It’s all about Physics: Kippen

Aktuelle Vorfälle unterstreichen, dass das Umstürzen, sprich Kippen, von Tanklöschfahrzeugen ein genauso brisantes wie aktuelles Thema in der Feuerwehrbranche ist. Rosenbauer, als Innovations- und Weltmarktführer, setzt sich seit jeher gewissenhaft mit dem Thema Sicherheit und Unfallvermeidung auseinander. Das Rosenbauer Engineering investiert viel Zeit und Energie, die bestmöglichen Lösungen zur Unfallvermeidung in die Produkte zu integrieren und stets am neusten Stand der Technik zu sein bzw. neue Maßstäbe zu setzen.

Rosenbauer sieht auch seine Aufgabe darin zu informieren, u.a. darüber welche physikalischen Kräfte auf ein Tanklöschfahrzeug in der Kurvenfahrt wirken und welche Maßnahmen zur Unfallvermeidung man daraus ableiten kann.

Gewichts- und Fliehkraft bei Kurvenfahrt

Je schneller ein Fahrzeug in eine Kurve fährt, desto größer wird die Fliehkraft F_F (Zentrifugalkraft) die auf seinen Massenschwerpunkt m wirkt. In dieser Betrachtung wird angenommen, dass das Fahrzeug nicht nach vorne wegschiebt, sprich nicht ins Rutschen kommt, sondern seine Spur hält.

Fährt das Fahrzeug in eine Kurve mit einer Geschwindigkeit v größer als die Kippgrenze v_Kippgrenze, wird zwischen dem Massenschwerpunkt und dem Kipppunkt ein Drehmoment M_K aufgebaut, welches das Fahrzeug über den Kipppunkt nach außen kippen lässt.

Im Folgenden werden links die Kraft-Vektoren einer Kurvenfahrt an der Kippgrenze, rechts die Kraft-Vektoren einer Kurvenfahrt über der Kippgrenze gezeigt:

Bild 1: Kräfte bei Kurvenfahrt an der Kippgrenze

Bild 2: Kräfte bei Kurvenfahrt über der Kippgrenze

Mathematisch lassen sich aus den Bildern bzw. den Formeln folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1. Je größer die Spurbreite b und niedriger der Massenschwerpunktes h des Fahrzeuges ist, desto höhere Fliehkräfte F_F verträgt das Fahrzeug, sprich desto schneller kann das Fahrzeug durch eine gegebene Kurve, mit gegebenem Kurvenradius r fahren, ohne zu kippen.
2. Je größer der Kurvenradius r ist, desto schneller kann das Fahrzeug durch die Kurve fahren, ohne zu kippen.
3. Da die Masse m sowohl die Gewichtskraft F_G als auch die Fliehkraft F_F des Fahrzeuges beeinflusst, hat sie hinsichtlich Kippen keine direkte Auswirkung auf die maximale Kurvengeschwindigkeit v_Kippgrenze

Verifizierung des Kipp-Winkels durch einen Kipp-Test

Rosenbauer unterzieht jedes neu konzipierte Fahrzeug einem Kipp-Test. Bei diesem Test wird das Fahrzeug mittels Schwenk-Bühne in eine Schräglage gebracht. Es wird dadurch eine Kurvenfahrt simuliert.

Bild 3: Kipptest auf der Rosenbauer-Schwenkbühne

Bild 4: Kraft-Vektoren auf der Schwenkbühne

Damit Feuerwehrfahrzeuge den allgemeinen Anforderungen zur Sicherheit und Leistung genügen und der Europäischen Norm EN 1846-2 entsprechen, müssen sie abhängig von ihrer Gewichtsklasse und ihrer Kategorie, um folgende statischen Kippwinkel gekippt werden können:

Tabelle 1: Werte für die statischen Kippwinkel laut EN 1846-2

Ein Kippwinkel von 30° simuliert eine Fliehkraft F_F, die exakt der halben Gewichtskraft F_G entspricht.

Unterstützende Aspekte zur Reduktion der Kippgefahr

1. Die Wahl des Chassis beeinflusst maßgeblich die Fahrstabilität und Fahrsicherheit:
   • Wenn es die Anforderungen zulassen, ist die Wahl einer möglichst breiten Achsspur vorteilhaft.
   • 4×2 Antriebsvarianten sind aufgrund der deutlich niedrigeren Schwerpunktlage gegenüber einem 4×4 Chassis vorteilhaft.
   • Eine Zwillingsbereifung ist gegenüber einer Single-Bereifung zu bevorzugen. Um die gleiche Achslast tragen zu können, wäre ein im Durchmesser größerer Single-Reifen im Vergleich zum Zwillingsreifen zu verwenden. Der Schwerpunkt des Fahrzeuges würde dadurch erhöht werden und das Fahrzeug würde insgesamt ein „schwammiges“ Fahrverhalten bekommen.
   • Die Verfügbarkeit eines Assistenzsystems, wie etwa ein ESP (Electronic Stability Program) mit integriertem Überroll-Schutzsystem, bietet hinsichtlich Kippstabilität einen massiven Mehrwert.
     Fahrstabilitätssysteme sind nicht nur auf Feuerwehrfahrzeuge mit OEM-Chassis zu beschränken, sondern werden von Rosenbauer auch für die Flughafenlöschfahrzeuge PANTHER zur Verfügung gestellt. Detailliertere Informationen dazu sind im Blog-Beitrag „Noch mehr Sicherheit für den PANTHER“ zu finden.
2. Für Straßeneinsätze ist eine Off-Road-Bereifung aufgrund der reduzierten Traktionsfähigkeit auf Asphalt und des weicheren Fahrverhaltens nachteilig. Das Fahrzeug würde dadurch eine schlechtere Fahrbahnhaftung und ein „schwammiges“ Fahrverhalten erhalten.
3. Rosenbauer trägt als Aufbauhersteller dafür Sorge, dass der Schwerpunkt des Aufbaus inkl. Tankinhalt und Beladung ebenfalls so niedrig als möglich konstruiert bzw. realisiert wird.
4. Rosenbauer als Aufbauhersteller realisiert etwa beim Premiumprodukt „AT“ (Advanced Technology) eine intelligente mechanische Kopplung zwischen Aufbau und Fahrerhaus. Der Fahrer bekommt ein Wanken des Gesamtfahrzeuges frühzeitig mit und erfährt durch den relativ steifen Gesamtverbund eine direktere Lenkkontrolle für Gegenmaßnahmen. Dies verringert u.a. das Nachpendeln bei einem Spurwechsel-Manöver.
5. Auch die am besten ausgereifte Konstruktion kann nicht verhindern, dass der Fahrer des Fahrzeuges durch überhöhte Kurvengeschwindigkeit das Fahrzeug zum Kippen bringt. Durch konstruktive Aspekte, wie etwa jene die oben beschrieben werden, kann jedoch das Kipprisiko verringert werden und dadurch der Bereich für sicheres Fahren bestmöglich vergrößert werden.