Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe F: Fahrzeugtechnik
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16% aller Verkehrstoten in Deutschland sind Motorradfahrer und die Anzahl stagniert auf diesem hohen Niveau. Daher ist eine Verbesserung der Fahrsicherheit von Motorrädern zwingend erforderlich. Im Pkw leisten aktive bzw. verstellbare Fahrwerksysteme einen positiven Beitrag zur Fahrsicherheit und helfen, Unfälle zu vermeiden. Hierzu zählen neben den Fahrdynamikregelsystemen wie ABS und ESP auch Verstelldämpfer und Stabilisatorverstellsysteme. Dämpfer- und Stabilisatorsysteme beeinflussen die dynamische Radlast und können insbesondere im ABS-Regelbereich die Fahrsicherheit erhöhen. Der Einfluss geregelter Dämpfersysteme auf die Fahrsicherheit und den Komfort im Pkw-Bereich ist in ausführlichen Untersuchungen sowohl theoretisch als auch praktisch belegt. Im Kraftradbereich existieren zwar Untersuchungen zu verstellbaren Dämpfersystemen, meist werden hier aber ausschliesslich komfortorientierte Kriterien betrachtet. Neben der Übertragbarkeit der positiven Effekte, die im Pkw-Bereich hinsichtlich Komfort und Fahrsicherheit durch geregelte Dämpfersysteme erreicht werden, auf Krafträder, ist der Einfluss geregelter Systeme auf die besonderen kraftradspezifischen Eigenschaften noch nicht ausführlich simulativ betrachtet worden. Das labile System Kraftrad, das in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit stark veränderliche Eigenschaften bezüglich der Eigenstabilisierung aufweist, neigt je nach Geschwindigkeitsbereich zu unterschiedlichem Verhalten. Die Zielsetzung dieser Arbeit liegt somit in der Überpruefung der Übertragbarkeit der aus dem Pkw-Bereich bekannten Einflüsse geregelter Dämpfersysteme auf Fahrkomfort und Fahrsicherheit im Kraftradbereich. Weiter soll hierbei auf kraftradspezifische Fahrsituationen eingegangen werden, die in der Pkw-Forschung auf Grund des abweichenden Systemverhaltens keine Berücksichtigung finden. Die Untersuchung gliedert sich in die Parameterermittlung anhand eines Versuchsmotorrades, die Erstellung und Validierung eines Mehrkörpersimulationsmodells unter Verwendung der Software VI Motorcycle fuer Adams/Car, die Definition, Auswahl und Umsetzung geeigneter Fahrmanöver sowie die Beurteilung des Sicherheitsgewinns. In der Simulationsumgebung VI Motorcycle (Adams/Car) wurden Schnittstellen geschaffen, um (semi-)aktive Fahrwerke einzubinden. Die entsprechenden Regelalgorithmen sowie die Umsetzung der Dämpferkonzepte wurden hierfür in Matlab/Simulink aufgebaut. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden zahlreiche Regelalgorithmen und Dämpferkonzepte modelliert und getestet. Es wurde ein Fahrmanöverkatalog mit solchen Fahrversuchen erstellt, die Potenzial fuer einen Sicherheitsgewinn durch aktive Dämpfer erwarten lassen. Fuer die definierten Fahrmanöver wurden Simulationen aller entwickelten Regler und als Referenz auch eines passiven Dämpfersystems durchgeführt. Die Simulationsdaten wurden anhand vorab definierter Beurteilungskriterien ausgewertet. Die Ergebnisse lassen Potenzial zur Steigerung von Fahrsicherheit und Komfort vermuten. Die Erkenntnisse aus dem Pkw-Bereich koennen in weiten Teilen auf den Kraftradbereich übertragen werden. Ein signifikanter Einfluss auf das heutige Unfallgeschehen von Motorrädern ist jedoch als unwahrscheinlich einzuschätzen.
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Die Verordnungsgeber haben länderübergreifende Normen und Vorschriften für die Durchführung und Auswertung von Crashversuchen mit Personenkraftwagen bei verschiedenen Aufprallarten entwickelt, die im Rahmen der Entwicklung und Zulassung neuer Fahrzeuge Anwendung finden. Verbraucherschutzorganisationen, Automobilclubs und Fachzeitschriften tragen mit der Durchführung und Publikation eigener Tests dazu bei, dass die passive Sicherheit von Personenkraftwagen in der breiten Öffentlichkeit mehr und mehr beachtet wird. Im Gegensatz dazu ist die Durchführung von Crashtests zur Untersuchung und Bewertung der passiven Sicherheit von Motorrädern relativ neu. Vor diesem Hintergrund hat die Bundesanstalt für Straßenwesen das vorliegende Forschungsprojekt vergeben. Hierbei waren unter Verwendung geeignet erscheinender Prüfverfahren reale Unfallsituationen nachzubilden. Unter Beachtung der Vielfalt der motorisierten Zweiräder mit ihrer Einteilung in verschiedene Zulassungs-Kategorien und zugehöriger Unfalldaten wurde das reale Unfallgeschehen analysiert. Neben Daten aus der amtlichen Unfallstatistik wurden dabei Informationen aus der Literatur und eigene Erhebungen ausgewertet. Ergänzend ist der aktuelle Kenntnisstand zur Biomechanik aufbereitet worden. Eine Beschreibung des Status quo der passiven Motorradsicherheit erfolgte unter Analyse der hierbei relevanten Elemente, Baugruppen und Eigenschaften des Motorrades. Dazu gehören Lenker, Sitzbank, Fußrasten, Tank, Verkleidung, Airbag (noch nicht im Hersteller-Angebot), Vorderradgabel und Standrohre sowie die Aufsassen-Kopfhöhe. Weiterhin gingen die Ergebnisse von Full-Scale-Crashtests, die im internationalen Standard ISO 13232 beschrieben sind, mit Anstößen von Motorrädern an der Seite von Personenkraftwagen in die Darstellung des Status quo der passiven Motorradsicherheit ein. Zusätzlich wurden im Rahmen des Forschungsprojektes Schlittenversuche durchgeführt. Ein zur Darstellung des rechtwinkligen Motorradanpralles an der Seite eines stehenden Personenkraftwagens geeigneter Schlitten ist im Rahmen des Projektes entworfen, realisiert und eingesetzt worden. In der Literatur beschriebene Motorrad-Sicherheitskonzepte und Vorschläge für besondere Motorrad-Sicherheitselemente sind ebenfalls dargestellt worden. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein umfassender Ansatz verfolgt. Er enthält die Bewertung von Sicherheitsmerkmalen, die aus technischen Beschreibungen entnommen und am stehenden Fahrzeug ermittelt werden können (Primärdaten) sowie die Ergebnisse von dynamischen Crash- und Schlittentests (Sekundärdaten). Dabei erfolgt stets die Orientierung am realen Unfallgeschehen (Tertiärdaten). Der internationale Standard ISO 13232 wird als geeigneter Ausgangspunkt eines umfassenden Prüf- und Bewertungsverfahrens für die passive Sicherheit motorisierter Zweiräder erkannt. Zur Erweiterung der bereits definierten Testverfahren werden Schlittentests vorgeschlagen. Außerdem werden Alleinunfälle des Motorrades zu beachten sein. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes tragen dazu bei, die Aspekte der passiven Sicherheit von motorisierten Zweirädern zu objektivieren.
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Die Bundesanstalt für Straßenwesen hat das Fachgebiet Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Darmstadt (fzd) damit beauftragt, die Bremsung des Motorradfahrers mit verschiedenen Kraftradbremssystemen zu untersuchen. Die Bremsung ist eines der am schwierigsten zu beherrschenden Motorradfahrmanöver. Dem Fahrer als Regler zweier unabhängig voneinander bedienbarer Bremskreise wird die Regelaufgabe zusätzlich erschwert durch die latente Sturzgefahr eines kreiselstabilisierten Einspurfahrzeugs. Hinzu kommen das ungünstige, die Gefahr eines Bremsüberschlags begünstigende Verhältnis von Schwerpunkthöhe zu Radstand und die meist hohen Bremskräfte bereits bei niedrigen Bedienkräften. Weitere fahrwerkabhängige Parameter wie die Lage des Nickpols beeinflussen den zeitlichen Ablauf der Radlastverschiebung während der für die Erzielung eines geringen Bremswegs besonders wichtigen Anfangsphase der Bremsung. Trotz dieser für den Fahrer als Regler ungünstigen Voraussetzungen hat sich am Grundkonzept der im größten Teil der Motorradpopulation verbauten Standardbremse mit getrennter Bedienung von Vorderrad- und Hinterradbremse seit Beginn des letzten Jahrhunderts nichts geändert. Aufgabe der vorliegenden Forschungsarbeit ist es, Anforderungen an Bremssysteme, mit denen der Motorradfahrer sichere Bremsungen mit kurzen Bremswegen reproduzierbar erreichen kann, zu formulieren. Dazu wurden Testpersonen Bremsaufgaben mit den fünf verschiedenen Bremssystemen Standard- und Kombibremse jeweils mit und ohne ABS sowie blockiergeschützte Kombibremse mit Einhebel-Bedienung gestellt und die erzielten Bremswege sowie Belastungs- und Beanspruchungsgrößen des Fahrers aufgezeichnet. Die Versuche zeigen folgende Ergebnisse: Die erzielten Bremswege sind mit ABS kürzer als ohne, was vor allem auf die Unterschiede in der Anfangsphase einer Bremsung zurückgeführt werden kann. Die während dieser Anfangsphase verstreichende Zeit steigt bei Bremsungen ohne ABS überproportional mit der Ausgangsgeschwindigkeit. Dies gilt auch und vor allem für die Kurvenbremsung. Ein signifikanter Unterschied zwischen Standard- und Kombibremse konnte nicht festgestellt werden. Die Bedienung einer blockiergeschützten Kombinationsbremse mit nur einem Bremshebel zeigt keinerlei Nachteil gegenüber einer konventionellen Zweihebel-Bedienung. Bei Bremsungen ohne ABS stieg die als Beanspruchungsgröße herangezogene Herzschlagfrequenz deutlich stärker an als bei Bremsungen mit ABS. Auch der Muskeltonus des Flexor Digitorum Superficialis, eine Belastungsgröße, liegt wie auch andere Belastungsgrößen aufgrund der mit einer höheren mentalen Beanspruchung einhergehenden Muskelanspannung bei Bremsungen ohne ABS deutlich höher als bei Bremsungen mit ABS. Die während des Versuchsbetriebs aufgetretenen Stürze fanden erwartungsgemäß nur bei Bremsungen ohne ABS statt. Es können folgende Empfehlungen für zukünftige Kraftradbremssysteme abgeleitet werden: ABS sollte bei Einspurfahrzeugen möglichst flächendeckend Verwendung finden; dabei kann es abschaltbar gestaltet werden. Beim Vorhandensein einer blockiergeschützten Kombibremse ist ein Bedienelement ausreichend; dies sollte der Handbremshebel sein. Eine Überschlagregelung blockiergeschützter Bremsen ist notwendig, bestehende Überschlagregelungen müssen verbessert werden. Der Originalbericht enthält als Anhang den Test zur Ermittlung der Fahrerfahrung. Auf die Wiedergabe dieses Anhanges wurde in der vorliegenden Veröffentlichung verzichtet. Der Test liegt bei der Bundesanstalt für Straßenwesen vor und ist dort einsehbar. Verweise auf den Anhang im Berichtstext wurden beibehalten.
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Unter der Leitung der Working Party 29 beauftragte die UN ECE Group of Experts on Pollution and Energy (GRPE) die ad-hoc Arbeitsgruppe WMTC mit der Entwicklung eines "World-wide Harmonised Motorcycle Emissions Test ProCedure". Das Ziel dieses Forschungsprogramms ist es, einen weltweit harmonisierten Prüfzyklus für die Messung der Schadstoffemissionen motorisierter Zweiräder zu entwickeln, der den Fahrzyklus und den dazugehörigen Schaltalgorithmus für die Prüfstandmessungen und die Beschreibung der Einstellungen der Prüfstände abdeckt. Die Emissionsvalidierungen im Rahmen des Validierungsprogramms Teil 2 wurden einesteils von der Industrie und andernteils von nationalen Regierungseinrichtungen in verschiedenen Ländern der Welt finanziert. Für Deutschland ließ die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Validierungstests für 8 Motorräder bei der RWTÜV Fahrzeug GmbH in Essen durchführen. Die Ergebnisse sind im ersten Teil des Berichts (Langfassung) dokumentiert. Mit dem Vorhaben sollte darüber hinaus aber noch das Ziel verfolgt werden, einen Vorschlag für die Erfassung von off-cycle Emissionen zu erarbeiten. Der Begriff "off-cycle Emissionen" umfasst diejenigen Emissionen eines Motorrades, die im realen Betrieb bei Fahrzuständen auftreten, die durch den Prüfzyklus nicht erfasst werden. Insofern sind off-cycle Emissionen ein grundsätzliches Problem, selbst bei einem repräsentativen Messzyklus. Beispielsweise werden Emissionen, die bei hochtourigen Fahrweisen mit starken Beschleunigungen auftreten, im WMTC nicht berücksichtigt. Um eine geeignete Lösung für die Erfassung von off-cycle Emissionen zu finden wurden die im Rahmen der WMTC Arbeiten zur Verfügung stehenden in-use Daten zum Fahrverhalten von Motorrädern noch einmal auf ihre Varianzen hin ausgewertet, um Motordrehzahlen und Fahrzeugbeschleunigungen zu bestimmen, die für off-cycle Emissionen zu berücksichtigen sind. Es wurden 3 verschiedenen Methoden zur Erfassung der off-cycle Emissionen untersucht, und zwar WMTC mit erhöhten Schaltdrehzahlen, Load Respose Test und Stationäre Geschwindigkeits-/Drehzahlkombinationen. Aus den Ergebnissen zu den off-cycle emissions kann insgesamt folgendes Fazit gezogen werden: Stationäre Drehzahlen sind für die Emissionsbestimmung im off-cycle Bereich ungeeignet. Die Anwendung des Ansatzes "erhöhte Schaltdrehzahlen" auf den WMTC Geschwindigkeitsverlauf ist ein Schritt in die richtige Richtung, aber er berücksichtigt nicht die größeren Beschleunigungen bei "sportlicher" Fahrweise. Der load response Test ist ein geeigneter Ansatz für die Überprüfung von off-cycle Emissionen. Allerdings muss man für die praktische Anwendung noch Schaltdrehzahlen verbindlich festlegen und Vorkehrungen treffen, um die Gefahr von Reifenschlupf zu verringern und somit die Wiederholbarkeit zu verbessern. Die Konstantfahrtphasen sollten dazu genutzt werden, das Emissionsverhalten bei höheren Drehzahlen als den normalen Schaltdrehzahlen des WMTC zu erfassen. Auch die Frage der Bewertung der Ergebnisse konnte im Rahmen dieses Vorhabens noch nicht abschließend geklärt werden. Um cycle bypass Maßnahmen zu erschweren sollten, die Start- und Zielgeschwindigkeiten darüber hinaus randomisiert werden. Wichtig im Zusammenhang mit der Bewertung von off-cycle Emission provisions ist außerdem die Diskussion und Festlegung von Grenzwerten für den off-cycle Bereich. Bei Fahrzeugen, die mit einem 3-Wege-Katalysator mit Lambdasondenregelung ausgerüstet sind, bietet die Erfassung der Lambdasondenspannung ein ergänzendes Hilfsmittel, um die Funktion der Regelung des Katalysators zu überprüfen. Sie sollte nicht nur im off-cycle Bereich sondern ebenfalls im normalen WMTC angewendet werden.