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Rechnerische Simulation des Fahrverhaltens von Lkw mit Breitreifen
BASt-Bericht F 30
A. Faber, Institut für Kraftfahrwesen, Universität Hannover
44 Seiten
Erscheinungsjahr: 2000
Preis: 5,00 €
Bestellung eines gedruckten Exemplars beim Carl Schünemann Verlag GmbH
Kostensenkende Aspekte wie z.B. geringerer Anschaffungspreis, Reduzierung des Leergewichtes und des Abrollwiderstandes haben den Einsatz breiter Einzelbereifung an Anhänger- oder Aufliegerachsen vorangetrieben. Demgegenüber stehen möglicherweise höhere Kosten für die Instandhaltung des Straßennetzes.
Dieses Forschungsvorhaben untersucht in rechnerischer Simulation die Fahrsicherheit und das Fahrverhalten mit breiten Einzelreifen an der Antriebsachse ausgestatteten schweren Nutzfahrzeugen gegenüber der Standardversion mit Zwillingsreifen. Durch die geänderte Reifenbreite werden auch Fahrwerksänderungen möglich. Hier sind unter anderem die Änderung der Federspurweite, die Stabilisatorauslegung und die Rahmenbreite zu nennen.
Untersucht wurden die für die Praxis relevanten Szenarien:
- Beibehaltung der Gesamtbreite mit Änderung der Spurweite bei den verschiedenen Reifenkombinationen
- Änderung der Federspur, dadurch Änderung der Wankfedersteifigkeit unter Beibehaltung der Stabilisatordimensionierung
- Fahrsicherheit bei einem Reifendefekt.
Um eine möglichst breite Palette von Fahrzeugen abzudecken wurden ein starrer LKW, ein starrer LKW mit Anhänger und ein Sattelzug mittels Simulation untersucht. Für die Betrachtung der Fahrsicherheit mit den unterschiedlichen Reifenvarianten wurden für die Simulation zusätzlich geeignete Fahrmanöver ausgesucht. Mit der gängigsten Variante, dem 40 t-Sattelzug wurden zusätzlich Fahrversuche nach gängigen Normen unternommen, jedoch ohne Änderung des Fahrwerkes.
Die Ergebnisse wurden zur Validierung des Simulationsfahrzeuges genutzt, ebenso wie die aus dem IKH vorhandene Reifendaten. Die dabei für die Untersuchung der Fahrdynamik mit unterschiedlichen Bereifungen wichtigen Parameter wurden auf einer realen Straße gemessen und als Kennlinien in das Modell eingelesen. Ein wesentlicher Bestandteil der Validierung war die Aufzeichnung der Bewegung des Lenkgestänges, das direkt als Eingangsgröße für das Modell fungierte. So konnten die Ergebnisse aus Fahrversuch und Simulation direkt verglichen werden.
Aus der Simulation können folgende Ergebnisse gewonnen werden: Eine Änderung von Fahrverhalten und Fahrsicherheit ist im wesentlichen von den Eigenschaften des Reifens selbst abhängig. Hier wies die breite Einzelbereifung eine höhere Seitensteifigkeit auf, was sich in einem stärker ausgeprägten untersteuernden d.h. sicheren Fahrverhalten widerspiegelt.
Diese Tendenz ist hinsichtlich der "Steuerbarkeit" einer Fahrzeugkombination von Vorteil. Die geänderte Federspur an der Antriebsachse hat bezüglich der Kippstabilität für die Fahrzeugkombinationen keinen Einfluß. Nur der Solo-LKW profitiert von der höheren Wanksteife der Hinterachse. Dieses deckt sich auch mit theoretischen Berechnungen der Gesamtwankfedersteifigkeiten.
Die Untersuchung der Fahrstabilität infolge von Reifendefekten auf der Antriebsachse zeigte keine erhöhte Gefahr bei Einsatz der breiten Einzelbereifung. Zwar wird bei Kurvenfahrt die Kippgrenze unter Annahme eines hohen Schwerpunktes leicht herabgesetzt, dafür wird das Fahrverhalten positiv beeinflußt. Das übersteuernde Fahrverhalten mit anschließendem Einknicken bei Einsatz der Zwillingsbereifung wird in ein stark untersteuerndes Fahrverhalten bei Einsatz der breiten Einzelbereifung gewandelt.
Aus der Sicht der Fahrsicherheit und des Fahrverhaltens spricht nichts gegen den Einsatz der breiten Einzelbereifung, sondern eher dafür.
Computer-aided simulation of the driving behaviour of trucks with wide tyres
Cost-reducing aspects such as a lower purchase price and reductions in empty weight and rolling resistance have promoted the use of wide single tyres on trailer and semi-trailer axles. These advantages are offset by the fact that the costs for repairing the road network may well be higher.
This research project used a computer-aided simulation to investigate and compare the driving safety and driving behaviour of heavy goods vehicles with wide single tyres on their driving axles on the one hand and standard vehicles with twin tyres on the other. The different tyre width also enabled alterations to be made to the chassis, e.g. changes in the width of the spring suspension, the stabiliser setting and the frame width.
The following practically-relevant scenarios were tested:
- keeping the same overall width through alteration of the spring suspension width for the different tyre combinations;
- alteration to the width of the spring suspension and consequent alteration to the roll stiffness while keeping the stabiliser dimensions the same;
- driving safety with a defect tyre.
In order to cover as large a range of vehicles as possible, the simulation was used to test a solo truck, a truck with trailer and a tractor-trailer combination. Appropriate driving manoeuvres were also selected for the simulation in order to observe driving safety with the different tyre variations. Additional driving tests were carried out according to international standards with the t tractor-trailer combination which is the most common variant; these were, however, carried out without any alterations to the chassis.
The results were used to validate the simulation vehicle and the tyre data from the former Institute for Automotive Engineering in Hanover (IKH). The parameters which were of importance for examining the driving dynamics with different tyres were measured on a real road and entered in the model as characteristic curves. An important part of the validation was the recording of the movement of the steering linkage, which was used directly as an initial parameter for the model. In this way it was possible to compare directly the results from the driving test and the simulation.
The following results were derived from the simulation: alterations in driving behaviour and driving safety are mainly dependent on the characteristics of the tyre itself. The wide single tyres showed a higher level of lateral stiffness which was reflected by a higher degree of understeering i.e. safer driving behaviour.
This tendency is beneficial with regard to the "steerability" of a vehicle combination. The altered width of the spring suspension on the drive axle had no influence on the side-tilt stability of the vehicle combination. Only the solo truck profited from the higher roll stiffness of the rear axle. This also conforms with theoretical calculations of the overall roll stiffness. The investigation into the driving stability with defect tyres on the drive axle showed no increased danger when using wide single tyres. When travelling around bends the tipping limit was slightly reduced if a high centre of gravity was assumed but there was a positive influence on driving behaviour. The oversteering and subsequent jack-knifing when using twin tyres was replaced by very pronounced under-steering when using wide single tyres.
As far as driving safety and driving behaviour were concerned no factors spoke against using wide single tyres and several factors spoke in favour of their use.