Broschüre zur Fahrphysik - BMW Group

Informationen der
BMW Group
2006
Fahrphysik.
Moderne Technik unterstützt den Fahrer im Straßenverkehr.
Aber auch noch so ausgefeilte stabilisierende Regelsysteme
nehmen dem Fahrer seine Verantwortung
nicht ab, denn Fahrer und Fahrzeug bilden eine Einheit.
Physikalische Gesetze, denen das Auto gehorcht, sollte
jeder Autofahrer kennen und unter Anleitung selbst
„erfahren“. Das Fahrer-Training der BMW Group bietet
hierfür vom „Anfänger bis zum Könner“ geeignete Trainings.
1
BMW Group

Fliehkraft
Seitenführungskräfte
DSC hilft bei Unter- und
Übersteuern
Vier nur etwa handtellergroße Flächen machen Autofahren
erst möglich: die Aufstandsflächen der Reifen
auf der Fahrbahn, der so genannte Latsch. Diese
Flächen übertragen die fahrdynamischen Kräfte des
Automobils auf die Straße. Im Wesentlichen sind
diese Kräfte die Umfangskräfte, die beim Bremsen
und Beschleunigen in Längsrichtung wirken und die
Seitenführungskräfte, die in Querrichtung bei Kurvenfahrten
auftreten.
Kraftübertragung Fahrzeug – Straße.
Übertragen werden diese Kräfte durch die Reibung
der Reifen auf der Fahrbahn. Im normalen Betrieb
findet die Kraftübertragung durch Haftreibung statt,
wenn sich Reifen und Straße miteinander verzahnen.
Werden jedoch die fahrdynamischen Kräfte zu groß,
gerät der Reifen aus der Haftreibung in die Gleitreibung
– das Fahrzeug beginnt zu rutschen.
Wann die Haftreibung in die Gleitreibung übergeht,
hängt vom so genannten Reibbeiwert ab. Dieser ist
beispielsweise bei trockenem Asphalt zehnmal so
groß wie auf Eis. Die Seitenführung auf Eis beträgt
folglich nur ein Zehntel derjenigen auf Asphalt, der
Bremsweg ist zehnmal länger. Der Reibbeiwert hängt
dabei nicht nur von der Straßenoberfläche ab, sondern
auch von der Bauart, der Zusammensetzung
und dem Zustand des Reifens.
Schlupf.
In der Realität tritt nie nur zu 100% Haft- oder Gleitreibung
auf. Daher spielt das jeweilige Verhältnis zwischen
Rad- und Fahrzeuggeschwindigkeit, der so genannte
Schlupf, in der Fahrpraxis eine wichtige Rolle.
Bei hohem Antriebsschlupf neigen die Räder zum
Durchdrehen, bei großem Bremsschlupf hingegen
zum Blockieren. Versuche haben gezeigt, dass beim
Bremsen – in Abhängigkeit von der Fahrbahnoberfläche
– ein bis zu zwanzigprozentiger Schlupf ideal sein
kann, um Bremskräfte optimal umzusetzen.
Dieser Idealwert wird auf trockener Fahrbahn beim
Bremsen dann erreicht, wenn die Reifen bereits
quietschen, aber noch nicht blockieren. Das Anti-
Blockier-System (ABS) unterstützt den Fahrer, diesen
sonst schwer zu erreichenden Idealzustand für jedes
Rad individuell zu erreichen.
Untersteuern
Übersteuern
Dynamische Gewichtsverlagerung und Fliehkraft.
Jede bewegte Masse besitzt eine Bewegungsenergie,
die an eine Richtung gebunden ist. Beim Bremsen
oder Beschleunigen bewirkt die Trägheit der
Fahrzeugmasse eine Gewichtsverlagerung – beim
Bremsen auf die Vorderachse, beim Beschleunigen
auf die Hinterachse.
Bei der Kurvenfahrt tritt durch die Querbeschleunigung
eine Fliehkraft auf, die das Fahrzeug nach
außen drängt. Solange das Seitenführungspotenzial
der Räder größer ist als die Fliehkraft, ist die Kurvenfahrt
problemlos. Wird die Fliehkraft jedoch stärker als
die Seitenführung oder der Kurvenradius durch die
Lenkvorgabe deutlich verringert, kann das Fahrzeug,
und somit die Vorderräder, nicht mehr der Vorgabe
des eingestellten Lenkwinkels folgen. Das Fahrzeug
fährt einen größeren Radius, folgt also nicht mehr der
Lenkvorgabe. Schiebt es dann über die Vorderräder
nach außen, spricht man davon, dass es untersteuert.
Beim Übersteuern hingegen reißt die Haftung nur an
den Hinterrädern ab, das Heck „bricht aus“, und das
Auto gerät ins Schleudern.
Gegen Unter- wie Übersteuern hilft, innerhalb der
physikalischen Grenzen, die dynamische Stabilitätskontrolle
(DSC). Sie stabilisiert durch gezielte Eingriffe
in das Motoren- und vor allem das Bremsenmanagement
das Fahrzeug. Das Ergebnis ist vergleichbar mit
der Steuerungsweise eines Schlittens: Gezielte
Bremseingriffe auf nur einer Seite beeinflussen die
Fahrtrichtung.
Die physikalischen Freiheitsgrade eines Automobils.
Wie alle Festkörper kann sich ein Automobil in sechs
Freiheitsgraden bewegen. Dabei wird zwischen der
so genannten Translation, der Längsbewegung entlang
einer Achse, und der Rotation, eine Drehbewegung
rund um eine Achse, unterschieden.
Translatorische Bewegung (Längsbewegung):
• vorwärts – rückwärts (entlang der Längsachse)
• rechts – links (entlang der Querachse)
• hoch – tief (entlang der Hochachse)
Rotatorische Bewegung (Drehbewegung):
• um die Längsachse (wanken, rollen: das Fahrzeug
federt bei Kurvenfahrt auf einer Seite stärker)
• um die Querachse (nicken: das Fahrzeug federt
vorne stark ein, z.B. bei einer Vollbremsung)
• um die Hochachse (gieren: das Fahrzeug fährt eine
Kurve)
Stabilisierende Bremseingriffe (DSC)
Motormomentenregelung
2

in %
100
Pedalkraft
Bremswirkung
30
0
Trainierter
Fahrer
Normalfahrer
mit DBC
Fahrwerk BMW 3er Reihe
Bremsen: BMW war Pionier mit Anti-Blockier-
System im Jahr 1979.
Beim Bremsen spielt die BMW Group einmal mehr
eine Vorreiterrolle: Bereits im Jahr 1979 hat das
Unternehmen mit dem 745i das erste serienmäßig
mit elektronischem Anti-Blockier-System (ABS) ausgestattete
Fahrzeug auf den Markt gebracht. Heute ist
das Elektronische Bremsenmanagement (EBM) nicht
nur für stets höhere Bremsleistungen, sondern im
Rahmen der Dynamischen Stabilitätskontrolle (DSC)
auch für die Einhaltung der Fahrstabilität zuständig.
Dynamische Stabilitätskontrolle (DSC).
DSC verhindert durch gezielte Eingriffe an Motor und
Bremsen das Über- und Untersteuern.
Das Fahrstabilitätssystem DSC besteht aus verschiedenen
Modulen, vom bewährten ABS über die Traktionskontrolle
DTC bis zur Bremskontrolle in Kurven
(CBC). Alle Module greifen bei Bedarf am Motor und
an den Bremsen ein. Die wichtigsten Module der DSC
sind:
Anti-Blockier-System (ABS).
Das kontinuierlich weiterentwickelte Anti-Blockier-
System (ABS) sorgt für Stabilität und Lenkbarkeit des
Fahrzeugs beim Bremsen, indem es das Blockieren
der Räder beim Bremsen verhindert. Selbst bei
schwierigen und unterschiedlichen Straßenverhältnissen
bleibt die Lenkbarkeit des Autos erhalten. Bei
richtigem Einsatz (Bremspedal voll treten, nicht nachlassen)
ist der Bremsweg optimal kurz.
Automatische Stabilitätskontrolle (ASC).
Die in das DSC integrierte Automatic Stability Control
(ASC) hält den Antriebsschlupf im optimalen Bereich.
ASC regelt durch Eingriffe am Motor und an den
Bremsen der einzelnen Räder die Beschleunigung so,
dass beim Gasgeben kein Rad übermäßig durchdreht.
Dynamische Traktionskontrolle (DTC).
Eine spezielle Unterfunktion der DSC ist die Dynamische
Traktionskontrolle (DTC). Sie kann vom Fahrer
aktiviert werden, wenn er auf lockerem Untergrund mit
hohem Antriebsschlupfbedarf wie Schotter, Schnee
o.ä. unterwegs ist. Sogar auf hohem Reibwert kann
für den geübten Fahrer bei sportlicher Fahrweise eine
höhere Agilität erzielt werden. Mit DTC erhält der maximale
Vortrieb Priorität, die Regelschwellen der DSC
werden entsprechend angehoben, so dass die kontrolliert
durchdrehenden Räder für den benötigten hohen
Antriebsschlupf sorgen.
Dynamische Bremskontrolle (DBC).
Weniger trainierte Fahrer nutzen meist die maximale
ABS-Bremswirkung nicht, weil sie das Pedal nicht
stark genug durchtreten oder beim ABS-typischen
Pulsieren wieder nachlassen. Hier unterstützt die
Dynamische Bremskontrolle DBC, indem sie Notsituationen
anhand der dafür typischen schnellen Pedalbetätigungen
erkennt und bereits bei einem Pedaldruck
von nur 30% die maximal mögliche Bremswirkung
erzielt.
Bremskontrolle in Kurven (CBC).
Die Cornering Brake Control (CBC), eine erweiterte
ABS-Funktion, wurde speziell zum Bremsen in Kurven
entwickelt. Das System reduziert den Bremsdruck an
den kurveninneren Rädern. Die Seitenführung wird
damit erhalten, das Fahrzeug gerät – im Rahmen der
physikalischen Grenzen – nicht ins Rutschen.
Elektronische Bremskraftverteilung (EBV).
Diese Option verkürzt den Bremsweg, indem sie die
Bremsleistung an der Hinterachse optimal der jeweiligen
Beladung anpasst.
Anhänger-Stabilisierungskontrolle.
Dieses System erkennt das Pendeln eines Gespanns
und bremst das Fahrzeug automatisch ab. Dadurch
stabilisiert es das Gespann.
Über die Grundfunktionen hinaus umfasst das DSC für
die Sechszylinder-Modelle folgende Zusatzfunktionen:
Der Anfahrassistent hält an Steigungen das Fahrzeug
nach dem Lösen der Fußbremse für ein rückrollfreies
Anfahren kurz fest. Die Funktion SoftStop reduziert
durch gezielten Bremsdruckabbau das Nicken des
Fahrzeugs, kurz bevor das Auto zum Stillstand kommt.
Die Fading-Kompensation gleicht das „Nachlassen“
der Bremsleistung durch Erhöhung des Bremsdrucks
aus. Bei gleicher Pedalkraft bleibt so die Verzögerung
konstant. Die Funktion Bremsbereitschaft verkürzt bei
einer Notbremsung die Druckaufbauzeit. Bei schnellem
Lösen des Gaspedals legen sich die Bremsbeläge
blitzschnell an die Bremsscheiben an, um den maximalen
Bremsdruck möglichst schnell zu erreichen. Die
Funktion Trockenbremsen optimiert das Ansprechverhalten
der Bremsen bei Nässe. Erkennt der Regensensor
Nässe oder laufen die Scheibenwischer, dann
werden die Bremsbeläge von Zeit zu Zeit leicht an die
Bremsscheiben angelegt, um den Wasserfilm auf den
Bremsscheiben zu entfernen.
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BMW 5er Touring: Hinterachse
mit Niveauregulierung und
Luftfederung
Fahrwerk und Lenkung:
Zielkonflikt – Sportlichkeit vs. Komfort.
Moderne Fahrwerke bieten nicht nur hohe Sicherheit
und einfaches Handling, sondern verbinden auch
optimalen Komfort mit großer Agilität. Wesentliche
Faktoren für den Charakter eines Fahrwerkes sind die
Lenkung und die Federung. Die Fahrwerksauslegung
bestimmt dabei, ob das Automobil mehr in Richtung
Komfort oder Sportlichkeit abgestimmt ist.
Elektronische Dämpferkontrolle.
Keine Straße gleicht einer anderen, jede Fahrsituation
ist unterschiedlich: Straßenzustand, Fahrzeugbeladung
und Fahrweise beeinflussen das Fahrverhalten
des Autos. Konventionelle Stoßdämpfer sind heute
zwar sehr ausgereift, doch sie können nicht auf sich
ändernde Straßenzustände oder eine geänderte Fahrweise
reagieren.
Die kontinuierliche elektronische Dämpferkontrolle
(EDC-K) von BMW ist ein vollautomatisches System,
das die Einstellung der Dämpfer an jede Fahrsituation
anpasst. Sensoren erfassen Fahrbahnzustand und
Fahrweise, ein Mikroprozessor wertet die Daten aus
und wählt automatisch die geeignete Dämpfereinstellung
im Bereich zwischen komfortabel und sportlich.
Zusätzlich kann der Fahrer manuell die sportliche
Dämpfereinstellung wählen.
Die Dämpferkontrolle EDC-K erhöht den Fahrkomfort
ohne Abstriche bei der Sicherheit. Ein allzu komfortables
Dämpferverhalten führt bei schlechten Straßenverhältnissen
schnell zu Fahrzeugschwingungen, die
das Fahrverhalten deutlich verschlechtern. EDC-K
bleibt dabei so lange wie möglich in der komfortablen
Dämpfereinstellung und wechselt erst dann blitzschnell
auf eine härtere Einstellung, wenn die Fahrsituation
es erfordert.
Hinterachs-Luftfederung.
Ein Touring transportiert häufig mehr Gepäck als eine
Limousine. Deshalb ist der BMW 5er Touring serienmäßig
mit einer Niveauregulierung mittels Luftfederung
an der Hinterachse ausgestattet. Je nach Fahrsituation
erfasst sie sensorisch den Abstand zwischen
der Hinterachse und der Straße. Werden die Hinterrad-Federn
stärker belastet, wird mittels eines zweistufigen
Kompressors das ausgeglichene Niveau
zwischen der Vorder- und der Hinterachse wieder
hergestellt. So genießt der Fahrer auch bei schwerer
Zuladung eine hohe Fahrsicherheit.
Die Wankstabilisierung Dynamic Drive.
Eine komfortable Fahrwerksabstimmung hat bei
schnellerer Fahrt, vor allem in Kurven, für die Insassen
unangenehme Wank- und Rollbewegungen des
Fahrzeugs zur Folge. Eine sportlichere Abstimmung
führt bei schlechteren Straßenverhältnissen zu deutlichen
Komforteinbußen. Den Fahrwerksingenieuren
der BMW Group ist es aber gelungen, die gegensätzlichen
Ansprüche Agilität, Komfort und Handlichkeit
in einem innovativen Fahrwerk ohne Kompromisse zu
vereinen.
Die Lösung des Zielkonfliktes zwischen Komfort und
Sportlichkeit bietet die Wankstabilisierung Dynamic
Drive. Zentrales Element dieses innovativen Fahrwerk-Regelsystems
sind zwei innerhalb von Millisekunden
aktiv reagierende Stabilisatoren, die Wankbewegungen
der Karosserie entgegenwirken und sie
reduzieren. BMW Fahrzeuge wanken durch Dynamic
Drive bei Kurvenfahrten kaum noch; sie lassen sich
äußerst präzise lenken und liegen bei Kurvenfahrten
sicher auf der Straße.
Auch bei Geradeausfahrt verbessert Dynamic Drive
den Federungskomfort: Ist z.B. eine Fahrbahnhälfte
mit Schlaglöchern versehen, so verhindert Dynamic
Drive negative Auswirkungen auf die gegenüberliegenden
Seite (reduzierte Kopierneigung).
Eine weitere Innovation von Dynamic Drive ist das
abhängig von der Geschwindigkeit ebenfalls über die
Stabilisatoren unterschiedlich abgestimmte Fahrverhalten.
Im niedrigen bis mittleren Geschwindigkeitsbereich
sind im Sinne eines neutralen Fahrverhaltens
die Stabilisatorkräfte an Vorder- und Hinterachse
gleich, das Fahrverhalten somit neutral. Bei höherer
Geschwindigkeit wird die Vorderachse stärker stabilisiert,
das Fahrverhalten wird untersteuernd und bleibt
so leicht beherrschbar.
BMW 5er Reihe mit und ohne
Dynamic Drive
4

Kamm’scher Kreis.
Summe der Kräfte nicht überschritten:
Rad bleibt stabil auf trockener Fahrbahn
Negative Beschleunigung
1
2
3
Seitenführungskräfte
Bei jedem Lenkmanöver während der Fahrt treten
Fliehkräfte auf, die durch die Seitenführungskraft der
Räder abgebaut werden. Der Kamm’sche Kreis ist ein
Modell, das die Verteilung der Kräfte am Rad sowie
den Zusammenhang zwischen fahrdynamischen
Kräften und Reibung veranschaulicht.
Der Rand des Kreises stellt die Haftungsgrenze des
Reifens dar. Beschleunigung und Seitenführungskraft
werden als Pfeile dargestellt. Der aus ihrer Kombination
resultierende Kraftvektor ergibt die Gesamtkräfte, die
auf den Reifen wirken. Reicht dieser Pfeil über den
Kreis hinaus, ist die Kraft größer als die Haftung;
das Fahrzeug verliert die Bodenhaftung.
Maximale Kräfteausnutzung
1 bei trockener Fahrbahn
2 bei nasser Fahrbahn
3 auf Eis
Beschleunigungskraft
Gesamtsumme der
übertragenden Kräfte
Summe der Kräfte überschritten:
Rad rutscht auf trockener Fahrbahn
Die physikalischen Freiheitsgrade.
5

BMW 3er Reihe Aktivlenkung
© BMW Group
Technologiekommunikation
Weitere Informationen im
Internet:
http://www.bmwgroup.com/
www.bmw.de/fahrertraining/
www.MINI.de/drivertraining/
Aktivlenkung mit erweitertem Umfang.
Nur ein aktives Lenksystem löst den Zielkonflikt zwischen
Agilität, Stabilität und Komfort. BMW hat ein
solches System mit der Aktivlenkung 2003 als Weltneuheit
präsentiert: ein elektronisch geregeltes Lenksystem
mit variabler Lenkübersetzung und zusätzlichen
Fahrdynamik-Stabilitätsfunktionen.
Im Fahralltag modifiziert die Aktivlenkung den vom
Fahrer vorgegebenen Lenkeinschlag der Vorderräder
abhängig von der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit und
ohne Rückwirkung auf das Lenkrad. Wegen der kleinen
Lenkwinkel wirkt das Fahrzeug für den Fahrer
noch agiler und handlicher. Besonders im unteren
und mittleren Geschwindigkeitsbereich bis etwa 100
Stundenkilometer – also im besonders fahraktiven
Bereich – vermittelt die Aktivlenkung mit ihrer direkteren
Übersetzung gegenüber der konventionellen Lenkung
spürbar mehr Freude am Fahren. Bei höherem
Tempo hingegen übersetzt die Aktivlenkung im Hinblick
auf einen besseren Geradeauslauf etwas indirekter,
ohne an Lenkpräzision zu verlieren.
Im Stadtverkehr sowie auf kurvigen Bergstraßen zeigt
sich die Aktivlenkung von ihrer komfortablen Seite:
Der Lenkaufwand von Anschlag zu Anschlag sinkt
z.B. im Stand von über drei auf unter zwei Lenkradumdrehungen.
Aktivlenkung und DSC greifen beim Bremsen auf
unterschiedlichen Reibwerten (-Split) aktiv ein, um
so das Fahrzeug zu stabilisieren. Bremst der Fahrer
zum Beispiel bei einseitiger Niederreibwertfahrbahn
(z.B. Eis), werden aufgrund der ABS-Regelung unterschiedliche
Bremsdrücke in den Vorderrädern eingestellt,
die zu einer um den Schwerpunkt drehenden
Fahrzeugreaktion führen. Dieses Giermoment erforderte
bisher ein Gegenlenken des Fahrers zur Spurhaltung.
In Kombination mit der Aktivlenkung wird
nun in einer solchen Situation durch einen aktiven
Lenkeingriff schnell und präzise gegengelenkt ohne
das der Fahrer aktiv werden muss. Zugleich wird der
Bremsweg verkürzt.
Mit den weiter optimierten Stabilisierungsfunktionen
trägt die Aktivlenkung noch mehr zu Fahrspaß und
Sicherheit bei. Beim Übersteuern stabilisiert ein fahrerunabhängiger
Lenkeingriff das Fahrzeug.
Das intelligente Allradsystem xDrive.
Das BMW Allradsystem xDrive ermöglicht über eine
elektronisch gesteuerte Lamellenkupplung im Verteilergetriebe
die stufenlose und variable Verteilung der
Antriebskräfte zwischen Vorder- und Hinterachse in
bisher unerreichter Schnelligkeit. Das System erkennt
sofort, wenn eine Veränderung der Kraftverteilung
notwendig wird und reagiert in kürzester Zeit. Dafür
nutzt es nicht nur die Informationen des Schlupfregelsystems
ASC, das über die Radsensoren ein Durchdrehen
der Räder signalisiert, sondern auch die Daten,
die die Sensoren des Stabilitätsregelsystems DSC
bereitstellen. So liefern ihm zum Beispiel die Gierrate
– die Information über die Fahrzeug-Drehbewegung –
und der Lenkradeinschlag wichtige Daten über den
momentanen Fahrzustand. xDrive kann deshalb beispielsweise
beim Durchfahren von Kurven zu jedem
Zeitpunkt die Antriebskraft optimal zwischen beiden
Achsen verteilen und dadurch auch Unter- oder Übersteuern
blitzschnell kompensieren. Neben einem
spürbaren Gewinn an Agilität und Fahrfreude schafft
xDrive ein großes Plus an Sicherheit.
BMW Group Fahrerlebnis – Fahrer-Training für
BMW und MINI.
Wer als Fahrzeughersteller seinen Kunden das technische
Optimum bietet, sollte auch die hohe Schule
des fahrerischen Know-how weitergeben. Bereits seit
1977 bietet BMW deshalb ein Angebot von Fahrsicherheits-Trainings
für jedermann an. Seit wenigen
Jahren zählt dazu auch das MINI Driver Training. Die
erfahrenen Instruktoren der BMW Group lehren den
Fahrer, sich verkehrsgerecht zu verhalten, die physikalischen
und fahrerischen Grenzen richtig einzuschätzen,
potentielle Gefahrensituationen zu erkennen und
diese zu bewältigen, vor allem aber sie vorzeitig zu
vermeiden. Dabei fängt das Programm bereits dort an,
wo die Fahrschule aufhört.
Seit 1991 kooperiert die BMW Group mit verschiedenen
Medien-Partnern bei einem in dieser Art beispiellosen
Sicherheits-Programm für jugendliche Fahranfänger
im Alter zwischen 18 und 25 Jahren. Diese mit
Abstand am meisten gefährdete Gruppe der Autofahrer
lernt in speziellen Trainings zu stark vergünstigten
Preisen den richtigen Umgang mit dem Auto; ein Beitrag
vieler Tageszeitungen und des Fahrer-Trainings zu
mehr Verantwortung und mehr Sicherheit im Straßenverkehr.
Angefangen vom jungen Fahranfänger bis hin zum
sportlich ambitionierten Fahrer gibt das breite Spektrum
der Fahrer-Trainings jedem die Möglichkeit, seine
persönlichen Stärken und Schwächen zu erkennen
und seine Fahrfähigkeiten zu verbessern. Der Erfolg
spricht für sich: Mehr als 17 000 Interessierte pro Jahr
nehmen alleine in Deutschland an einem Fahrer-Training
teil.
6
Stand 04/2006