Mensch und Fahrzeug
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Ernst Fiala
Mensch und Fahrzeug
Aus dem Programm
Kraftfahrzeugtechnik
Handbuch Verbrennungsmotor
herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer
Lexikon Motorentechnik
herausgegeben von R. van Basshuysen und F. Schäfer
Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik herausgegeben von H.-H. Braess und U. Seiffert
Bremsenhandbuch
herausgegeben von B. Breuer und K. H. Bill
Verbrennungsmotoren von E. Köhler
Fahrsicherheit von F. Kramer
Automotive Software Engineering von J. Schäuffele und T. Zurawka
Motorradtechnik von J. Stoffregen
Nutzfahrzeugtechnik herausgegeben von E. Hoepke
Motorkolben von S. Zima
Die BOSCH-Fachbuchreihe
•Ottomotor-Management
•Dieselmotor-Management
•Autoelektrik/Autoelektronik
•Sicherheitsund Komfortsysteme
•Fachwörterbuch Kraftfahrzeugtechnik
•Kraftfahrtechnisches Taschenbuch herausgegeben von ROBERT BOSCH GmbH
vieweg
Ernst Fiala
Mensch
und Fahrzeug
Fahrzeugführung und sanfte Technik
Mit 304 Abbildungen
ATZ/MTZ-Fachbuch
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage Mai 2006
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006
Lektorat: Ewald Schmitt
Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. www.vieweg.de
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff, Wiesbaden
Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN-10 3-8348-0016-3
ISBN-13 978-3-8348-0016-9
V
Vorwort
Der Verkehr, der Transport von Menschen und Gütern, steht in engem Zusammenhang mit der stetig zunehmenden Wirtschaftsleistung der Menschheit. Wir legen heute im globalen Durchschnitt 3000 km pro Kopf und Jahr zurück und pro Kopf werden 1500 Tonnenkilometer befördert. Für die nächsten 50 Jahre ist mit einer Steigerung von etwa 3 % pro Jahr zu rechnen, also mit einer Vervierfachung.
Der Straßenverkehr macht den größten Teil des Transportvolumens aus. In Westeuropa werden über 90 % der Personenkilometer und über 70 % der Tonnenkilometer auf der Straße befördert. Und gerade dort ist der Kontakt zwischen Mensch und Fahrzeug am größten. Nirgendwo sonst kommt ein so großer Anteil der Bevölkerung mit einem technischen Produkt in eine so intensive Wechselwirkung. Das verantwortliche Führen eines Fahrzeugs ist eine Herausforderung, der sich fast alle Menschen stellen.
Der Verkehr ist infolge der in ihm gespeicherten kinetischen Energie eine potentielle Gefahr. Er beansprucht einen immer größer werdenden Anteil des globalen Energieumsatzes und seine Emissionen werden oft an Stellen freigesetzt, welche die höchste Konzentration von Menschen aufweisen. In den wirtschaftlich entwickelten Ländern sind 15 % der Menschen in Berufen beschäftigt, die Voraussetzung für den Verkehr schaffen. Und fast alle Menschen sind im Verkehr tätig: als Fußgänger, Zweiradfahrer, am Steuer eines PKWs, Busses, LKWs oder Traktors.
Die aktuelle Herausforderung an Politik und Wirtschaft ist die steigende Zahl von Arbeitslosen. Vor 30 Jahren hat uns das Wirtschaftswachstum geängstigt, die angeblich drohende Erschöpfung der Ressourcen und Vergiftung der Umwelt. Wir haben darauf mit der Idee der Nachhaltigkeit reagiert. Aber es macht keinen Sinn, Ressourcen zu schonen, die im Überfluss vorhanden sind. Wir drohen an der vollen Schüssel zu verhungern, benutzen Nachhaltigkeit als Vorwand vor notwendiger Aktivität. – Wir berufen uns auf die Kardinaltugend „Mäßigung“, interpretieren sie als Maßhalten im Wirtschaftswachstum. Aber wir müssen auch im Maßhalten Maß halten: übertriebene Sparsamkeit ist Geiz. Es gibt offenbar ein richtiges Maß für Wirtschaftswachstum. Das mag mit der wirtschaftlichen Entwicklung abnehmen, aber es muss größer als Null sein, solange die Effizienz der Arbeit schneller steigt als die Arbeitszeit sinkt. Wie weit die Arbeitszeit sinken kann wird von der Wettbewerbsfähigkeit bestimmt. Denn der Erfolg im Wettbewerb ist unabdingbare Voraussetzung für das Wirtschaftswachstum einer Gruppe. Und das Wachstum der Wirtschaft ist Voraussetzung für neue Arbeitsplätze in der betreffenden Gruppe.
Mäßigung ist auch bezüglich der Veränderung der Umwelt notwendig. Unsere Aktivitäten, unser Dasein, verändert die Welt. Das Tempo dieser Veränderung wird davon bestimmt, welchen Teil der Welt wir anderen biologischen Arten überlassen wollen. – Umweltschutz kostet Geld, Arbeitsaufwand, Verlust an Wettbewerbsfähigkeit. Bevölkerungsgruppen können ihre nationale Umwelt vernachlässigen und damit einen Wettbewerbsvorteil erringen. Inwiefern das zulässig ist, können nur internationale Handelsverträge bestimmen. Globale Umweltprobleme (z. B. die Veränderung des CO2-Pegels) müssen global angegangen werden, um Wettbewerbsverzerrungen auszuschließen.
Dieses Buch macht es sich zur Aufgabe, das Zusammenwirken von Mensch und Fahrzeug zu untersuchen. Die Wechselwirkungen werden als das Zusammenspiel des Reglers Mensch mit
VI |
Vorwort |
der Regelstrecke Fahrzeug gesehen. Es werden die Fähigkeiten des Menschen zum Führen eines Fahrzeugs untersucht (ο 1. Kapitel) und die Eigenschaften des Fahrzeugs, die auf diese hin zu entwickeln sind (ο 2. und 3. Kapitel). Es wird nach der Erträglichkeit mechanischer Schwingungen gefragt, die aus der Bewegung des Fahrzeugs folgen (ο 4. Kapitel), und nach der Erträglichkeit von Belastungen in einem Unfall (ο 5. Kapitel). Mensch und Fahrzeug sind in das Wirtschaftsgeschehen eingebunden als Werkzeug und Arbeitgeber, als Wirtschaftsfaktor, der Arbeit und Wohlstand schafft (ο 6. Kapitel). Wie plant man das Produkt Auto, wie macht man es zu einem wirtschaftlichen Erfolg? (ο 7. Kapitel). Auch die Belastung der Umwelt durch den Verkehr und sein Energiebedarf werden im 2. Kapitel untersucht.
Wie immer ist das Schreiben für den Autor ein Vergnügen: er stellt die Zusammenhänge für andere da und beginnt dabei sie selbst zu verstehen. Die Umgebung des Autors leidet aber an seiner Zurückgezogenheit. Deshalb gilt mein Dank zunächst meiner Familie, die die geistige Abwesenheit hingenommen hat. Dann meinen Hörern an der TU-Wien, die an vielen Stellen auf Deutlichkeit gedrungen haben. Nicht zuletzt den Redakteuren des Vieweg Verlags, den Herren Ewald Schmitt, Reinhard Dapper, Andreas Meißner und Hartmut Kühn-von Burgsdorff, die mit Geduld und hilfreicher Aufmerksamkeit das Werk begleitet haben.
Die Bildquellen wurden sorgfältig recherchiert. Soweit mit der Verwendung einverstandene Inhaber gefunden weden konnten, wird ihnen herzlich gedankt. Sofern die Inhaber nicht auffindbar waren, werden sie gebeten sich nötigenfalls mit dem Autor in Verbindung zu setzen.
Wien, April 2006 |
Ernst Fiala |
VII
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ........................................................................................................................... |
|
|
1 |
|
Das Fahrzeug in Zeit und Raum..................................................................................... |
1 |
|||
1 Mensch als Regler – Human Operator ...................................................................... |
9 |
|||
1.1 |
Human Operator.................................................................................................... |
10 |
||
1.2 |
Experimente zur Erforschung des Human Operators............................................ |
16 |
||
|
1.2.1 |
Seitliche Störkraft....................................................................................... |
17 |
|
|
1.2.2 |
Fahrsimulatoren.......................................................................................... |
17 |
|
|
1.2.3 |
Folgeaufgaben............................................................................................ |
20 |
|
1.3 |
Signalflussbilder.................................................................................................... |
21 |
||
1.4 |
Fahrhilfen .............................................................................................................. |
|
22 |
|
|
1.4.1 |
Automatische Fahrzeugführung................................................................. |
25 |
|
1.5 |
Assistenzsysteme................................................................................................... |
29 |
||
|
1.5.1 |
Funktionsverknüpfung ............................................................................... |
30 |
|
|
1.5.2 |
Fahrer-Assistenzsysteme............................................................................ |
30 |
|
|
|
1.5.2.1 Assistenzsysteme mit Warnung oder Hinweis für den Fahrer...... |
32 |
|
|
|
1.5.2.2 Assistenzsysteme mit Eingriff ins Fahrzeug................................. |
32 |
|
|
1.5.3 |
Automatische Fahrzeugführung................................................................. |
37 |
|
|
1.5.4 |
Zusammenfassung...................................................................................... |
37 |
|
2 Fahrzeugführung längs ............................................................................................... |
39 |
|||
2.1 |
Folgen |
.................................................................................................................... |
|
39 |
2.2 |
Anhalten ................................................................................................................ |
|
43 |
|
2.3 |
Fortpflanzung einer Störung.................................................................................. |
44 |
||
2.4 |
Fahrspurkapazität .................................................................................................. |
45 |
||
2.5 |
Fahrwiderstand, Verbrauch, Leistungsbedarf, Getriebe........................................ |
47 |
||
2.6 |
Antriebsmotor........................................................................................................ |
|
53 |
|
2.7 |
Verbrauchsverbesserung ....................................................................................... |
62 |
||
|
2.7.1 |
Angepasste Steigung .................................................................................. |
62 |
|
|
2.7.2 |
Intermittierendes Beschleunigen................................................................ |
62 |
|
|
|
2.7.2.1 |
Schwungnutzautomatik (SNA 1).................................................. |
63 |
|
2.7.3 |
Hybrid-Antrieb........................................................................................... |
65 |
|
|
|
2.7.3.1 |
Serien-Hybrid ............................................................................... |
66 |
|
|
2.7.3.2 |
Verzweigungs-Hybrid .................................................................. |
81 |
3 Lenken – Fahrzeugführung quer ............................................................................... |
97 |
|||
3.1 |
Lenken................................................................................................................... |
|
98 |
|
3.2 |
Reales Fahrzeug, Fahrdynamik ............................................................................. |
101 |
||
3.3 |
Reifen und Lenkmoment ....................................................................................... |
117 |
||
3.3 |
Stationäres Fahren ................................................................................................. |
123 |
||
3.4 |
Einfluss der Luftkräfte........................................................................................... |
132 |
||
VIII |
|
|
Inhaltsverzeichnis |
|
|
3.5 |
Allradlenkung........................................................................................................ |
134 |
|
|
3.6 |
Kraftkorrigierte Lenkgeometrie............................................................................. |
138 |
|
|
3.7 |
Straße |
..................................................................................................................... |
139 |
4 |
Fahrzeugführung vertikal, Federung ........................................................................ |
145 |
||
|
4.1 |
Fahrzeuge ohne Federung – Ochsenkarren ........................................................... |
147 |
|
|
4.2 |
Ideale Federung –Transrapid................................................................................. |
148 |
|
|
4.3 |
Erträglichkeit ..........................mechanischer Schwingungen, Federungskomfort |
149 |
|
|
4.4 |
2-Masse ....................................................................................Federungsmodell |
150 |
|
|
4.5 |
Verbesserungsmöglichkeiten................................................................................. |
155 |
|
|
4.6 |
Nichtlinearitäten .................................................................................................... |
158 |
|
|
|
4.6.1 .................................................................................... |
Nichtlineare Federn |
158 |
|
|
4.6.2 ................................................................................. |
Nichtlineare Dämpfer |
158 |
|
4.7 |
Mehrachsigkeit ......................................................................und Mehrspurigkeit |
159 |
|
|
4.8 |
Ausgleichsfederung ............................................................................................... |
160 |
|
5 |
Sicherheit ...................................................................................................................... |
|
161 |
|
|
5.1 |
Rückhalteeinrichtungen ...........................................................(restraint systems) |
163 |
|
|
5.2 |
Fußgänger ..................................................................- und Zweiradfahrer-Schutz |
165 |
|
|
5.3 |
Biomechanik.......................................................................................................... |
166 |
|
|
5.4 |
Experimentelle ....................................................................Sicherheitsforschung |
167 |
|
|
5.5 |
Maßnahmen ...............................................zur Erhöhung der Verkehrssicherheit |
168 |
|
|
5.6 |
Kompatibilität........................................................................................................ |
173 |
|
6 |
Wirtschaft, .....................................................................................Verkehr, Umwelt |
177 |
||
|
6.1 |
Bruttoinlandsprodukt ...................................................................................(BIP) |
180 |
|
|
6.2 |
Ressourcen............................................................................................................. |
186 |
|
|
6.3 |
Emissionen ..............................................................................und Umweltschutz |
195 |
|
|
6.4 |
Flächenbedarf ........................................................................................................ |
200 |
|
|
6.5 |
Minutenmaut, ...........................................................Marktwirtschaft im Verkehr |
202 |
|
7 |
Produktplanung ...............................................................und Unternehmenserfolg |
209 |
||
|
7.1 |
Produktplanung .............................................................und Ertragsmaximierung |
210 |
|
|
7.2 |
Kundenwert ........................................................................................................... |
212 |
|
|
7.3 |
Ansprüche ..............................................................................................ans Auto |
217 |
|
|
|
7.3.1 ............................................................................................. |
Abmessungen |
217 |
|
|
7.3.2 ............................................................................................ |
Fahrleistungen |
218 |
|
|
7.3.3 .................................................................................................... |
Sicherheit |
219 |
|
|
7.3.4 ........................................................................................................ |
Design |
219 |
|
|
7.3.5 ............................................................................. |
Befriedigung aller Sinne |
224 |
|
|
7.3.6 ....................................................................................................... |
Qualität |
227 |
|
7.4 |
Evolution ..........................................................................................der Bauform |
228 |
|
|
|
7.4.1 ........................................................................................ |
Standardbauform |
229 |
|
|
7.4.2 .................................................................................................. |
Frontblock |
231 |
|
|
7.4.3 ................................................................................................... |
Heckblock |
232 |
|
|
7.4.4 ........................................................................................................ |
Exoten |
233 |
Inhaltsverzeichnis |
IX |
||
|
7.4.5 |
Retro........................................................................................................... |
234 |
7.5 |
Sanfte Technik....................................................................................................... |
235 |
|
8 Anhang ......................................................................................................................... |
|
239 |
|
8.1 |
Eine kurze Geschichte der Fahrzeugführung ........................................................ |
239 |
|
|
8.1.1 |
Fahrrad ....................................................................................................... |
239 |
|
8.1.2 Auto (siehe Tabellen T8-2 und T8-4) ........................................................ |
239 |
|
|
8.1.3 |
Richtungsstabilität...................................................................................... |
242 |
8.2 |
Festigkeit, Steifigkeit, Material ............................................................................. |
243 |
|
|
8.2.1 |
Selbsttragende Karosserie .......................................................................... |
245 |
|
8.2.2 |
Leichtbau.................................................................................................... |
247 |
8.3 |
Geregelte Federung ............................................................................................... |
248 |
|
8.4 |
Kettenloses Fahrrad (Kurbelantrieb) ..................................................................... |
251 |
|
8.5 |
Entwicklungshilfe, Ethik und Wirtschaft .............................................................. |
252 |
|
8.6 |
Akustikbahn – minimaler Fahrwiderstand ............................................................ |
258 |
|
T8-1:Zeittafel Fahrradentwicklung ................................................................................ |
265 |
||
T8-2:Zeittafel Fahrzeugentwicklung von Daimler und Benz......................................... |
266 |
||
T8-3:Zeittafel Fahrzeugentwicklung und Erfinder......................................................... |
267 |
||
T8-4:Zeittafel Illustrierte Fahrzeugentwicklung ............................................................ |
268 |
||
Historische Bilder ............................................................................................................... |
271 |
||
Sachwortverzeichnis ......................................................................................................... |
289 |
||
1
Einleitung
Das Fahrzeug in Zeit und Raum
Bild 0-1 Geschichte der Erfindungen.
Die Menschen sind seit jeher auf Mobilität angewiesen. Bis vor 10 000 Jahren musste in der aneignenden Wirtschaftsform dem Angebot von Nahrung (Früchte, Wild) und den Klimaveränderungen nachgezogen werden. In den Megalithkulturen und den Hochkulturen am Euphrat, Nil und Jang-tse waren riesige Lasten zu schleppen, was die Erfindungen von Hebel und Rolle zu Rad und Wagen vorangetrieben hat. Der Wunsch nach raschem Transport hat dann zu Reitund Zugtieren, zum Bau leichterer Wagen (Speichenrad) geführt.
Eine neue Dimension kam in die Entwicklung durch die Kraftmaschine: Dampfkraft (1825), elektrischer Strom (1859 mit Bleibatterie) und Verbrennungsmotor (1886). Weniger beachtet als Fortschritte an Motor und Getriebe, aber für den Erfolg des Kraftfahrzeugs aber genau so wichtig, hat sich die Fahrbarkeit (Fahrstabilität und Lenkung) entwickelt. Der wohl schon den Kelten bekannte aber erst im 13. Jahrhundert endgültig angewandte Drehschemel ist zwar für den von Zugtieren gezogenen Wagen, die ihn an der langen Deichsel steuern können, ausreichend, nicht aber für das von Hand gesteuerte Fahrzeug. Unebenheiten und kleine Hindernisse auf der Fahrbahn führen zu unbeherrschbaren Lenkmomenten. Die Straßendampffahrzeuge hatten daher vorwiegend ein einzelnes lenkbares Vorderrad und auch Carl Benz hat sich daran gehalten. Allerdings noch ohne Nachlauf, was zunächst bezüglich Fahrbarkeit offenbar Schwierigkeiten gemacht hat. Aber in fünf Jahren war mit dem Mercedes von Daimler/Maybach ein modernes Fahrzeug entstanden mit Achsschenkellenkung und Lenkrad.