklig vor dem Motorrad befindlichen Pkw so zu beeinflussen, dass dieser das Hindernis ohne einen harten Anprall überfliegen kann. Der Abbau der kinetischen Energie des Fahrers geschieht so nicht in der kurzen Knautschzone vor dem Kollisionsobjekt, sondern in der meist ausreichend langen Auslaufzone dahinter. Der Motorradairbag kann am vorderen Tankbereich angebracht sein. Fülltechnik und Gewebematerial können vom Pkw direkt übernommen werden; jedoch ist die Nahtführung zu verstärken, da der Motorradairbag vorwiegend auf Scherung beansprucht wird. Gravierende Unterschiede ergeben sich in der Sensierung eines Crashs, da durch das an der Telegabel geführte Vorderrad signifikante Verzögerungsanstiege des Motorrades erst sehr spät erfolgen. Es ist daher nicht möglich, wie beim Pkw den Airbag allein über Beschleunigungsaufnehmer zu zünden. Schwerpunkt des Berichtes sind daher verschiedene Vorschläge, bei heute üblichen Motorradkonstruktionen einen Crash für eine Airbagauslösung rechtzeitig und sicher sensieren zu können. Zu charakteristischen Unfall-Ereignissen werden Sensoren nach verschiedenen Wirkprinzipien geordnet vorgestellt. Nach einer technischen Bewertung erweisen sich zwei Sensorvarianten als geeignet für eine zuverlässige Zündung des Airbag; gleichzeitig kann mit einer logischen Verknüpfung ihrer Signale eine Fehlauslösung sicher vermieden werden. Die ausgewählten und näher beschriebenen Sensoren registrieren den Druckanstieg im Vorderradreifen und die plastische Verformung der Telegabel. Damit ist eine Sensierung des Aufpralls rechtzeitig möglich. Je nach Größe und Dauer der Verzögerung kann der Druck des Luftkissens verändert werden, so dass der Motorradairbag in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit nur aufpralldämpfend oder flugbahnbeeinflussend wirkt. Testprogramme zur weiteren Entwicklung von Airbagsensoren für Motorräder werden als Forschungsbedarf näher erläutert.
Many big cities in Europe and elsewhere in the world have problems managing the traffic especially during rush hours. The improvement of the parking problematic and environmental protection as well are important aspects for the future traffic design of urban areas. To improve the traffic situation the development of new traffic concepts and alternative vehicles are required. The BMW company has developed a new type of two-wheel vehicle. This two-wheeler constitutes a totally new concept. BMW implemented a lot of safety features, such as a structure made up of rollover bars and a crush element instead of a front protecting plate. Furthermore the driver can secure himself with two safety belts. The paper contains a description of the novel two-wheel vehicle concept designed so far. BMW's concept and the safety features are also explained. The Federal Highway Research Institute (BASt) was given the task of assessing the concept as a whole with regard to the active and passive safety and the exemption of the obligation to wear a helmet. The expertise concluded that the BMW two-wheeler concept has a very high safety standard. Some extracts of the expertise, in particular the investigations concerning the exemption of the obligation to wear a helmet are presented. Common legal requirements for the vehicle registration of vehicle concepts similar to the BMW two-wheeler in Germany have been formulated.
Die vorliegende Studie untersucht die Auswirkung der Ausstattung von Motorrädern mit Anti-Blockier-System (ABS) auf die Fahrsicherheit von Motorrädern. Hierzu wurden Fahrversuche im realen Verkehr und auf abgesperrter Teststrecke durchgeführt. Erfahrene und wenig erfahrene Motorradfahrer absolvierten Testfahrten auf nasser und trockener Fahrbahn mit und ohne ABS-Aktivierung des Motorrades. Bei den Versuchsfahrten kam es zu einigen kritischen Fahrsituationen, bei denen die Versuchspersonen insbesondere zu Beginn des Bremsmanövers von ihrem "normalen" Bremsverhalten abwichen. Bei blockierendem Hinterrad wurde der Bremsdruck vorne und hinten reduziert, was zu einer deutlichen Bremswegverlängerung führte. Bei den Vollbremsungen unter idealen Bedingungen auf abgesperrter Strecke wurden von erfahrenen Fahrern ohne ABS kürzere Bremswege als mit ABS erreicht. Kurvenbremsungen mit ABS-Regelung wurden im mittleren Geschwindigkeits- und Schräglagebereich fahrstabil durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst erfahrene Motorradfahrer Bremsweg in kritischen Situationen verschenken. Geeignete Antiblockiersysteme könnten Motorradfahrern die Angst vor Radblockaden nehmen. Dies dürfte einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der aktiven Sicherheit leisten.
Aufgrund des hohen Anteils von ca. 80 Prozent des Individualverkehrs am gesamten Personenverkehr, der abnehmenden Verkehrsräume und der zunehmenden Verkehrsdichte im innerstädtischen Bereich ist es erforderlich, geeignete Verkehrs- und Fahrzeugkonzepte zu entwickeln, um dieses Verkehrsaufkommen zu bewältigen. Die BMW AG hat vor diesem Hintergrund ein neuartiges Zweiradfahrzeug konzipiert. Auf diesem Fahrzeug sitzt der Fahrer aufrecht und angegurtet in einem speziellen Schutzraum, der aus Überrollbügeln gebildet wird. Zusätzlich verfügt das Zweirad im Frontbereich über eine Knautschzone. Da das Fahrzeug bezüglich der passiven Sicherheit über einen hohen Standard verfügt und die Akzeptanz am Markt davon abhängig ist, wird die Möglichkeit untersucht, den Fahrer dieses Fahrzeugs von der Helmtragepflicht zu befreien. Darüber hinaus werden allgemeine Aspekte der aktiven und passiven Sicherheit bewertet. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen es dem Bundesministerium für Verkehr ermöglichen, wissenschaftlich begründete Entscheidungen hinsichtlich der Befreiung von der Helmtragepflicht und den allgemeinen Zulassungsbedingungen zu treffen. Die Untersuchungen basieren auf Messergebnissen und Videoaufzeichnungen von Anprallversuchen, auf Ergebnissen von Computersimulationen, Daten aus Unfallerhebungen, Literaturstudien, Fachgesprächen und weiteren Analysen. Die Sicherheit des C1-Zweirades wurde jeweils für den Frontalanprall, den seitlichen Anprall und die Ausschleuderphase bewertet. Alle Versuchs- und Simulationsdaten ergaben Dummybelastungen, die zeigten, dass das C1-Fahrzeug im Frontalanprall erheblich sicherer ist als ein herkömmliches Zweirad. Auch beim seitlichen Anprall ergibt sich ein Sicherheitsvorteil gegenüber herkömmlichen Zweirädern. Die Ausschleuderphase bei einem Zweiradunfall ist sehr komplex. Soll der Fahrer des C1-Zweirades von der Helmtragepflicht befreit werden, ist sicherzustellen, dass sein Kopf zu keinem Zeitpunkt mit der Fahrbahn oder anderen Hindernissen in Kontakt kommt. Hierzu sind die Sicherheitsrahmenstruktur und das Gurtsystem entsprechend auszulegen. Um das Sicherheitspotential des Zweirades zu bewerten, wurden unter anderem Versuche nach ISO 13232 durchgeführt, in der Unfallkonstellationen zur Beurteilung des Schutzes von Zweiradaufsassen bei Unfällen empfohlen werden. Das Gutachten stellt fest, dass das C1-Zweirad die an die aktive und passive Sicherheit zu stellenden Anforderungen erfüllt. Darüber hinaus kann der Benutzer des Zweirades vorerst von der Helmtragepflicht befreit werden. Die Helmtragepflichtbefreiung ist an die Umsetzung von Sicherheitsanforderungen gekoppelt, die in einem Anforderungskatalog zusammengestellt wurden. In diesem Zusammenhang sind zwei neue Testverfahren entwickelt worden. Aus den Ergebnissen dieses Gutachtens wurden allgemeine Anforderungen für Zweiräder dieser Bauart definiert und eine Ausnahmeverordnung für die Straßenverkehrsordnung (Befreiung von der Helmtragepflicht) vorbereitet. Damit etwaige Probleme frühzeitig erkannt werden, sind nach Markteinführung Unfälle unter Beteiligung des C1-Zweirades sorgfältig zu beobachten und auszuwerten.
The 2BeSafe project (2-Wheeler Behaviour and Safety) is a collaborative project (co financed by the European Commission) that aims to study the naturalistic behaviour of Powered-Two-Wheeler (PTW) riders in normal and critical riding situations. That includes the interaction between PTW riders and other road users and possible conflicts between them. One of the predominant causes of accidents involving PTWs is that PTWs are often overlooked by other road users. One task of the project lead by BASt therefore deals with possible improvements in conspicuity and the development of recommendations. Particularly using the findings of the studies on conflict situations, promising lighting arrangements to enhance conspicuity of PTWs during the day and at night are selected. An abstract recognizing pattern for PTWs is defined, enabling other road users (e.g. car drivers) to clearly identify riders. Lamps and outfit like lighting configurations of different colours, different helmet lights, reflect / luminescent clothing parts and retro-reflective markings are designed and manufactured. Then, the different solutions are tested in a laboratory setting using experimental motorcycles together with riders to which the equipment is fitted. As result a proposal for a uniform signal pattern or lamp configuration in the front of all motorcycles and riders will be outlined. The contribution first gives a short overview of the topics of the research project that deal with conflicts and their connection with poor conspicuity and then presents in detail the methods used in the activities concerning solutions for the improvement of conspicuity together with first results.