Auswirkungen auf das Fahrwerk

Für die Kraftübertragung eines Vehicle-on-Demand werden weiterhin die Reifen zuständig bleiben, da sich weder die Vornoch die Nachteile alternativer Konzepte (z. B. Luftkissen/ Propeller, Magnetschwebeantrieb, Ketten) durch die Fahrzeugautomatisierung wesentlich verschieben. Die Anforderungen an die Fahrdynamik werden sich ebenfalls kaum ändern, und die Anforderungen an ein besonders sportliches Fahrwerk werden sich kaum im Lastenheft des Vehicle-on-Demand wiederfinden. Die Verzögerungs- und Ausweichfähigkeit (also Beschleunigung bis ::]0 m/s2) wird gegeniiber heutigen Automobilen kaum geringer ausfallen, auch wenn eine deutlich komfortablere Fahrzeugführung zu erwarten ist. Allerdings besteht bei Vehicle-on-Demand die Möglichkeit, schon prädiktiv die Manöver zu planen und dabei die Möglichkeiten der gegebenen Fahrdynamik optimal auszunutzen, wodurch sich für das Fahrwerkkonzept neue Möglichkeiten ergeben können.

Neben den zwei in den nächsten Abschnitten diskutierten Aspekten der Radanordnung und der Lenkkonzepte gelten insbesondere für Vehicle-on-Demand-Fahrzeuge, deren Einsatzzweck die Personenbeförderung auf längeren Strecken ist, die gleichen Überlegungen zur Entkopplung von der Fahrdynamik wie in Abschn. 13.2.3 beschrieben. Eine Entkopplung von der Fahrdynamik und der Umgebung verlangt zwar enormen technischen Aufwand, würde aber eine höhere Stimmigkeit der Sinneseindrücke ermöglichen, als wenn jeweils nur ein Teil der Eindrücke entkoppelt würde. Sollten empfindliche Güter transportiert werden, würde eine entsprechende Entkopplung ebenso nützlich sein.

13.4.3.1 Mögliche Radkonzepte für Vehicle-on-Demand

Mit Blick auf die Stabilisierungsaufgabe für einen menschlichen Fahrer ermöglicht das Vehicle-on-Demand die Auswahl eines Radkonzepts ohne Rücksicht auf aktuell geltende Anforderungen. Dieser Freiheitsgrad motiviert die erneute Bewertung existierender Konzepte mit weniger als vier Rädern für den Einsatz als Vehicle-on-Demand.

Wie Motorräder und Trikes belegen, sind auch weniger als vier Räder tauglich für Transportaufgaben. Grundsätzlich reicht sogar ein Rad für die Fortbewegung, wie Einradfahr(künstl)er immer wieder eindrucksvoll beweisen. Dabei kommt der Regelung der Lage des Schwerpunkts die Schlüsselrolle zu. Diese Stabilisierung könnte ein mechatronisches System übernehmen und somit nahezu jeden befähigen, ein Einrad-Fahrzeug zu bewegen. Zwei Methoden lassen sich dazu verwenden: Momentenerzeugung am Rad und Verschiebung von beweglichen Massen.

Das erste Konzept findet beim zweirädrigen Segway® PT (Personal Transporter) Anwen-

dung [11]. Die „Gewichtsverlagerung“ über die Füße wird sensiert und dazu eine Neigung des Passagiers eingestellt, die mit der Beschleunigung zusammenpasst, sodass der resultierende Vektor aus Schwer- und Trägheitskraft immer durch die Verbindungslinie der Radaufstandspunkte geht. In gleicher Weise wird bei zwei Rädern hintereinander manövriert. Mit einem durch eine Lenkbewegung entgegen der Kurvenrichtung bewirkten Rollmoment wird eine Schräglage erzeugt, die dann den resultierenden Vektor von Zentrifugal- und Schwerkraft durch die Verbindungslinie beider Radaufstandspunkte führt. Ein Kugelantrieb könnte diese Stabilisierung grundsätzlich für beide Richtungen übernehmen. Trotzdem bleibt in starkem Maße fraglich, ob eine solche Stabilisierung im Kontext des autonomen Fahrens sinnvoll eingesetzt werden kann. Der Nutzer ist mit der Gewichtsabstützung immer stark eingebunden. Darüber hinaus sind diese Konzepte auf niedrige Geschwindigkeiten beschränkt, da vertikale Unebenheiten wie Bordsteinstufen oder Schlaglöcher sowohl die Regeldynamik als auch die Aktorleistungsfähigkeit überfordern und somit Stürze nicht verhindert werden können. Diese Überlegung trifft auch für die einachsigen Zweiräder wie das oben genannte Segway PT zu, bei Motorrädern sind diese Vertikalhindernisse nicht in der Querbewegung zu befürchten, auch wenn Phänomene wie das Lenkerschlagen (Kickback) die Sensitivität der Fahrzeugstabilisierung von Zweirädern deutlich macht.

Ähnlich dem Jonglieren mit den Armen bei Seiltänzern wird beim zweiten Konzept eine Masse so verschoben, dass der Schwerpunkt auch ohne Zutun der Insassen passend zur Längsoder Querkraft verlagert wird. Zur Abstützung dieser Verlagerung werden kurzzeitig Drehmomente an den Rädern appliziert. Die Konzepte von Segway P.U.M.A. (Personal Urban Mobility & Accessibility) [12] wie auch die Umsetzung von General Motors als EN-V (Electric Networked-Vehicle) [13] werden im Zusammenhang mit dem autonomen Fahren verwendet. Durch die hohe Wendigkeit (Drehen auf der Stelle) und den geringen Platzbedarf bietet sich dieses Fahrzeug – selbstverständlich nicht nur auf das autonome Fahren beschränkt – für den innerstädtischen Bereich an. Als Nachteile stehen der permanente Stabilisierungsaufwand, der einen größeren Teil der mitgeführten Energie „verbraucht“, und die o. g. Empfindlichkeit gegenüber vertikalen Stufen, wobei diese prinzipbedingt geringer ausfällt, da die bewegliche Masse hier das zur Korrektur notwendige Antriebsmoment verringern kann. Bisherigen Aussagen zufolge ist eine Höchstgeschwindigkeit von 25 Meilen pro Stunde entsprechend 40 km/h vorgesehen. Für einen Einsatz bis 120 km/h erscheint dieses Konzept kaum geeignet.

Für die klassische einspurige Zweiradanordnung mit Rädern hintereinander können ebenfalls verschiebbare Massen eingesetzt werden, wobei der Platzbedarf für die Verschiebemöglichkeit in Querrichtung schwieriger als in Längsrichtung bei einem einachsigen Zweirad zu befriedigen ist. Daher erscheint ein Lenkaktor, der das Balancieren übernehmen kann, für eine autonome Motorradführung aussichtsreicher. Allerdings bleibt fraglich, ob ein solches Konzept den Mobilitätswunsch für ein Vehicle-on-Demand erfüllen kann. Eine Vollverkleidung ist umständlich und erhöht die Seitenwindempfindlichkeit stark. Auszuschließen ist es jedoch nicht, denn zusätzlich zum Wetterschutz erhöht ein umschließender Rahmen die Sicherheit, wie der von 2000–2003 produzierte Motorroller BMW C1 demonstrierte [14]. In einer solchen Ausstattung ist ein einspuriges zweirädriges Vehicleon-Demand denkbar, eventuell mit Stützrädern für sehr niedrige Geschwindigkeiten und den Stand ausgerüstet. Ob allerdings die besondere Mobilität von Einspurfahrzeugen, wie die Vorbeifahrt an aufgestauten Kolonnen, autonom fahrend umgesetzt werden kann, ist wieder eine andere Frage.

Eine gemeinsame Möglichkeit besitzen beide Ansätze: Sie können in einer Richtung kraftfreies Fahren liefern. Beim einachsigen Zweirad kann die Längskraft, beim einspurigen die Querkraft auf die Insassen vollständig kompensiert werden. Ob ein passiv die Fahrt erlebender Passagier dies als angenehm empfindet, ist allerdings offen.

Ab drei Rädern ist ein Fahrzeug ohne Regelung stabil, sofern der resultierende Kraftvektor aus Trägheits- und Schwerkraft die Fläche zwischen den die Radaufstandspunkte umfassenden Verbindungslinien nicht verlässt. Abhängig von der Höhe des Schwerpunkts hs und der zu berücksichtigenden Fahrdynamikgrenzen durch den maximalen Reibbeiwert µmax beschreibt die Fläche des resultierenden Vektors mit der Fahrbahn einen Kreis mit dem Radius rres = hS × amax / g = hS × μmax um den Mittelpunkt (s. Abb. 13.6). Der Mittelpunkt folgt aus der Projektion des Schwerpunkts in die x-y-Fläche der Fahrbahn. Die Fahrdynamikgrenzen ergeben sich aus den (betragsmäßigen) maximalen, auf die Erdbeschleunigung bezogenen Längs- und Querbeschleunigungen (hier als amax /g für beide Richtungen gleich angenommen). Schneiden die äußeren Verbindungslinien der Radaufstandspunkte diesen Kreis, so besteht eine Kippgefahr schon im definierten Fahrdynamikbereich. Liegen sie außerhalb, so kann trotzdem unter ungünstigen Bedingungen ein Fahrzeug kippen, wie das berühmt gewordene Beispiel der ersten Mercedes-Benz A-Klasse bewies (weitere Details finden sich in [15]).

Die zur Kippsicherheit minimal nötige, durch die Radaufstandspunkte festgelegte sogenannte Footprint-Fläche ist bei einem Dreiradfahrzeug AFP,3 = 3 3rres und somit um ca. 30 % größer als die quadratische Umfassung. Schwerwiegender ist die um 50 % größere minimale Breite eines dreirädrigen Fahrzeugs, das anders als in Abb. 13.6 mit zwei Eckpunkten in Längsrichtung orientiert ist (ansonsten in der gezeigten Lage 73 % vergrößerte Breite). Daher wird ein dreirädriges Fahrzeug mit rein statischer Abstützung auch als autonomes Fahrzeug kaum Anwendung finden.

Abb. 13.6 Für Kippsicherheit benötigte FootprintFläche

Eine hybride Fahrwerklösung, die einen für die statische Abstützung zu kleinen Footprint aufweist, ermöglicht die Verlagerung des Schwerpunkts, sodass der in Abb. 13.6 gezeichnete Kreis sich in Bezug zum Fahrwerk verlagert, sich z. B. in einer Linkskurve nach links verschiebt. Die Verschiebung ist grundsätzlich sowohl mit einer Translationsbewegung als auch einer Rotationsbewegung darstellbar. Für das Letztgenannte steht beispielhaft das dreirädrige Motorrollerkonzept des Piaggio MP3 [16] mit seinen beiden Vorderrädern und einer Parallelogramm-Kinematik, die eine Schräglage des ganzen Rolleraufbaus möglich macht. Somit besitzt dieses Fahrzeug eine zwar eingeschränkte statische Kippstabilität, benötigt aber keine permanente Regelung für konstante Bedingungen wie z. B. für Geradeausfahrt. In Verbindung mit der o. g. Verkleidung und dem Schutzrahmen käme ein solches Konzept durchaus als Vehicle-on-Demand in Frage, wenn die Transportaufgabe darin besteht, eine, vielleicht sogar zwei Personen zu transportieren.

In analoger Weise kann ein drittes Rad auch ein einachsiges Konzept wie den schon genannten EN-V ergänzen. Damit erfolgt die statische Abstützung durch ein vor oder hinter der Hauptachse angebrachtes Rad. Allerdings erfordert die Beibehaltung des Drehens im Stand eine Lenkbarkeit des Zusatzrades. Auch Vierradkonzepte mit für Kippsicherheit zu kleinem Footprint sind denkbar. Ein Beispiel hierfür ist die Nissan-Studie Land Glider [17], ein 1,10 m breites Fahrzeug, das bis zu 17° Querneigung annehmen kann. Ob diese im Vergleich zum Motorroller doch noch große Breite für ein Vehicle-on-Demand relevante Vorteile gegenüber einem in üblicher Breite ausgelegten einfachen Fahrzeug ohne Neigetechnik mit sich bringt, ist zu bezweifeln. Allein die mit der Neigetechnik verbundende Möglichkeit der Kompensation der Querkraft auf die Insassen könnte ein Pluspunkt sein. Neben Neigesystemen könnten grundsätzlich auch adaptive Fahrwerke mit variabler Spurbreite oder variablem Radstand sowie variabler Schwerpunkthöhe zu einer Kippsicherheit nach Bedarf führen [18].

13.4.3.2 Lenkkonzepte

Heute dominiert bei Automobilen die Achsschenkellenkung an der Vorderachse, und es spricht wenig dagegen, diese auch für das Vehicle-on-Demand zu verwenden. Allerdings können alternative Lenkkonzepte durch das autonome Fahren aufgewertet werden. Dazu gehört zum einen das Kraftlenken, also über seitlich unterschiedliche Kräfte bis hin zu unterschiedlicher Kraftrichtung, z. B. für Linkseindrehen negative Antriebskraft links und positive rechts. Dieses Konzept ist beim einachsigen Zweirad das Mittel der Wahl. Für drei oder vier Räder verursacht das Kraftlenken erhebliche Verzwängungen, sofern nicht ein oder mehrere zusätzliche Drehfreiheitsgrade für die Räder ein Mitlenken unterstützen.

Auf der anderen Seite steht die mehrachsige Lenkung, oft als Vierradoder Allradlenkung bezeichnet. Obwohl grundsätzlich im Automobilbau bekannt, sind nur sehr wenige damit ausgestattete Fahrzeuge erhältlich. Eine Nutzeneinschränkung liegt in der Kompromissauslegung heutiger Allradlenkungsfahrzeuge, die ein Fahrzeugentwickler durchführen muss. Es gibt für den Fahrer keinen Zugriff auf die Hinterradlenkung. Sie ist (elektronisch) an die Vorderradlenkung gekoppelt. In einer Kompromissabstimmung unterstützt sie bei aktuellen Fahrzeugen im unteren Geschwindigkeitsbereich (ๅ 100 km/h) die Fahrzeugagilität mit gegensinnigen Lenkwinkeln und bei höheren (ๆ 100 km/h) die Stabilität durch gleichsinni- ge Lenkwinkel. Darüber hinaus erfolgen Lenkkorrekturen im fahrdynamischen Grenzbereich. Eine autonome Trajektorienplanung könnte diesen Freiheitsgrad unabhängig von der Geschwindigkeit nutzen und entsprechend der geplanten Manöver einsetzen. So wäre ein Fahrstreifenwechsel auch ohne Gieren, also ohne Drehen um die Hochachse, möglich, wodurch die Rückwirkung auf die Passagiere reduziert werden kann. Beim Einparken lassen sich Manöver durchführen, die mit einer im üblichen Rahmen ausgelegten Allradlenkung nicht möglich sind, geschweige denn mit einer Standard-Vorderachslenkung.

Eine extreme Lösung wäre eine radindividuelle Allradlenkung, die zwar die Winkel aller Räder optiman stellen könnte, aber dafür noch aufwendigere Stellersysteme benötigt. Der Gewinn ist in Bezug auf die Anwendung als Vehicle-on-Demand gering. Er beschränkt sich auf eine eher für den Rennbetrieb relevante Verschiebung der Fahrdynamikgrenzen um wenige Prozent und die Reduktion des Kurvenwiderstands durch verzwängungsfreie Radführung.

Auswirkungen auf den Innenraum und die Mensch-MaschineSchnittstelle

Wird das Vehicle-on-Demand für den Personentransport eingesetzt, ergeben sich die in Tab. 13.1 genannten Möglichkeiten der Art der Unterbringung, deren Ausrichtung und Anordnung. Grundsätzlich spricht hier nichts gegen die heute übliche Art der vor- und nebeneinander angeordneten, nach vorne gerichteten Sitze. Soweit es der Insassenschutz zulässt, kann auch davon abgewichen werden, und insbesondere sollte für die Erholung die Liegeposition offeriert werden, wobei die Ausrichtung offen bleibt, z. B. als Sitzbank in Querrichtung oder als Liegesitz in Längsrichtung.

Tab. 13.1 Allgemein mögliche Unterbringung von Insassen – Art, Ausrichtung, Anordnung

Art

stehen

sitzen

liegen

variabel

Ausrichtung

nach vorne

zur Seite

nach hinten

variabel

Anordnung

voreinander

nebeneinander

übereinander

variabel

Da keine Fahraufgabe von den Insassen zu übernehmen ist, bleibt im Wesentlichen das Interface auf die Zieleingabe, die Insasseninformation und einen Safe-Exit-Schalter, der ein Anhalten an nächster sicherer Position auslöst, beschränkt. Die ersten beiden können sogar vom Fahrzeug losgelöst sein und über ein Personal Device, ähnlich heutigen Smartphones, ermöglicht werden. Weitergehende Interaktionen sind für die Ambientesteuerung (z. B. Schließen der (elektronischen) Jalousien) und mögliche Unterhaltungsprogramme zu erwarten.

 
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