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.
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.
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.
In the last years there has been a decline in accident figures in Germany especially for four wheeled vehicles. At the same time, accident figures for motorcycles remained nearly constant. About 17 % of road traffic fatalities in the year 2006 were motorcyclists. 33 % of these riders were killed in single vehicle crashes. This leads to the conclusion that improving driving dynamics and driving stability of powered two wheelers would yield considerable safety gains. However, the well-known measures for cars and trucks with their proven effectiveness cannot be transferred easily to motorcycles. Therefore studies were carried out to examine the safety potential of Anti Lock Braking Systems (ABS) and Vehicle Stability Control (VSC) for motorcycles by means of accident analysis, driving tests and economical as well as technical assessment of the systems. With regard to ABS, test persons were assigned braking tasks (straight and in-curve) with five different brake systems with and without ABS. Stopping distances as well as stress and strain on the riders were measured for 9 test riders who completed 105 braking manoeuvres each. Knowing the ability of ABS to avoid falls during braking in advance of a crash and taking into account the system costs, a cost benefit analysis for ABS for motorcycles was carried out for different market penetration of ABS, i.e. equipment rates, and different time horizons. The potential of VSC for motorcycles was estimated in two steps. First the kinds of accidents that could be prevented by such a system at all have been analysed. For these accident configurations, simulations and driving tests were then performed to determine if a VSC was able to detect the critical driving situation and if it was technically possible to implement an actuator which would help to stabilise the critical situation.