Adamski Simulation in der Fahrwerktechnik

Einführung in die Erstellung von Komponenten- und Gesamtfahrzeugmodellen
2014
ISBN: 978-3-658-06536-2
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 271 Seiten

Reihe: ATZ/MTZ-Fachbuch

Jeder, der das Verhalten von Fahrzeugen simulieren will, muss sich Gedanken machen, wie er das Fahrwerk des Fahrzeuges modellieren will. Abhängig von der Fragestellung (Fahrdynamik, Fahrkomfort, Betriebsfestigkeit,...) gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Dieses Buch soll helfen, die richtigen Modelle und Prozesse zu finden und umzusetzen. Neben einer kurzen Einführung in die Simulationstechnik werden die wichtigsten Modellierungsarten für die Baugruppen des Fahrwerks mithilfe der Methode der Mehrkörpersysteme vorgestellt. Erfolgreiche Simulation bedeutet aber nicht nur das Zusammenfügen geeigneter Modelle, sondern stellt immer auch einen durchdachten Prozess dar, der von der Datenbeschaffung bis zur Validierung der Modelle geht. An geeigneten Beispielen wird dies für konkrete Fragestellungen besprochen.

Prof. Dr.-Ing. Dirk Adamski studierte Maschinenbau an der Universität Duisburg und promovierte dort über komponentenorientierte Simulation. Im Anschluss arbeitete er in der Pkw-Entwicklung der Daimler AG. Zunächst als Versuchsingenieur für Fahrdynamikregelsysteme, dann als Berechnungsingenieur mit Fokus auf dem Fahrkomfort zukünftiger Mercedes Fahrzeuge. Seit 2009 ist er Professor für Versuch und Simulation im Fahrwerk an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Hamburg.

Autoren/Hrsg.

Adamski, Dirk

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;6
2;Inhaltsverzeichnis;9
3;Teil I – Einführung in die Simulationstechnik;18
3.1;1 Simulationsmethoden;19
3.1.1;1.1 Was ist Simulation?;19
3.1.2;1.2 Betrachtungsweisen;19
3.1.2.1;1.2.1 Finite Elemente Methode (FEM);20
3.1.2.2;1.2.2 Mehrkörpersysteme (MKS);21
3.1.2.3;1.2.3 Blockschaltbildorientierte Methoden;24
3.2;2 Systemtechnik;26
3.2.1;2.1 Systembegriff;26
3.2.1.1;2.1.1 Systemgrenze;27
3.2.1.2;2.1.2 Kausalität;29
3.2.1.3;2.1.3 Übertragungsverhalten;30
3.2.1.4;2.1.4 Wertebereich;31
3.2.1.5;2.1.5 Lineare und Nichtlineare Systeme;32
3.2.2;2.2 Systemverhalten;34
3.2.2.1;2.2.1 Systeme mit und ohne Gedächtnis;34
3.2.2.2;2.2.2 Änderungsverhalten;34
3.2.3;2.3 Fragestellungen aus der gegebenen Systemstruktur;37
3.2.3.1;2.3.1 Systemanalyse;37
3.2.3.2;2.3.2 Systemidentifikation;37
3.2.3.3;2.3.3 Systemsteuerung;38
3.3;3 Modellbildung;39
3.3.1;3.1 Am Anfang steht das Problem;39
3.3.2;3.2 Der Unterschied zwischen fehlerbehaftet und falsch;41
3.3.3;3.3 Methoden zur Modellbildung;42
3.3.3.1;3.3.1 Induktion;42
3.3.3.2;3.3.2 Deduktion;43
3.3.3.3;3.3.3 Methode der Wahl;43
3.3.4;3.4 Modellklassen;44
3.3.4.1;3.4.1 Physikalische Modelle;44
3.3.4.2;3.4.2 Verhaltensmodelle;44
3.3.5;3.5 Problemanalyse;46
3.3.5.1;3.5.1 Analyse der Fragestellung;46
3.3.5.2;3.5.2 Analyse des Systems;46
3.3.6;3.6 Modellentwurf;47
3.3.6.1;3.6.1 Simulationsmethode;47
3.3.6.2;3.6.2 Umsetzung der Problemanalyse;47
3.3.7;3.7 Verifikation;48
3.3.8;3.8 Validierung;48
3.3.8.1;3.8.1 Prinzipielle Vorgehensweise;48
3.3.8.2;3.8.2 Vergleich von Messung und Simulation;50
3.3.8.3;3.8.3 Vergleich von Simulation und Simulation;53
3.3.8.4;3.8.4 Validierung mit Gesamtfahrzeugmessungen;53
3.3.9;3.9 Einfache oder mehrfache Verwendung;54
3.3.9.1;3.9.1 Modularisiert oder monolithisch?;54
3.3.9.2;3.9.2 Trennung von Daten und Modell;56
3.4;4 Numerik – das Problem mit dem Anfang;57
3.4.1;4.1 Wer ist EULER?;57
3.4.2;4.2 Anfangswertprobleme oder Numerische Integration von Differenzialgleichungen;57
3.4.2.1;4.2.1 Das Anfangswertproblem;57
3.4.2.2;4.2.2 Numerische Integration;58
3.4.3;4.3 Numerische Integration von Differenzialgleichungen erster Ordnung;59
3.4.3.1;4.3.1 Ein einfaches Beispiel;59
3.4.3.2;4.3.2 Streckenzugverfahren nach EULER;60
3.4.3.3;4.3.3 Fehlerarten;62
3.4.3.4;4.3.4 Konvergenz und Stabilität;64
3.4.4;4.4 Integrationsverfahren;67
3.4.4.1;4.4.1 Verfahrensübersicht;67
3.4.4.2;4.4.2 Implizites EULER-Verfahren;68
3.4.4.3;4.4.3 RUNGE-KUTTA-Verfahren;70
3.4.4.4;4.4.4 ADAMS-Verfahren;70
3.4.4.5;4.4.5 BDF-Verfahren;72
3.4.5;4.5 Interpolations- und Extrapolationsverfahren;72
3.4.5.1;4.5.1 Interpolation;72
3.4.5.2;4.5.2 Extrapolation;74
3.4.6;4.6 Ein- und Ausblenden von Funktionen;75
3.4.6.1;4.6.1 Linear;75
3.4.6.2;4.6.2 Exponentiell;76
3.4.6.3;4.6.3 Trigonometrisch;78
3.5;5 Simulationswerkzeuge;80
3.5.1;5.1 Werkzeugauswahl;80
3.5.1.1;5.1.1 Inhouse-Lösung;80
3.5.1.2;5.1.2 Kommerzielles Produkt;81
3.5.2;5.2 Grundstruktur einer Simulationsumgebung;82
3.5.2.1;5.2.1 Präprozessor;82
3.5.2.2;5.2.2 Solver;84
3.5.2.3;5.2.3 Postprozessor;85
3.5.3;5.3 Schnittstellen für die Cosimulation;90
3.5.3.1;5.3.1 Reglerimport;90
3.5.3.2;5.3.2 MKS-Modellimport;91
3.5.3.3;5.3.3 Online-Cosimulation;92
3.5.3.4;5.3.4 Potenzielle Kommunikationsprobleme;92
3.6;6 Simulationsprozess;95
3.6.1;6.1 Parameterbeschaffung;96
3.6.1.1;6.1.1 Parameterbedarf;96
3.6.1.2;6.1.2 Benennung von Parametern;97
3.6.1.3;6.1.3 Einheitenbehaftete Parameter;100
3.6.1.4;6.1.4 Eindimensionale Parameter;101
3.6.1.5;6.1.5 Mehrdimensionale Parameter;101
3.6.1.6;6.1.6 Fahrzeugbezugssystem;106
3.6.1.7;6.1.7 Masseeigenschaften;107
3.6.2;6.2 Im Vorfeld der Berechnung;109
3.6.2.1;6.2.1 Konsistenz von Daten und Modell;109
3.6.2.2;6.2.2 Modellvielfalt;110
3.6.2.3;6.2.3 Berechnungshistorie;110
3.6.3;6.3 Berechnungsvorgang;111
3.6.3.1;6.3.1 Lokal oder extern;111
3.6.3.2;6.3.2 Kopiervorgang;111
3.6.3.3;6.3.3 Lizenzen;112
3.6.4;6.4 Im Nachgang der Berechnung;112
3.6.4.1;6.4.1 Dokumentation der Berechnung;112
3.6.4.2;6.4.2 Archivierung;112
3.6.4.3;6.4.3 Motivation zur Dokumentation;113
3.6.5;6.5 Reproduzierbarkeit der Simulationsergebnisse;113
4;Teil II – Simulation in der Fahrwerktechnik;115
4.1;7 Modellbildung von Fahrwerkkomponenten;116
4.1.1;7.1 Einsatzgebiete und Grenzen der Simulation;116
4.1.1.1;7.1.1 Fahrdynamik und Fahrerassistenzsysteme;116
4.1.1.2;7.1.2 Fahrkomfort;117
4.1.1.3;7.1.3 Lastkollektivermittlung;118
4.1.1.4;7.1.4 Einsatz von Simulatoren;119
4.1.1.5;7.1.5 Potenzial der Berechnung oder noch ungehobene Schätze;120
4.1.2;7.2 Komplexität von Modellen;121
4.1.2.1;7.2.1 Wartung und Änderungen;121
4.1.2.2;7.2.2 Rechenzeitbedarf;122
4.1.2.3;7.2.3 Parameterbedarf;122
4.1.3;7.3 Einfache Modellansätze;122
4.1.4;7.4 Wo steckt die richtige Information?;123
4.1.5;7.5 Planung und Auswertung von Fahrmanövern;124
4.1.5.1;7.5.1 Einschwingzeit;124
4.1.5.2;7.5.2 Länge des Manövers;125
4.2;8 Fahrwerkkinematik und Fahrwerklager;126
4.2.1;8.1 Abbildung der Kinematik;126
4.2.1.1;8.1.1 Mechanismenorientierte Modelle;126
4.2.1.2;8.1.2 Kennfeldorientierte Modelle;132
4.2.1.3;8.1.3 Verhaltensorientierte Modelle;133
4.2.2;8.2 Abbildung der Elastokinematik;134
4.2.2.1;8.2.1 Elastische Fahrwerkteile;134
4.2.2.2;8.2.2 Nebenfederrate;136
4.2.3;8.3 Einfache Elastomerlagermodelle;137
4.2.3.1;8.3.1 Lineare Parametrierung;138
4.2.3.2;8.3.2 Nichtlineare Parametrierung;142
4.2.3.3;8.3.3 Einfluss der Amplitude und der Frequenz der Anregung;144
4.2.4;8.4 Grundlagen typischer Elastomerlagermodelle;146
4.2.4.1;8.4.1 MAXWELL-Element;146
4.2.4.2;8.4.2 KELVIN-VOIGT-Element;147
4.2.4.3;8.4.3 Kombination mehrerer Elemente;148
4.2.5;8.5 Spezielle Fahrwerklager;148
4.2.5.1;8.5.1 Hydrolager;148
4.2.5.2;8.5.2 Kopflager;150
4.2.6;8.6 Abgleich der Kinematik und Elastokinematik mit Messungen;151
4.2.6.1;8.6.1 Erstellung von Raderhebungskurven;151
4.2.6.2;8.6.2 Abweichungen im Fahrzeugniveau;152
4.2.6.3;8.6.3 Abweichungen in der Kinematik oder der Elastokinematik;152
4.2.6.4;8.6.4 Zusatzfedern;152
4.2.6.5;8.6.5 Aufbaufedersteifigkeit;153
4.2.6.6;8.6.6 Stabilisatorsteifigkeit;154
4.3;9 Federn;155
4.3.1;9.1 Stahlfedern;156
4.3.1.1;9.1.1 Schraubenfeder;156
4.3.1.2;9.1.2 Blattfeder;159
4.3.1.3;9.1.3 Torsionsstabfeder;163
4.3.1.4;9.1.4 Stabilisator;163
4.3.2;9.2 Luftfeder;165
4.3.2.1;9.2.1 Bestimmung der quasistatischen Steifigkeit;165
4.3.2.2;9.2.2 Bestimmung der dynamischen Steifigkeit;166
4.3.2.3;9.2.3 Verwendung gemessener Kennlinien;167
4.3.2.4;9.2.4 Niveauregulierung;168
4.3.3;9.3 Druckpuffer und Zuganschlagfeder;169
4.3.3.1;9.3.1 Druckpuffer;169
4.3.3.2;9.3.2 Zuganschlagfeder;170
4.3.3.3;9.3.3 Kombination;170
4.3.4;9.4 Federübersetzung;170
4.4;10 Dämpfung und Reibung;173
4.4.1;10.1 Dämpfer;173
4.4.1.1;10.1.1 Kraftgesetz und Dämpferkennlinie;173
4.4.1.2;10.1.2 Kinematik und Masse;177
4.4.1.3;10.1.3 Dämpferübersetzung;177
4.4.1.4;10.1.4 Gasfederkräfte;177
4.4.1.5;10.1.5 Dichtungen und Reibung;178
4.4.1.6;10.1.6 Temperaturverhalten;178
4.4.1.7;10.1.7 Komplexe Dämpfermodelle;179
4.4.2;10.2 Reibung;179
4.4.2.1;10.2.1 COULOMBsche Reibung;179
4.4.2.2;10.2.2 Fiktive Gesamtreibung;182
4.5;11 Lenkung;183
4.5.1;11.1 Einfache Lenkungsmodelle;184
4.5.2;11.2 Lenkstrang;187
4.5.2.1;11.2.1 Lenkgetriebe;187
4.5.2.2;11.2.2 Lenksäule;188
4.5.2.3;11.2.3 Lenkrad;189
4.5.3;11.3 Servounterstützung;189
4.5.3.1;11.3.1 Hydraulische Servolenkung (HPS);190
4.5.3.2;11.3.2 Elektrohydraulische Servolenkung (EHPS);191
4.5.3.3;11.3.3 Elektrische Servolenkung (EPS);191
4.6;12 Reifen und Straße;193
4.6.1;12.1 Allgemeine Anforderungen für Reifenmodelle;195
4.6.1.1;12.1.1 Modellierung der Kontaktfläche;196
4.6.1.2;12.1.2 Reibkontakt und Schlupfdefinition;197
4.6.1.3;12.1.3 Grenzen der Schlupfdefinition;200
4.6.1.4;12.1.4 Standard Tyre Interface;202
4.6.2;12.2 Reifenmodelle für die Fahrdynamik;202
4.6.2.1;12.2.1 Magic Formula;203
4.6.2.2;12.2.2 MF-Tyre und MF-SWIFT;204
4.6.2.3;12.2.3 HSRI-Modell;204
4.6.3;12.3 Reifenmodelle für Fahrkomfortund Lastkollektivsimulation;206
4.6.3.1;12.3.1 FTire;207
4.6.3.2;12.3.2 RMOD-K;207
4.6.3.3;12.3.3 CDTire;208
4.6.4;12.4 Parametrierung der Reifenmodelle;208
4.6.4.1;12.4.1 Prozess der Parametrierung;208
4.6.4.2;12.4.2 Messung von Reifenparametern;210
4.6.4.3;12.4.3 Modelle unterschiedlicher Komplexität;212
4.6.5;12.5 Modellierung der Straße;212
4.6.5.1;12.5.1 Messverfahren für Straßenprofile;212
4.6.5.2;12.5.2 Topologie der Straße;214
4.6.5.3;12.5.3 Einzelanregungen;216
4.6.5.4;12.5.4 Periodische Anregungen;217
4.6.5.5;12.5.5 Stochastische Anregungen;218
4.7;13 Antriebsstrang;219
4.7.1;13.1 Vorgabe des Antriebsmoments;219
4.7.2;13.2 Motor und Getriebe;220
4.7.2.1;13.2.1 Motorkennfeld und Zeitverhalten;220
4.7.2.2;13.2.2 Massedaten;221
4.7.2.3;13.2.3 Lagerung;221
4.7.3;13.3 Achs- und Mittendifferenziale;222
4.8;14 Bremsanlage;224
4.8.1;14.1 Vorgabe des Bremsmoments;225
4.8.2;14.2 Bremskreise;225
4.8.3;14.3 Bremskraftverteilung;226
4.8.4;14.4 Wirkkette vom Fahrer bis zur Radbremse;227
4.8.5;14.5 Bremsmoment an der Radbremse;230
4.8.5.1;14.5.1 Trommelbremse;230
4.8.5.2;14.5.2 Scheibenbremse;231
4.8.6;14.6 Bremsen in den Stillstand;231
4.8.7;14.7 Reibwert- und Temperaturverhalten;232
4.9;15 Fahrzeugaufbau;233
4.9.1;15.1 Karosserie;233
4.9.1.1;15.1.1 Vorbereitung des FEM-Modells;234
4.9.1.2;15.1.2 Modale Reduktion;234
4.9.2;15.2 Gesamtgewicht;235
4.9.2.1;15.2.1 Gewichtsverteilung;235
4.9.2.2;15.2.2 Einsatz einer Korrekturmasse;236
4.9.2.3;15.2.3 Einsatz mehrerer Korrekturmassen;237
4.9.2.4;15.2.4 Fazit;238
4.9.3;15.3 Aerodynamik;238
4.9.3.1;15.3.1 Luftwiderstand;238
4.9.3.2;15.3.2 Seitenwind;239
4.9.3.3;15.3.3 Auftrieb;240
4.10;16 Der simulierte Fahrer;241
4.10.1;16.1 Geschwindigkeitsregelung;242
4.10.1.1;16.1.1 Anfangswert;242
4.10.1.2;16.1.2 Open-Loop-Manöver;243
4.10.1.3;16.1.3 Closed-Loop-Manöver;243
4.10.2;16.2 Lenkregelung;245
4.10.2.1;16.2.1 Open-Loop-Manöver;246
4.10.2.2;16.2.2 Closed-Loop-Manöver;246
4.10.3;16.3 Komplexe Fahrermodelle;248
4.11;17 Das Fahrzeugmodell als Strecke;249
4.11.1;17.1 Entwicklung von Regelsystemen;249
4.11.1.1;17.1.1 Software-in-the-Loop;250
4.11.1.2;17.1.2 Hardware-in-the-Loop;251
4.11.2;17.2 Sensorik;253
4.11.3;17.3 Aktorik;254
5;Normenverzeichnis;255
6;Formelzeichen;256
7;Abkürzungsverzeichnis;258
8;Literaturverzeichnis;259
9;Sachwortverzeichnis;268