-
-
Vorrichtung zum Ausgleich der Zentrifugalkräfte, die auf ein sich
bewegendes Fahrzeug in einer Kurve einwirken Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Ausgleich der Zentrifugalkräfte, die auf ein sich bewegendes vorzugsweise gleisloses
Fahrzeug in einer Kurve einwirken.
-
Zur Zeit werden die bei der Kurvenfahrt an Straßenfahrzeugen auftretenden
Zentrifugalkräfte im wesentlichen durch die Haftung der Luftreifen auf der Straße
ausgeglichen. Diese iIaftwirkung, die unter anderem erheblich vom Fahrzeuggewicht
beeinflußt wird, kann noch durch Niederhalterspoller oder, wie es die Firma Porsche
in
einem projekt Ohaparral verwirklicht hat, durch die Unterstützung einer Vorrichtung
vergrößert werden, welche das Fahrzeug durch Saugeinwirkungen auf die Straße oberfläche
drückt (sticking by sucking).
-
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung zu schaffen, mit
der die auf ein sich bewegendes Fahrzeug in einer Kurve einwirkenden Zentrifugalkräfte
ausgeglichen werden, um unter gleichzeitiger Verbesserung der i'ahrsicherheit die
Bahrgeschwindigkeit im Nurvenbereich zu erhöhen.
-
Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird in ihrer allgemeinsten i?orm dadurch
gelöst, daß die Zentrifugalkräfte mit hilfe von aerodynamisch wirkenden Ablenk-
oder Leitflächen unmittelbar ausgeglichen werden, die in den Fahrtwindstrom schwenkbar
sind, um eine Zentripetalkraft zu erzeugen, die von der Ablenkung des Wahrtwindstromes
durch die Leitflächen herrührt und der Zentrifugalkraft ausgleichend entgegenwirkt.
Die erfindungsgemäßen Leitflächen, deren Einsatz vorzugsweise bei Rennwagen und
lwtotorsportwagen erfolgt, erzeugen in bezug auf die Vorwärtsbewegung
des
Fahrzeuges keinen merklichen Bremseffekt. Die Anordnung und Form der Leitflächen
hängt von der Gestalt des Fahrzeuges, von dessen Schwerpunkt, der Straßenhaftung,
der Reifen usw. ab. Demgemäß können eine oder zu einem system vereinigte Leitflächen
an einem Fahrzeug verwendet werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Leitflächen
um eine Achse schwenkbar, die zur Fahrzeugebene geneigt angeordnet ist. Dadurch
wird beim Ausgleich der Zentrifugalkraft gleichzeitig ein lViederhalteeffekt erzielt,
was sich günstig auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges auswirkt.
-
Die in einer Kurve auf ein Fahrzeug einwirkenden Zentrifugalkräfte
werden von den Reibungskräften zwischen Reifen und Straße nur bis zu einem festgelegten
Grenzwert ausgeglichen. Oberhalb dieses Grenzwertes ist die Verwendung der erfindungsgemäßen
Leitflächen von erheblichem Vorteil, deren Wirksamkeit in der Erzeugung einer Zentripetalkraft
von der Größe liegt, die ein
sicheres Fortbewegen des Fahrzeuges
in der gewwlschten Richtung ermöglicht. Cm dies sicherzustellen, muß die Zentrifugalkraft
kleiner oder gleich der Summe aus der das Fahrzeug auf der Straße haltenden, von
den Reifen ausgehenden sowie gegen die Zentrifugalkraft wirkenden Reibungskraft,
wobei diese Kräfte normalerweise zur Fahrtrichtung senkrecht stehen, und der Zentripetalkraft
sein, die von den Leitflächen erzeugt wird.
-
Dabei ist die Reibungskraft das Produkt aus dem Reibungskoeffizienten
zwischen Reifen und Straße, einem nicht-linearen Faktor, der das Verhältnis von
Reibung zur Geschwindigkeit berücksichtigt, und dem momentanen Fahrzeuggewicht.
-
Bei der Verwirklichung der Erfindung muß selbstverständlich ein Sicherheitszuschlag
zu vorstehenden theoretischen Überlegungen erfolgen.
-
Die Vorteile der Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung
liegen in einer Vergrößerung der Geschwindigkeit, mit welcher ein Straßenfahrzeug
durch eine Kurve fahren kann, in einer besseren Leistungsfähigkeit des Fahrzeuges
durch geringere Abhängigkeit der Fahreigenschaften vom Zustand der Straße, vom Haftvermögen
der Reifen sowie vom Fahraeuggewicht und in einer verbesserten Steuer- und Manövrierfähigkeit
während des Rutschens oder bei Aquaplaning, wodurch sowohl die Sicherheit des Fahrzeuges
als auch seiner Insassen vergrößert wird.
-
Die einfachste Weise, die Wirkung der Leitflächen zu regeln, d. h.
deren Anstellwinkel zu verändern, ist eine mechanische Kupplung, welche über die
Lenkung gesteuert wird. Diese Regelung ist nicht die beste Verwirklichung des Grundgedankens
der Erfindung, da sie nicht in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit arbeitet
und das Fahrzeuggewicht außer Betracht läßt.
-
Jedoch schon der Ausgleich eines Teiles der Zentrifugalkräfte kann
das Fahrverhalten eines Fahrzeuges entscheidend verbessern. Geeigneter ist die Verwendung
einer
elektronischen Steuerung in Verbindung mit einer mechanischen und/oder hydraulischen
Verstelleinrichtung für die Leitflächen. Auf diese Weise kann ein voll automatisches
Steuersystem für die Leitflächen erhalten werden, welches ohne größere Veränderungen
an einem Fahrzeug in dasselbe eingebaut werden kann. Diese automatische Steuerung
kann erfindungsgemäß dadurch verwirklicht werden, daß gleichzeitig die augenblicklichen
Werte der Fahrzeuggeschwindigkeit v, der Fahrzeugabweichung von der Geradeausbewegung,
d. h. der Kurvenradlus R sowie die gesamte Fahrzeugmasse m bestimmt und diese Werte
in einen Rechner zur Ermittlung der Zentrifugalkraft Fcf gemäß folgender Formel
eingespeist werden: v2 Fcf = m . R.
-
Von diesem Wert der Zentrifugalkraft ist die Reibungskraft Ft abzuziehen,
welche das Fahrzeug mit Hilfe der Luftreifen auf der Straße hält. Der aus dieser
Subtraktion erhaltene Wert w=Fcf Ft
dient, sofern er positiv ist,
als Ausgangssignal des Rechners zur Einstellung der Leitflächen, um damit eine Zentripetalkraft
zu erzeugen, wobei der erhaltene Wert der Zentripetalkraft im Wege der Rückkoppelung
gleichfalls in den Rechner eingespeist wird.
-
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Steuereinrichtung werden die augenblicklichen
Werte der Zentrifugalbeschleunigung acf und der gesamten Fahrzeugmasse m in einen
Rechner eingespeist, der gemäß folgender Formel Fcf = acf . m die Zentrifugalkraft
Fcf errechnet, von der durch Abziehen der Reibungskräfte, wie es vorstehend beschrieben
wurde, ein Steuersignal w für die Leitflächen ermittelt wird.
-
Durch die Anordnung der Leitflächen an den Seiten des Fahrzeuges oder
auf dessen Oberseite kann die Erfindung sowohl in aerodynamischer Weise als auch
im Hinblick auf das Steuersystem für die Leitflächen den
jeweiligen
Gegebenheiten angepaßt werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden noch anhand der Zeichnungen
beschrieben.
-
In Fig. 1 ist das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Ausgleiches der
Zentrifugalkraft, die auf ein Fahrzeug während der Kurvenfahrt einwirkt, unter Zuhilfenahme
von Leitflächen am Beispiel eines eine Linkskurve durchfahrenden Fahrzeuges veranschaulicht,
das schematisch in Draufsicht dargestellt ist. Das Fahrzeug 2 bewegt sich in Richtung
des Pfeiles 3 durch die Linkskurve einer Straße 1. Während dieser Zeit wirken auf
das Fahrzeug 2 Zentrifugalkräfte in Richtung des Pfeiles 4 ein. An den Seiten des
Fahrzeuges sind um Gelenke 7a, 7b, 7c und 7d schwenkbar Leitflächen 8a und 8b sowie
9a und 9b angeordnet. Die Leitflächen 8a und 8b auf der rechten Seite des Fahrzeuges
sind ausgestellt, so daß sie dem in Richtung des Pfeiles 5 angreifenden Fahrtwind
einen Widerstand entgegensetzen, der in der Erzeugung einer Zentripetalkraft resultiert,
deren Wirkungseinrichtung durch die Pfeile 6a und 6b veran-
schaulicht
ist und die die Zentrifugalkraft so weit aufhebt, daß eine sichere Kurvenfahrt des
Fahrzeuges 2 gewährleistet ist.
-
In Fig. 2 ist schematisch in Seitenansicht ein Rennwagen 10 dargestellt,
an dem seitlich Leitflächen 12 und 13 angebracht sind.
-
Fig. 3 und 4 zeigen in schematischer Draufsicht bzw.
-
Seitenansicht einen Rennwagen 21, auf dessen Oberseite Leitflächen
22 bzw. 23 angeordnet sind, die um im wesentlichen zentrale Achsen 24a bzw. 24b
drehbar sind.
-
In Big. 5 ist in schematischer Frontansicht ein Fahrzeug 31 gezeigt,
das mit seitlich angeordneten Leitflächen 32 und 39 versehen ist, die gleichzeitig
und möglichst synchron sowohl um eine horizontale als auch um eine vertikale Achse
geschwenkt werden können, um neben dem Ausgleich der Zentrifugalkraft noch einen
zusätzlichen Niederhalteeffekt zu erzielen, d. h. eine Vergrößerung der Reibung
zwischen Fahrzeugreifen und
Straße zu erreichen. Das Fahrzeug 31
durchfährt eine rechtsgerichtete Kurve, so daß die an seiner linken Seite angeordnete
Leitfläche 32 (in Draufsicht der Fig. 5 die rechte Seite), um eine in Richtung des
Pfeiles 36 wirkende Zentripetalkraft zu erzeugen, die die in Richtung des Pfeiles
33wirkende Zentrifugalkraft ausgleicht, seitlich ausgestellt ist, wie es durch den
Pfeil 34 angedeutet ist. Die Leitfläche 32 ist am Gelenk 38a, das als Kardangelenk
ausgebildet sein kann, an der Fahrzeugseite angelenkt, so daß sie auch eine Ablenkung
um einen Winkel 35 von der vertikalen Drehachse erfahren kann. Durch das Ausstellen
der Leitfläche 32 um einen Winkel 35 zur Vertikalen wird vom Fahrtwind eine Kraft
in Richtung des Pfeiles 37 erzeugt, deren Resultierende das Fahrzeug 31 zur besseren
Reifenhaftung gegen die Oberfläche der Straße drückt. Die auf der rechten Seite
des Fahrzeuges angeordnete und nicht ausgestellte Leitfläche ist mit 39 bezeichnet.
Das zugehörige Kardangelenk mit 38b.
-
In Fig. 6 ist wie in Fig. 5 ein Fahrzeug 41 in schema-
tischer
Frontansicht gezeigt, das eine Rechtskurve durchfährt. Dieses Fahrzeug unterscheidet
sich von demäenigen nach Fig. 5 dadurch, daß die Schwenkachse der Leitflächen 42
und 48 in einem festen Winkel 45 zur Senkrechten steht.
-
Auch hierbei wird wieder neben einem Ausgleich der Zentrifugalkraft
43 eine Kraft erzeugt,, welche das Fahrzeug gegen die Straße preßt. Die hier verwendeten
Bezugszeichen stimmen mit denåenigen der Fig. 5 in bezug auf die Endziffern überein,
jedoch wurden die nicht ausgestellte Leitfläche auf der rechten Fahrzeugseite mit
48 bezeichnet und die Gelenke der Leitflächen mit 49a, 49b, 49c und 49d.
-
In Fig. 7, die im wesentlichen der Fig. 1 entspricht, sind die Wirkungsrichtungen
der Kräfte angegeben, die auf ein Fahrzeug 52 während der Kurvenfahrt einwirken.
Es sind dies die Zentrifugalkraft 54 und die Zentripetalkräfte 56a und 56b, die
von den ausgestellten Leitflächen 55a und 55b erzeugt werden, sowie die zwischen
Reifen und Straße herrschenden Reibungskräfte 57aus 57b, 57c und 57d. Um bei jeder
Geschwindigkeit ein sicheres Kur-
venfahren zu ermöglichen, muß
die Zentrifugalkraft zu jedem Zeitpunkt kleiner oder höchstens gleich sein der Summe
aus den Reibungskräften und der Zentripetalkraft gemäß folgender Formel: Fcf # Ft
+ Fcp, in der F cp die Zentrifugalkraft, Ft die Reibungskraft, welche das Fahrzeug
durch die Haftung der Reifen auf der Straße hält und F cp die Zentripetalkraft bedeuten.
-
In Fig. 8 ist ein Blockschaltbild zur Steuerung der Leitflächen wiedergegeben.
-
Mit einem Sensor 101 wird zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales
v2 die Fahrzeuggeschwindigkeit v in bezug auf die Straße ermittelt. Ein Sensor 102
bestimmt den Radius R der vom Fahrzeug durchfahrenen Kurve und erzeugt ein elektrisches
Ausgangssignal R2. Bin weiterer Sensor 103 liefert ein sich änderndes elektrisches
Ausgangssignal a G2, welches die variablen Größen
des FahrzeuggewichtesA
G, es sind dies insbesondere die Kraftstoffmenge, berücksichtigt. Aus einem Speicher
107 wird ein Ausgangssignal G1 erhalten, das der Größe des konstanten Fahrzeuggewichtes,
nämlich des Fahrzeugleergewichtes G entspricht. In einer Additionseinheit 104 wird
aus den Größen G2 und G1 ein dem tatsächlichen Gesamtgewicht des Fahrzeuges entsprechendes
Signal G2 erzeugt. Das Signal G2 wird zusammen mit einem Signal g1 das von einem
Speicher 108 geliefert wird und der örtlichen Gravitationskonstante g entspricht,
in eine Recheneinheit 110 eingespeist, um gemäß folgender Formal
ein Ausgangssignal m zu erzeugen, das der gesamten Fahrzeugmasse entspricht. Das
Signal m wird zusammen mit den Signalen R2 und v2 in einen Rechner 112 eingespeist,
um gemäß folgender Formel
ein der Zentrifugalkraft entsprechendes Signal Fcf zu erzeugen.
Das Signal v2 wird weiterhin in einen nichtlinearen Wandler 111 eingegeben, der
ein Ausgangssignal n liefert, dessen Wert der nicht-linearen Reibung in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht. In einen anderen Rechner 113 wird weiterhin
das Signal G2 eingespeist und ein aus einem Speicher 109 kommendes Signal f1, welches
dem Reibungskoeffizienten f zwischen Straße und Reifen entspricht. Im Rechner 113
wird nach folgender Formel n . f1 . G2=Ft ein Ausgangssignal Ft erzeugt, dessen
Wert der Reibungskraft entspricht, welche das Fahrzeug aufgrund der Reibung der
Reifen in der nomentanen Fahrtrichtung auf der Straße hält. Die aus den Rechnern
112 bzw. 113 stammenden Signale Fcf bzw. Ft werden in einen weiteren Rechner 105
eingespeist, um ein Signal d zu erzeugen, dessen Wert der Differenz der Signale
Fcf und Ft entspricht. Das Signal d gelangt in eine Torschaltung 114, in welcher
es als positiver Wert ein Ausgangssignal w erzeugt, während
ein
negatives Signal d in der Torschaltung 114 unterdrückt wird. Das Signal w wird,
nachdem es eine weitere Additions-Subtraktions-Einheit 106 durchlaufen hat, als
Signal e in einen Regler 115 eingespeist, welcher die Auslenkung der Leitfläche
117 steuert.
-
Die von der Leitfläche 117 erzeugte Zentripetalkraft wird mit Hilfe
eines Detektors 118 ermittelt, um ein Fückkoppelungssignal x zu erzeugen, das zusammen
mit dem Signal w in die Additions-Subtraktions-Einheit- 106 eingespeist wird, um
Schwingungen im die Leitfläche 117 steuernden System zu unterbinden.
-
In Fig. 9 ist ein weiteres Blockschaltbild einer Steuereinrichtung
für die Leitflächen dargestellt, die sich von derjenigen unter Bezugnahme auf Fig.
8 beschriebenen im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß mit einem Sensor 201
die Zentrifugalbeschleunigung acf des Fahrzeuges zur Erzeugung eines Ausgangssignales
a2 anstatt der Fahrzeuggeschwindigkeit und des lNurvenradius' ermittelt wird.
-
Ein anderer Sensor 202 liefert ein sich änderndes elektrisches Ausgangssignal
\ G2, welches die variablen Größen des Fahrzeuggewichtes d G, es sind dies insbesondere
die Kraftstoffmenge berücksichtigt. Aus einem Speicher 205 wird ein Ausgangssignal
G1 erhalten, das der Größe des konstanten Fahrzeuggewichtes, nämlich des Fahrzeugleergewichtes
G, entspricht. In einer Additionseinheit 203 wird aus den Größen n G2 und G1 ein
dem tatsächlichen Gesamtgewicht des Fahrzeuges entsprechendes Signal G2 erzeugt.
Das Signal G2 wird zusammen mit einem Signal g1 das von einem Speicher 206 geliefert
wird und der örtlichen Gravitationskonstante g entspricht, in eine Recheneinheit
208 eingespeist, um gemäß folgender Formel G2 = m g1 ein Ausgangssignal m zu erzeugen,
das der gesamten Fahr zeugmasse entspricht. Das Signal m wird zusammen mit dem Signal
a1in einen Rechner 209 eingespeist, um gemäß fol-
gender Formel
a2 . m = Fcf ein der Zentrifugalkraft entsprechendes Signal Fcf zu erzeugen.
-
Das Signal G2 wird außerdem noch in einen Rechner 210 eingespeist,
der ein weiteres aus einem Speicher 207 kommendes Signal f1 empfängt, das dem Reibungskoeffizienten
f zwischen Straße und Reifen entspricht. Im Rechner 210 wird nach folgender Formel
f1 G2 = Ft ein Ausgangssignal Ft erzeugt, dessen Wert der Reibungskraft entspricht,
welche das Fahrzeug aufgrund der Reibung der Reifen in der momentanen Fahrtrichtung
auf der Straße hält. Die aus den Rechnern 209 und 210 stammenden Signale Fcf bzw.
Ft werden in einen weiteren Rechner 204 eingespeist, um ein Signal d zu erzeugen,
dessen Wert
der Differenz der Signale Fcf und Ft entspricht und
das in eine Torschaltung 114 eingeleitet wird. Die Torschaltung 114 und der ihr
nachgeschaltete Regelkreis entspricht in Aufbau und Wirkwweise demjenigen, der unter
Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben wurde.
-
- Patentansprüche -