Wechselbeziehungen zwischen Mensch und Fahrzeug Prof. DI Dr.techn.DDr.hc. Ernst Fiala Mitglied des Vorstands (R&D) der Volkswagen AG i.R. IVK TU Wien, WS 2010/11 Das Thema der Vorlesung ist Teil des Mensch/Technik/Umwelt-Problems, im engeren Sinn das Zusammenwirken der Eigenschaften des Menschen und des Fahrzeugs. Es geht um die Führung des Fahrzeugs (human operator, Kenngrößen des Fahrzeugs), die Rückwirkungen infolge der Emissionen (Schadstoffe, CO2), Straßenwelligkeit und der Belastung beim Unfall. siehe auch www.ernstfiala.at

1. Fahrkinetik Ernst Fiala WS 2010/11

Einfachstes Fahrzeugmodell: Radstand, Lenkwinkel Lenkwinkel L = Radstand a / Radius R, << 1 Krümmung k = 1/R [1/m] L R = 1/k sin (0.1) = 0.1- 0.002 cos (0.1) = 1 - 0.005 L a

k = SUM( i=1-9999 ) ki EXP (-pi ki / fi (s-si)²) k = RS/R k = ko EXP(-s²) s = v * t si k = kn EXP(s-si)² f = INT(k ds) k = SUM( i=1-9999 ) ki EXP (-pi ki / fi (s-si)²) i…. Nummer der Kurve i ki….Scheitelkrümmung der Kurve i fi….Richtungsänderung in der Kurve i si….Wegkoordinate der Kurve i

k = SUM( i=1-9999 ) ki EXP (- pi ki /fi (s-si)²) k…Krümmung an der Stelle s, ki … Scheitelkrümmung in s=si fi…Richtungsänderung in der Kurve i Von k abhängig (f(k)): - Straßenbreite, - Steigung, - Querneigung Zweckmäßig: ki= konst = -k(i) Ein ganzer Straßenzug wird dann von Vorzeichen ki, fi und si beschrieben. Wenn lokal zugespielt, kann links/rechts, R=1/ki oder v = 3.6*SQR(bQ/ki), fi *180/pi zugespielt werden (wie Rallyansage: „links, 110 km/h, 37°, eventuell noch Steigung, Gang, Straßenbreite“)

f Bild k(s) und Zug f(i) ff

Die Krümmung ist eine Funktion des Weges s; Steigung, Straßenbreite und Querneigung sind eine Funktion der Krümmung k.

human operator

Blockdiagramm Fahrzeugführung BP Blockdiagramm Fahrzeugführung

5 Elemente: Eingabe, Ausgabe, fixes Programm, erlerntes Programm, Verarbeitung

< 100 b/s

Zentralnervensystem und Computer haben die gleichen 5 Bestimmungsstücke: Eingabe (Tastatur, Disk; Sinne), Ausgabe (Bildschirm; Muskel), zentrales Rechenwerk (CPU; ZNS), festes Programm (ROM; Gene) und Speicher (PROM; Gedächtnis). Unterschied: Bewusstsein. .

Wie viele bit sind erforderlich um einen Gegenstand zuerkennen?

Wer entscheidet was man sieht?

Antwort xa auf ein Eingangssignal xe

Meist genügt diese Vereinfachung ( 1 < T1 <2 s) xa + T1 dxa/dt = xe dxa/dt = (xe –xa)/ T1 Meist genügt diese Vereinfachung ( 1 < T1 <2 s)

Fahrzeug

1864 VM Siegfried Marcus, 1864 (1870?) Der Verbrennungsmotor muss drehen um ein Moment liefern zu können. (el. Zündung, siehe Batterie)

Daimler-Motorwagen 1896

Benz Patent-Motorwagen 1896

1889: Daimler/Maybach: Stahlradwagen Erstes 4-rädiges Auto (Ackermannlenkung in Gabeln) löst in Frankreich die breite Entwicklung aus

Achsschenkellenkung 1818 und 1893

Benz Velo 1894 Erstes Serienauto Siehe Bremse: am Radumfang, einseitig hinten. Praktische Entwicklung in Frankreich

Richtungsstabilität nach Störung und beim Bremsen Sv=kv ß, Sh=kh ß (ß… Richtungsstabilität nach Störung und beim Bremsen Sv=kv ß, Sh=kh ß (ß…..Schräglaufwinkel)

Alois Riedler (1850-1936): Wissenschaftliche Automobilwertung, 1911

Fahrdynamik

P.Rieckert und E.Schunck, 1940 ah dpsi/dt ßh = ß + ah (dpsi/dt) /v, ßv = L + ß - av (dpsi/dt)/v stationär: dpsi/dt = df/dt, df/dt = v k ßh = ß + ah k, ßv = L + ß – av k

Diskussion des Einflusses verschiedener Größen am Modell

Fahrzeugführung quer (Lenken)

L = Einfachstes Fahrzeugmodell: der Fahrer sitzt auf der Hinterachse und blickt in der Längsachse des Fahrzeugs nach vorn. Er versucht den Punkt BP in der Entfernung e auf der Sollspur zu halten. Im gezeichneten Augenblick würde er nach rechts lenken.

Fahrer: P-Regler, PI-Regler

Einfluss der Vorhaltestrecke e (v=20 m/s)‏ Fahrer und Fahrzeug mit Zeitverhalten 0.1

Radlaständerung bei Kurvenfahrt vorn/hinten zur Veränderung der Seitenkraftbeiwerte k Radlastunterschied vorn/hinten zur Veränderung des Seitenkraftbeiwerts k

Stationäre Kurvenfahrt für R=v/0.1 („power slide“ durch Umfangskraft an der Hinterachse)

Lage der Momentanzentren und der Rollachse

2

2

2

Lenken ist schwierig, weil Integration vorhergesehen werden muss

Auto der Zukunft

AUDI A5 Coupé

VW 2000 1980

VW Up. Lite, Detroit 2009: 800 ccm 2 Zyl. , 38 kW, 10 kW el VW Up! Lite, Detroit 2009: 800 ccm 2 Zyl., 38 kW, 10 kW el., 150 km/h, 0-100 in 12.5 s, 695 kg, 0.431 m², 7 Gang DKG, 2.44 L/100 km, cwA=0.27x1.6 m² ? (keine Außenspiegel und Türgriffe, verschlossener Kühlluftdurchtritt)

In den letzten 50 Jahren wurden die Autos immer niedriger (1.8 1.4 m) Querschnittsfläche 2.5 kleiner 2 m² cw 0.5 0.3 cwA 1.2 0.6 m² mit SUV oder cross over m+(10-30)%, cwA + (30 – 50) % (statt 1500 kg, 0,6 m²: 1650 kg, 0.8 m²). Höherer Augpunkt!

Einachsfahrzeug

nnnnn

Einspurfahrzeug Maskus 2004 130 km/h mit 1.4 L/100 km, 185 km/h mit 12 kW

Auslegung des Experimental Safety Vehicle ESVW, 1971 (crash-Geschwindigkeit 50 statt 30 mph, 80 statt 50 km/h)

Autogiro: Antrieb durch Propeller Antriebsbaum nach vorn klappen, Hubpropeller zusammenfalten (4 m Länge), elektrischer Radantrieb = Stadtfahrteuglich Automatische Steuerung in Flugstraßen (auch bei Schlechtwetter) Autogiro: Antrieb durch Propeller Kurzstrecke mit gefaltetem Rotor und Radantrieb, Starten und Landen auf kleinen Plätzen (50x5 m?), zentrale Flugkontrolle auf Luftstraßen

Literatur: Bendat, J.S. u. A.G.Piersol: Ergodic Random Data, Wiley 1986 Dieren, W. van: Mit der Natur rechnen, ISBN 3-7643-5173-X * Gould, S.J.: Zufall Mensch, Hauser 1991 * Lorenz, K.: Das sogenannte Böse, 1984 Popper, K. u. J.Eccles: Das Ich und sein Gehirn, Piper 1986 * Popper, K.: Alles Leben ist Problemlösen (1988) Riedel, R.: Die Strategie der Genesis, Piper 1986 * Reichholf, J.: Evolution des Menschen Steinbuch, K.: Automat und Mensch, Springer 1971 Triffin, R.: Monopolistic Competition...,Cambridge 1947