Simulation in der Fahrwerktechnik (eBook)

Einführung in die Erstellung von Komponenten- und Gesamtfahrzeugmodellen

Dirk Adamski (Autor)

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2014 | 2014
XVI, 255 Seiten
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (Verlag)
978-3-658-06536-2 (ISBN)

Infos

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.

Inhalt

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 9
Teil I – Einführung in die Simulationstechnik 18
1 Simulationsmethoden 19
1.1 Was ist Simulation? 19
1.2 Betrachtungsweisen 19
1.2.1 Finite Elemente Methode (FEM) 20
1.2.2 Mehrkörpersysteme (MKS) 21
1.2.3 Blockschaltbildorientierte Methoden 24
2 Systemtechnik 26
2.1 Systembegriff 26
2.1.1 Systemgrenze 27
2.1.2 Kausalität 29
2.1.3 Übertragungsverhalten 30
2.1.4 Wertebereich 31
2.1.5 Lineare und Nichtlineare Systeme 32
2.2 Systemverhalten 34
2.2.1 Systeme mit und ohne Gedächtnis 34
2.2.2 Änderungsverhalten 34
2.3 Fragestellungen aus der gegebenen Systemstruktur 37
2.3.1 Systemanalyse 37
2.3.2 Systemidentifikation 37
2.3.3 Systemsteuerung 38
3 Modellbildung 39
3.1 Am Anfang steht das Problem 39
3.2 Der Unterschied zwischen fehlerbehaftet und falsch 41
3.3 Methoden zur Modellbildung 42
3.3.1 Induktion 42
3.3.2 Deduktion 43
3.3.3 Methode der Wahl 43
3.4 Modellklassen 44
3.4.1 Physikalische Modelle 44
3.4.2 Verhaltensmodelle 44
3.5 Problemanalyse 46
3.5.1 Analyse der Fragestellung 46
3.5.2 Analyse des Systems 46
3.6 Modellentwurf 47
3.6.1 Simulationsmethode 47
3.6.2 Umsetzung der Problemanalyse 47
3.7 Verifikation 48
3.8 Validierung 48
3.8.1 Prinzipielle Vorgehensweise 48
3.8.2 Vergleich von Messung und Simulation 50
3.8.3 Vergleich von Simulation und Simulation 53
3.8.4 Validierung mit Gesamtfahrzeugmessungen 53
3.9 Einfache oder mehrfache Verwendung 54
3.9.1 Modularisiert oder monolithisch? 54
3.9.2 Trennung von Daten und Modell 56
4 Numerik – das Problem mit dem Anfang 57
4.1 Wer ist EULER? 57
4.2 Anfangswertprobleme oder Numerische Integration von Differenzialgleichungen 57
4.2.1 Das Anfangswertproblem 57
4.2.2 Numerische Integration 58
4.3 Numerische Integration von Differenzialgleichungen erster Ordnung 59
4.3.1 Ein einfaches Beispiel 59
4.3.2 Streckenzugverfahren nach EULER 60
4.3.3 Fehlerarten 62
4.3.4 Konvergenz und Stabilität 64
4.4 Integrationsverfahren 67
4.4.1 Verfahrensübersicht 67
4.4.2 Implizites EULER-Verfahren 68
4.4.3 RUNGE-KUTTA-Verfahren 70
4.4.4 ADAMS-Verfahren 70
4.4.5 BDF-Verfahren 72
4.5 Interpolations- und Extrapolationsverfahren 72
4.5.1 Interpolation 72
4.5.2 Extrapolation 74
4.6 Ein- und Ausblenden von Funktionen 75
4.6.1 Linear 75
4.6.2 Exponentiell 76
4.6.3 Trigonometrisch 78
5 Simulationswerkzeuge 80
5.1 Werkzeugauswahl 80
5.1.1 Inhouse-Lösung 80
5.1.2 Kommerzielles Produkt 81
5.2 Grundstruktur einer Simulationsumgebung 82
5.2.1 Präprozessor 82
5.2.2 Solver 84
5.2.3 Postprozessor 85
5.3 Schnittstellen für die Cosimulation 90
5.3.1 Reglerimport 90
5.3.2 MKS-Modellimport 91
5.3.3 Online-Cosimulation 92
5.3.4 Potenzielle Kommunikationsprobleme 92
6 Simulationsprozess 95
6.1 Parameterbeschaffung 96
6.1.1 Parameterbedarf 96
6.1.2 Benennung von Parametern 97
6.1.3 Einheitenbehaftete Parameter 100
6.1.4 Eindimensionale Parameter 101
6.1.5 Mehrdimensionale Parameter 101
6.1.6 Fahrzeugbezugssystem 106
6.1.7 Masseeigenschaften 107
6.2 Im Vorfeld der Berechnung 109
6.2.1 Konsistenz von Daten und Modell 109
6.2.2 Modellvielfalt 110
6.2.3 Berechnungshistorie 110
6.3 Berechnungsvorgang 111
6.3.1 Lokal oder extern 111
6.3.2 Kopiervorgang 111
6.3.3 Lizenzen 112
6.4 Im Nachgang der Berechnung 112
6.4.1 Dokumentation der Berechnung 112
6.4.2 Archivierung 112
6.4.3 Motivation zur Dokumentation 113
6.5 Reproduzierbarkeit der Simulationsergebnisse 113
Teil II – Simulation in der Fahrwerktechnik 115
7 Modellbildung von Fahrwerkkomponenten 116
7.1 Einsatzgebiete und Grenzen der Simulation 116
7.1.1 Fahrdynamik und Fahrerassistenzsysteme 116
7.1.2 Fahrkomfort 117
7.1.3 Lastkollektivermittlung 118
7.1.4 Einsatz von Simulatoren 119
7.1.5 Potenzial der Berechnung oder noch ungehobene Schätze 120
7.2 Komplexität von Modellen 121
7.2.1 Wartung und Änderungen 121
7.2.2 Rechenzeitbedarf 122
7.2.3 Parameterbedarf 122
7.3 Einfache Modellansätze 122
7.4 Wo steckt die richtige Information? 123
7.5 Planung und Auswertung von Fahrmanövern 124
7.5.1 Einschwingzeit 124
7.5.2 Länge des Manövers 125
8 Fahrwerkkinematik und Fahrwerklager 126
8.1 Abbildung der Kinematik 126
8.1.1 Mechanismenorientierte Modelle 126
8.1.2 Kennfeldorientierte Modelle 132
8.1.3 Verhaltensorientierte Modelle 133
8.2 Abbildung der Elastokinematik 134
8.2.1 Elastische Fahrwerkteile 134
8.2.2 Nebenfederrate 136
8.3 Einfache Elastomerlagermodelle 137
8.3.1 Lineare Parametrierung 138
8.3.2 Nichtlineare Parametrierung 142
8.3.3 Einfluss der Amplitude und der Frequenz der Anregung 144
8.4 Grundlagen typischer Elastomerlagermodelle 146
8.4.1 MAXWELL-Element 146
8.4.2 KELVIN-VOIGT-Element 147
8.4.3 Kombination mehrerer Elemente 148
8.5 Spezielle Fahrwerklager 148
8.5.1 Hydrolager 148
8.5.2 Kopflager 150
8.6 Abgleich der Kinematik und Elastokinematik mit Messungen 151
8.6.1 Erstellung von Raderhebungskurven 151
8.6.2 Abweichungen im Fahrzeugniveau 152
8.6.3 Abweichungen in der Kinematik oder der Elastokinematik 152
8.6.4 Zusatzfedern 152
8.6.5 Aufbaufedersteifigkeit 153
8.6.6 Stabilisatorsteifigkeit 154
9 Federn 155
9.1 Stahlfedern 156
9.1.1 Schraubenfeder 156
9.1.2 Blattfeder 159
9.1.3 Torsionsstabfeder 163
9.1.4 Stabilisator 163
9.2 Luftfeder 165
9.2.1 Bestimmung der quasistatischen Steifigkeit 165
9.2.2 Bestimmung der dynamischen Steifigkeit 166
9.2.3 Verwendung gemessener Kennlinien 167
9.2.4 Niveauregulierung 168
9.3 Druckpuffer und Zuganschlagfeder 169
9.3.1 Druckpuffer 169
9.3.2 Zuganschlagfeder 170
9.3.3 Kombination 170
9.4 Federübersetzung 170
10 Dämpfung und Reibung 173
10.1 Dämpfer 173
10.1.1 Kraftgesetz und Dämpferkennlinie 173
10.1.2 Kinematik und Masse 177
10.1.3 Dämpferübersetzung 177
10.1.4 Gasfederkräfte 177
10.1.5 Dichtungen und Reibung 178
10.1.6 Temperaturverhalten 178
10.1.7 Komplexe Dämpfermodelle 179
10.2 Reibung 179
10.2.1 COULOMBsche Reibung 179
10.2.2 Fiktive Gesamtreibung 182
11 Lenkung 183
11.1 Einfache Lenkungsmodelle 184
11.2 Lenkstrang 187
11.2.1 Lenkgetriebe 187
11.2.2 Lenksäule 188
11.2.3 Lenkrad 189
11.3 Servounterstützung 189
11.3.1 Hydraulische Servolenkung (HPS) 190
11.3.2 Elektrohydraulische Servolenkung (EHPS) 191
11.3.3 Elektrische Servolenkung (EPS) 191
12 Reifen und Straße 193
12.1 Allgemeine Anforderungen für Reifenmodelle 195
12.1.1 Modellierung der Kontaktfläche 196
12.1.2 Reibkontakt und Schlupfdefinition 197
12.1.3 Grenzen der Schlupfdefinition 200
12.1.4 Standard Tyre Interface 202
12.2 Reifenmodelle für die Fahrdynamik 202
12.2.1 Magic Formula 203
12.2.2 MF-Tyre und MF-SWIFT 204
12.2.3 HSRI-Modell 204
12.3 Reifenmodelle für Fahrkomfortund Lastkollektivsimulation 206
12.3.1 FTire 207
12.3.2 RMOD-K 207
12.3.3 CDTire 208
12.4 Parametrierung der Reifenmodelle 208
12.4.1 Prozess der Parametrierung 208
12.4.2 Messung von Reifenparametern 210
12.4.3 Modelle unterschiedlicher Komplexität 212
12.5 Modellierung der Straße 212
12.5.1 Messverfahren für Straßenprofile 212
12.5.2 Topologie der Straße 214
12.5.3 Einzelanregungen 216
12.5.4 Periodische Anregungen 217
12.5.5 Stochastische Anregungen 218
13 Antriebsstrang 219
13.1 Vorgabe des Antriebsmoments 219
13.2 Motor und Getriebe 220
13.2.1 Motorkennfeld und Zeitverhalten 220
13.2.2 Massedaten 221
13.2.3 Lagerung 221
13.3 Achs- und Mittendifferenziale 222
14 Bremsanlage 224
14.1 Vorgabe des Bremsmoments 225
14.2 Bremskreise 225
14.3 Bremskraftverteilung 226
14.4 Wirkkette vom Fahrer bis zur Radbremse 227
14.5 Bremsmoment an der Radbremse 230
14.5.1 Trommelbremse 230
14.5.2 Scheibenbremse 231
14.6 Bremsen in den Stillstand 231
14.7 Reibwert- und Temperaturverhalten 232
15 Fahrzeugaufbau 233
15.1 Karosserie 233
15.1.1 Vorbereitung des FEM-Modells 234
15.1.2 Modale Reduktion 234
15.2 Gesamtgewicht 235
15.2.1 Gewichtsverteilung 235
15.2.2 Einsatz einer Korrekturmasse 236
15.2.3 Einsatz mehrerer Korrekturmassen 237
15.2.4 Fazit 238
15.3 Aerodynamik 238
15.3.1 Luftwiderstand 238
15.3.2 Seitenwind 239
15.3.3 Auftrieb 240
16 Der simulierte Fahrer 241
16.1 Geschwindigkeitsregelung 242
16.1.1 Anfangswert 242
16.1.2 Open-Loop-Manöver 243
16.1.3 Closed-Loop-Manöver 243
16.2 Lenkregelung 245
16.2.1 Open-Loop-Manöver 246
16.2.2 Closed-Loop-Manöver 246
16.3 Komplexe Fahrermodelle 248
17 Das Fahrzeugmodell als Strecke 249
17.1 Entwicklung von Regelsystemen 249
17.1.1 Software-in-the-Loop 250
17.1.2 Hardware-in-the-Loop 251
17.2 Sensorik 253
17.3 Aktorik 254
Normenverzeichnis 255
Formelzeichen 256
Abkürzungsverzeichnis 258
Literaturverzeichnis 259
Sachwortverzeichnis 268

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 11.9.2014
• Reihe/Serie: ATZ/MTZ-Fachbuch
• Reihe/Serie: ATZ/MTZ-Fachbuch
• Zusatzinfo: XVI, 255 S. 177 Abb., 70 Abb. in Farbe.
• Verlagsort: Wiesbaden
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: Fahrdynamik • Fahrwerk • Komponenten • Mehrkörpersysteme • Numerik • Simulation
• ISBN-10: 3-658-06536-2 / 3658065362
• ISBN-13: 978-3-658-06536-2 / 9783658065362