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Verfahren zur Richtungsstabilisierung von Fahrzeugen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur sich tungsstabilisierung von Fahrzeugen aller Art bei
Einwirkung von quer zur Fahrtrichtung gerichteten Störkräften,
Durch
derartige Störkräfte hervorgerufene Beeinflussungen der Fahrtrichtung sind weit
verbreitet. Man begegnet ihnen besonders augenfällig bei Flugzeugen, deren Empfindlichkeit
gegen Senkrecht- und Seitenböen das Wohlbefinden von Flugpassagieren zu beeinträchtigen
geeignet ist; man begegnet ihnen ebenso bei Straßenfahrzeugen, deren Seitenwindempfindlichkeit
eine häufige Unfallursache ist.
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Weniger angenfällige Beeinflussungen der Fahrtrichtung infolge von
Seitenkräften findet man auch bei Wasserfahrzeugen , hier im allgemeinen allerdings
weniger aufgrund von Seitenwind als vielmehr aufgrund von Wasserströmungen.
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Störungen der Fahrtrichtung infolge von Queranströmung treten generell
bei Fahrzeugen auf, die keine kraftschlüssige Verbindung mit dem Erdboden aufweisen.
Bei Schienenfahrzeugen treten deshalb innerhalb weiter Grenzen keine Seitenwindprobleme
auf. Jedoch werden die beim Sinuslauf von Schienenfahrzeugen auftretenden Seitenkräfte
auch als Störkräfte im vorgenannten Sinne angesehen. Seitlich angreifende Strömungskräfte
haben verschiedenartige Folgen. Liegt der Druckmittelpunkt des Fahrzeuges in der
quer zur Längsachse des Fahrzeuges verlaufenden, durch den Schwerpunkt gehenden
Ebene, dann tritt nur eine seitliche Verschiebung des Fahrzeuges auf. Liegt Jedoch
der Drucksittelpunkt hinter oder vor dem Schwerpunkt, was in der Regel der Fall
ist, dann tritt ein Giermoment auf, d.h., daß die Queranströmung das Fahrzeug nicht
nur quer zu verschieben, sondern auch aus seiner Fahrtrichtung zu verdrehen sucht.
In diesem Zusammenhang wirkt es
sich besonders nachteilig aus, daß
die die Richtungshaltung beeinflussenden Größen im allgemeinen quadratisch mit der
Fahrgeschwindigkeit zunehmen und daß gleichzeitig der Druckmittelpunkt umso weiter
vorne liegt, je strömungsgünstiger die Fahrzeugform gestaltet ist. Bei sich mit
hoher Geschwindigkeit bewegenden Fahrzeugen muß man deshalb mit besonders hohen
Giermomenten rechnen.
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Speziell bei Straßenfahrzeugen ist die Hauptursache für die Abweichung
aus der gewünschten Fahrtrichtung die seitliche Elastizität der Gummireifen, wodurch
das Fahrzeug die Fähigkeit verloren hat, mit Hilfe des graftschlusses zwischen Reifen
und Straße die Fahrtrichtung genau einzuhalten. Wirken Seitenkräfte auf die Reifen,
dann bewegt sich das Fahrzeug in eine Richtung, die von der geometrischen Stellung
der Vorderräder abweicht; man spricht in diesem Fall von einem Schräglauf. Zu der
Reifenelastizität kommt noch die Benkelastizität hinzu, die von der Elastizität
des Lenkgestängesund von eventuell vorhandenen Lenkungsdämpfern herrührt. Bedingt
durch Benkelastizität und Nachlauf schwenken die gelenkten Räder bei Seitenwindangriff
und vergrößern dadurch die Fahrtrichtungsabweichung.
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Man kann die Richtungsstabilität eines Fahrzeuges dadurch verbessern,
daß man Flossen anbringt, die bei geeigneter Anordnung ein Gegenmoment erzeugen.
Weitere Möglichkeiten bestehen darin, den Widerstandsbeiwert des Fahrzeuges möglichst
klein zu halten oder durch eine entsprechende Fahrzeuggestaltung den lruckmittelpunkt
möglichst nahe an-den Schwerpunkt heranzubringen. Jedoch sind solchen Maßnahmen
enge Grenzen gesetzt, da sie den Fahrzeugaufbau
in hohem Maß beeinflussen.
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Etwas anders liegen die Verhältnisse bei Schienenfahrzeugen, deren
Radsätze einen Sinuslauf aufweisen, wenn die laufflächen kegelig sind und das notwendige
Spurspiel vorhanden ist. Der Vorteil der kegeligen Laufflächen liegt darin, daß
er zu einer Selbstzentrierung des Radsatzes im Gleis führt, ohne die Spurkränze
in Anspruch zu nehmen. Da jedoch die Frequenz des Sinuslaufes - bei freien Radsätzen
proportional - mit der Fahrgeschwindigkeit zunimmt, kann es bei sehr hohen Geschwindigkeiten
zu Resonanzerscheinungen im Radsatz mit der Gefahr von Entgleisungen kommen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirksames
Verfahren zur zuverlässigen Richtung stabilisierung von Fahrzeugen zu schaffen,
welches mit verhältnismäßig einfachen Mitteln durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lenkvorrichtung
durch einen Sohwingungserreger zu periodischen Benkausschlägen geringer Amplitude
und geringer, in der Größenordnung der Lenkeigenfrequenz liegender Frequenz angeregt
wird, wobei die ienkfrequenz mit der Fahrgeschwindigkeit zunimmt. Es handelt sich
bei diesen Lenkausschlägen gewissermaßen um Lenkbewegungen zweiter Ordnung, die
vom Fahrgast nicht oder fast nicht wahrgenommen werden, da sie nur unwesentliche,
im zeitlichen Mittel verschwindende Fahrtrichtungsänderungen bewirken. Es hat sich
gezeigt, daß sich durch das erfindungagemäße Verfahren sowohl die Seitenwindempfindlichkeit
eines
Automobils, als auch die Empfindlichkeit eines Flugzeuges gegen Senkrecht- und Seitenböen
ohne Schwierigkeit überwinden lassen. Das Verfahren kann aber auch bei unbemannten
Flugkörpern und bei Wasserfahrzeugen Anwendung finden. Bei letzteren tragen neben
dem Seitenwind vor allem und in erster Linie Wasserströmungen zur Fahrtrichtungsabweichung
bei. Bei Schienenfahrzeugen wird vorzugsweise nur ein Drehgestell je Waggon zu Schwingungen
erregt.
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Dadurch lassen sich die mit dem Sinuslauf verbundenen Gefahren beseitigen.
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Die Größe der Lenkeigenfrequenz hängt von Fahrzeugart und Fahrzeugaufbau
ab. Sie wird bestimmt durch Parameter wie die Fahrzeugmasse, Trägheitsmoment des
Fahrzeugs um die durch den Schwerpunkt gehende Hochachse sowie bei Schienen-und
Straßenfahrzeugen auch den Achsabstand. Die Lenkeigenfrequenz läßt sich für jedes
Fahrzeug experimentell ermitteln. Bei dieser Eigenfrequenz erreicht die Amplitude
der Ienkausschläge ihr Maximum.
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Zweckmäßigerweise wird die Lenkfrequenz der Fahrgeschwindigkeit proportional
verändert. Auf diese Weise erhält man bei jeder Fahrgeschwindigkeit eine optimale
Richtungestabilis ie rung.
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Um einem frühzeitigen Verschleiß-von Teilen der Lenkvorrichtung vorzubeugen,
ist es vorteilhaft, die Anregung von Lenkaussohlägen zur Riohtungestabilisierung
nur
im Bedarfsfall vorzunehmen. Da die äußeren Bedingungen, die
zu einer Störung der Fahrtrichtung führen können, in ihrer Richtung und Stärke einem
ständigen Wechsel unterliegen können, wird zur Erzielung einer optimalen Richtungsstabilisierung
auch die Amplitude der Lenkausschläge abhängig von der Größe der einwirkenden Störkräfte
eingestellt. Am einfachsten geschieht eine derartige Einstellung von Hand, sie ist
jedoch auch einer automatischen Steuerung zugänglich.
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Zur Durchführung des Stabilisierungsverfahrens finden zweckmäßigerweise
mechanische, elektrische, pneumatische oder hydraulische Hilfsaggregate als Schwingungserreger
Verwendung, deren Frequenz und Amplitude wählbar abhängig oder unabhängig von einander
steuerbar sind, um auf alle Arten bzw. Schwankungen von Störkräften optimal reagieren
zu können.
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Bei einem Straßenfahrzeug ist eine Vorrichtung zur Durchführung der
Richtngsstabilisierung zum Beispiel dadurch verwirklicht, daß ein mechanischer Schwingungserreger
vorgesehen ist, nämlich eine durch die MotorweLleangetriebene Nockenwelle, deren
Nocken in eine entsprechende Aufnahme des Ienkgestänges einschiebbar ist, welche
so gestaltet ist, daß der umlaufende Nocken eine Hin- und Herbewegung des Lenkgestänges
erzwingt. Eine derartige Stabilisierungsvorrichtung arbeitet wegen der Verbindung
mit der Motorwelle geschwindigkeitsproportional und ist wegen der Verschiebbarkeit
der Nockenwelle zu- und abschaltbar.
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- Patentansprüche -