Stabilisator - Anti-roll bar
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Ein Stabilisator ( Überrollbügel , anti-Stabilisator , Stabilisator , Stabilisator ) ist ein Teil von vielen Automobil - Suspensionen , die die hilft bei der Reduzierung Wankbewegungen eines Fahrzeugs bei schnellen Kurvenfahrt oder über Unebenheiten. Es verbindet gegenüberliegende (linke/rechte) Räder durch kurze Hebelarme , die durch eine Torsionsfeder verbunden sind . Ein Stabilisator erhöht die Wanksteifigkeit der Federung – ihren Rollwiderstand in Kurven – unabhängig von ihrer Federrate in vertikaler Richtung. Das erste Patent für Stabilisatoren wurde am 22. April 1919 dem kanadischen Erfinder Stephen Coleman aus Fredericton, New Brunswick, erteilt .
Stabilisatoren waren bei Vorkriegsautos aufgrund der im Allgemeinen viel steiferen Federung und Akzeptanz der Karosserieneigung ungewöhnlich. Ab den 1950er Jahren wurden jedoch vermehrt Serienfahrzeuge mit Stabilisatoren ausgestattet, insbesondere Fahrzeuge mit weicherer Schraubenfederung.
Zweck und Betrieb
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Ein Stabilisator oder Stabilisator soll jede Seite des Fahrzeugs zwingen, sich auf ähnliche Höhen abzusenken oder anzuheben, um das seitliche Kippen (Rollen) des Fahrzeugs in Kurven, scharfen Kurven oder großen Unebenheiten zu reduzieren. Wenn die Stange entfernt ist, können die Räder eines Fahrzeugs um viel größere Entfernungen wegkippen, wie im SUV- Bild rechts zu sehen ist. Obwohl es viele Designvariationen gibt, besteht eine gemeinsame Funktion darin, den Stoßdämpfer , die Feder oder die Aufhängungsstange des gegenüberliegenden Rads zu zwingen , sich abzusenken oder auf ein ähnliches Niveau wie das andere Rad anzuheben.
In einer schnellen Kurve neigt ein Fahrzeug dazu, näher auf die äußeren Räder zu fallen, und der Stabilisator zwingt bald das gegenüberliegende Rad dazu, sich ebenfalls dem Fahrzeug zu nähern. Infolgedessen neigt das Fahrzeug dazu, sich in einer schnellen Kurve, bei der alle Räder näher an der Karosserie sind, näher an die Straße zu "schmiegen". Nach der schnellen Kurve wird der Abwärtsdruck reduziert und die gepaarten Räder können auf ihre normale Höhe zum Fahrzeug zurückkehren, die durch den Verbindungsstabilisator auf ähnlichem Niveau gehalten wird.
T = Spurweite des Fahrzeugs (Zoll)
K = Hebelarmverhältnis (Bewegung am Überrollbügel / Bewegung am Rad)
d = Stabdurchmesser (Zoll)
R = Effektive Armlänge (Zoll)
L = Half Länge der Stange (Zoll)
S=Länge des Hebelarms (Zoll)
Q=Steifheit (lb*in pro Grad)
Da jedes Radpaar durch eine Stange querverbunden ist, bewirkt der kombinierte Betrieb, dass alle Räder im Allgemeinen das separate Kippen der anderen ausgleichen, und das Fahrzeug neigt dazu, gegenüber der allgemeinen Neigung des Geländes waagerecht zu bleiben.
Grundsätze
Ein Stabilisator ist normalerweise eine Torsionsfeder, die Wankbewegungen der Karosserie widersteht. Es besteht normalerweise aus einem zylindrischen Stahlstab, der in U-Form geformt ist und an zwei Punkten mit der Karosserie verbunden ist, und zwar an der linken und rechten Seite der Aufhängung. Wenn sich das linke und das rechte Rad zusammen bewegen, dreht sich die Stange um ihre Befestigungspunkte. Wenn sich die Räder relativ zueinander bewegen, wird die Stange einer Torsion ausgesetzt und gezwungen, sich zu verwinden. Jedes Ende der Stange ist über ein flexibles Gelenk mit einem Endglied verbunden. Der Stabilisator-Endlenker wird wiederum an einer Stelle in der Nähe eines Rades oder einer Achse angeschlossen und überträgt Kräfte von einer stark belasteten Achse auf die gegenüberliegende Seite.
Es werden also Kräfte übertragen:
- von der stark belasteten Achse
- zum angeschlossenen Endglied über eine Buchse
- über ein flexibles Gelenk mit der Pendel-(Torsions-)Stange
- an den angeschlossenen Endlenker auf der gegenüberliegenden Fahrzeugseite
- zur gegenüberliegenden Achse.
Der Stab widersteht der Torsion durch seine Steifigkeit. Die Steifigkeit eines Stabilisators ist proportional zur Steifigkeit des Materials, der vierten Potenz seines Radius und dem Kehrwert der Länge der Hebelarme (dh je kürzer der Hebelarm, desto steifer der Balken). Die Steifigkeit hängt auch mit der Geometrie der Befestigungspunkte und der Steifigkeit der Befestigungspunkte des Lenkers zusammen. Je steifer die Stange, desto mehr Kraft ist erforderlich, um das linke und das rechte Rad relativ zueinander zu bewegen. Dies erhöht die Kraft, die erforderlich ist, um die Karosserie zum Rollen zu bringen.
In einer Kurve erzeugt die gefederte Masse der Fahrzeugkarosserie eine Querkraft im Schwerpunkt (CG), die proportional zur Querbeschleunigung ist. Da der Schwerpunkt normalerweise nicht auf der Wankachse liegt, erzeugt die seitliche Kraft ein Moment um die Wankachse, das dazu neigt, die Karosserie zu rollen. (Die Rollachse ist eine Linie, die die vorderen und hinteren Rollzentren verbindet). Der Moment wird das Rollenpaar genannt.
Der Wankkopplung wird durch die Wanksteifigkeit der Aufhängung entgegengewirkt, die eine Funktion der Federrate der Fahrzeugfedern und gegebenenfalls der Stabilisatoren ist. Die Verwendung von Stabilisatoren ermöglicht es den Konstrukteuren, das Wanken zu reduzieren, ohne die Federn der Aufhängung in der vertikalen Ebene steifer zu machen, was eine verbesserte Karosseriekontrolle bei weniger Kompromissen bei der Fahrqualität ermöglicht .
Ein Effekt der Karosserie-(Rahmen-)Schräglage bei typischer Federungsgeometrie ist der positive Sturz der Räder an der Kurvenaußenseite und der negative an der Innenseite, was ihren Kurvengrip (insbesondere bei Diagonalreifen) verringert.
Hauptfunktionen
Stabilisatoren bieten zwei Hauptfunktionen. Die erste Funktion ist die Reduzierung der Körpermager. Die Reduzierung der Karosserieneigung hängt von der Gesamtrollsteifigkeit des Fahrzeugs ab. Die Erhöhung der Gesamtrollsteifigkeit eines Fahrzeugs ändert nichts an der stationären Gesamtlastübertragung (Gewichtsübertragung) von den kurveninneren Rädern auf die kurvenäußeren Räder, sondern reduziert nur die Körperneigung. Die gesamte seitliche Lastübertragung wird durch die Schwerpunkthöhe und die Spurbreite bestimmt.
Die andere Funktion von Stabilisatoren besteht darin, die Fahrbalance eines Autos abzustimmen. Untersteuern oder Übersteuern kann durch Änderung des Anteils der gesamten Wanksteifigkeit, der von Vorder- und Hinterachse kommt, ausgeblendet werden. Die Erhöhung des Anteils der Wanksteifigkeit vorn erhöht den Anteil der Vorderachse an der Gesamtlastübertragung – und verringert den Anteil der Hinterachse. Im Allgemeinen führt dies dazu, dass das äußere Vorderrad mit einem vergleichsweise höheren Schräglaufwinkel läuft und das äußere Hinterrad mit einem vergleichsweise niedrigeren Schräglaufwinkel, was ein Untersteuereffekt ist. Die Erhöhung des Wanksteifigkeitsanteils an der Hinterachse hat den gegenteiligen Effekt und verringert das Untersteuern.
Nachteile
Da ein Stabilisator Räder auf gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugs verbindet, überträgt der Stab die Kraft eines Stoßes an einem Rad auf das gegenüberliegende Rad. Auf rauer oder gebrochener Fahrbahn können Stabilisatoren erschütternde Körperbewegungen von einer Seite zur anderen erzeugen (ein "watschelndes" Gefühl), die mit dem Durchmesser und der Steifheit der Stabilisatoren an Stärke zunehmen. Andere Aufhängungstechniken können diesen Effekt der Verbindungsstange verzögern oder dämpfen.
Übermäßige Wanksteifigkeit, die typischerweise durch eine zu aggressive Konfiguration eines Stabilisators erreicht wird, kann dazu führen, dass die kurveninneren Räder bei harten Kurvenfahrten vom Boden abheben. Dies lässt sich vorteilhaft nutzen: Viele Serienfahrzeuge mit Frontantrieb heben bei starker Kurvenfahrt ein Hinterrad an, um das gegenüberliegende Rad zu überlasten, wodurch das Untersteuern begrenzt wird .
Verstellbare Stangen
Einige Stabilisatoren, insbesondere solche, die für den Einsatz im Autorennen bestimmt sind , sind von außen verstellbar, während das Auto in der Box steht, während einige Systeme vom Fahrer aus in Echtzeit vom Inneren des Autos aus verstellt werden können, z. B. in Super GT . Dadurch kann die Steifigkeit verändert werden, zum Beispiel durch Verlängern oder Verkürzen der Hebelarme bei einigen Systemen oder durch Drehen eines flachen Hebelarms von einer steifen Edge-On-Position in eine flexiblere Flat-Side-On-Position bei anderen Systeme. Dadurch kann ein Mechaniker die Rollsteifigkeit für verschiedene Situationen einstellen, ohne die gesamte Stange auszutauschen.
MacPherson-Federbeine
Das MacPherson-Federbein ist eine gängige Form der Federbeinaufhängung. Dies war nicht der erste Versuch einer Federbeinaufhängung, aber in MacPhersons ursprünglichem Patent bildet der Stabilisator einen integralen und wesentlichen Bestandteil der Aufhängung, zusätzlich zu seiner üblichen Funktion zur Kontrolle der Karosserieneigung. Eine Federbeinaufhängung wie die von MacPherson erfordert ein klappbares unteres Element zwischen Chassis und Radnabe, um die Radposition sowohl nach innen als auch nach außen (Steuerung der Spur) sowie nach vorne und hinten zu steuern. Dies kann durch einen Querlenker mit mehreren Gelenken oder durch die Verwendung einer zusätzlichen Radiusstange erfolgen . Das Design von MacPherson ersetzte den Querlenker durch einen einfacheren und billigeren Spurlenker mit einem einzigen Innengelenk, um die Spur zu steuern. Die Vorwärts- und Rückwärtsposition wurde durch den Stabilisator gesteuert. Dies erforderte insgesamt einen einfacheren und kostengünstigeren Aufhängungssatz als bei Querlenkern, was auch eine Reduzierung der ungefederten Massen ermöglichte .
Da der Stabilisator zur Kontrolle der Radposition benötigt wird, können die Stäbe einer MacPherson-Federbeinaufhängung über Kugelgelenke verbunden werden. Viele spätere "MacPherson-Federbein"-Aufhängungen haben jedoch wieder Querlenker anstelle des vereinfachten Spurlenkers des ursprünglichen Designs verwendet.
Semiaktive Stabilisatoren
Es wurden verschiedene Verfahren zum Entkoppeln des Stabilisators vorgeschlagen. Das erste Serienauto mit aktivem Stabilisator war 1988 der Mitsubishi Mirage Cyborg. Das mit dem 16-V-Turbo-Modell ausgestattete "Dual Mode Suspension" verfügt über einen aktiven vorderen Stabilisator, der über einen in die Stabilisatorverbindung eingebauten hydraulischen Aktuator verfügt. Der Aktuator kann über einen Schalter am Armaturenbrett bedient werden, wodurch die Wirksamkeit des Stabilisators zwischen Sportmodus und Touringmodus geändert wird. Der Jeep Wrangler 2018 hat bei einigen Modellen auch einen schaltbaren Entkoppler, um die Radknicklenkung für Offroad-Fahrten zu erhöhen.
Aktive Systeme
Das erste Auto, das 1994 einen aktiven Stabilisator verwendete, war der Citroën Xantia Activa , eine mittelgroße Limousine, die in Europa verkauft wurde. Das SC.CAR-System (Systeme Citroën de Contrôle Actif du Roulis) verfügte über einen Stabilisator, der bei harten Kurvenfahrten durch die Federungs-ECU versteift werden konnte. Das Auto rollte maximal 2 Grad.
Im Jahr 2001 führte die BMW 7er Reihe (E65) Active Roll Stabilization (ARS) "aktive" Stabilisatoren ein, die von einem Fahrwerks-Steuerungscomputer proportional automatisch gesteuert werden können , um die Körperneigung in Kurven zu reduzieren und gleichzeitig die Fahrqualität auf unebenen Straßen zu verbessern.
2006 führte Toyota sein Active Stabilizer Suspension System ein . Durch die Änderung der Stabilisatorsteifigkeit reduziert dieses System die Neigung der Karosserie bei Kurvenfahrten, hält das Fahrzeug in Kurven waagrechter und verbessert das Handling, im Gegensatz zu der natürlichen Neigung eines Fahrzeugs, aufgrund der bei hohen Geschwindigkeiten auftretenden Seitenkräfte zu rollen manövrieren. Das aktive Stabilisatorsystem basiert auf Karosseriesensoren und Elektromotoren. Der erste Serieneinsatz dieses Systems wurde im August 2005 mit der Sportlimousine Lexus GS430 eingeführt .
Porsche Cayenne führte 2007 die Porsche Dynamic Chassis Control (PDCC) ein, ein System mit aktiven Überrollbügeln (auf dem europäischen Markt).
2011 führte die Mercedes-Benz M-Klasse der dritten Generation ein ähnliches System ein: ACTIVE CURVE SYSTEM.
Range Rover Sport führte die aktiven Stabilisatoren Dynamic Response ein.
Das Active Body Control- System der Mercedes-Benz S-Klasse verfolgt einen anderen Ansatz: Der Computer erkennt mit Hilfe von Sensoren seitliche Belastung, Seitenkraft und Höhenunterschied im Federbein und hebt oder senkt dann die Feder per Hydraulikdruck, um dem Wanken entgegenzuwirken. Dieses System entfernt den Stabilisator. Die meisten aktiven Rollkontrollsysteme ermöglichen ein geringes Maß an Rollbewegungen, um ein natürlicheres Gefühl zu vermitteln.
Toyota verwendet auch ein mechanisches System namens Kinetic Dynamic Suspension System (KDSS), das die Stabilisatoren im Gelände im Wesentlichen auskuppelt und so eine bessere Fahrzeugartikulation und Fahrqualität ermöglicht.