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E-Book

Simulation in der Fahrwerktechnik

Einführung in die Erstellung von Komponenten- und Gesamtfahrzeugmodellen

AutorDirk Adamski
VerlagSpringer Vieweg
Erscheinungsjahr2014
Seitenanzahl271 Seiten
ISBN9783658065362
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis35,96 EUR
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.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis9
Teil I – Einführung in die Simulationstechnik18
1 Simulationsmethoden19
1.1 Was ist Simulation?19
1.2 Betrachtungsweisen19
1.2.1 Finite Elemente Methode (FEM)20
1.2.2 Mehrkörpersysteme (MKS)21
1.2.3 Blockschaltbildorientierte Methoden24
2 Systemtechnik26
2.1 Systembegriff26
2.1.1 Systemgrenze27
2.1.2 Kausalität29
2.1.3 Übertragungsverhalten30
2.1.4 Wertebereich31
2.1.5 Lineare und Nichtlineare Systeme32
2.2 Systemverhalten34
2.2.1 Systeme mit und ohne Gedächtnis34
2.2.2 Änderungsverhalten34
2.3 Fragestellungen aus der gegebenen Systemstruktur37
2.3.1 Systemanalyse37
2.3.2 Systemidentifikation37
2.3.3 Systemsteuerung38
3 Modellbildung39
3.1 Am Anfang steht das Problem39
3.2 Der Unterschied zwischen fehlerbehaftet und falsch41
3.3 Methoden zur Modellbildung42
3.3.1 Induktion42
3.3.2 Deduktion43
3.3.3 Methode der Wahl43
3.4 Modellklassen44
3.4.1 Physikalische Modelle44
3.4.2 Verhaltensmodelle44
3.5 Problemanalyse46
3.5.1 Analyse der Fragestellung46
3.5.2 Analyse des Systems46
3.6 Modellentwurf47
3.6.1 Simulationsmethode47
3.6.2 Umsetzung der Problemanalyse47
3.7 Verifikation48
3.8 Validierung48
3.8.1 Prinzipielle Vorgehensweise48
3.8.2 Vergleich von Messung und Simulation50
3.8.3 Vergleich von Simulation und Simulation53
3.8.4 Validierung mit Gesamtfahrzeugmessungen53
3.9 Einfache oder mehrfache Verwendung54
3.9.1 Modularisiert oder monolithisch?54
3.9.2 Trennung von Daten und Modell56
4 Numerik – das Problem mit dem Anfang57
4.1 Wer ist EULER?57
4.2 Anfangswertprobleme oder Numerische Integration von Differenzialgleichungen57
4.2.1 Das Anfangswertproblem57
4.2.2 Numerische Integration58
4.3 Numerische Integration von Differenzialgleichungen erster Ordnung59
4.3.1 Ein einfaches Beispiel59
4.3.2 Streckenzugverfahren nach EULER60
4.3.3 Fehlerarten62
4.3.4 Konvergenz und Stabilität64
4.4 Integrationsverfahren67
4.4.1 Verfahrensübersicht67
4.4.2 Implizites EULER-Verfahren68
4.4.3 RUNGE-KUTTA-Verfahren70
4.4.4 ADAMS-Verfahren70
4.4.5 BDF-Verfahren72
4.5 Interpolations- und Extrapolationsverfahren72
4.5.1 Interpolation72
4.5.2 Extrapolation74
4.6 Ein- und Ausblenden von Funktionen75
4.6.1 Linear75
4.6.2 Exponentiell76
4.6.3 Trigonometrisch78
5 Simulationswerkzeuge80
5.1 Werkzeugauswahl80
5.1.1 Inhouse-Lösung80
5.1.2 Kommerzielles Produkt81
5.2 Grundstruktur einer Simulationsumgebung82
5.2.1 Präprozessor82
5.2.2 Solver84
5.2.3 Postprozessor85
5.3 Schnittstellen für die Cosimulation90
5.3.1 Reglerimport90
5.3.2 MKS-Modellimport91
5.3.3 Online-Cosimulation92
5.3.4 Potenzielle Kommunikationsprobleme92
6 Simulationsprozess95
6.1 Parameterbeschaffung96
6.1.1 Parameterbedarf96
6.1.2 Benennung von Parametern97
6.1.3 Einheitenbehaftete Parameter100
6.1.4 Eindimensionale Parameter101
6.1.5 Mehrdimensionale Parameter101
6.1.6 Fahrzeugbezugssystem106
6.1.7 Masseeigenschaften107
6.2 Im Vorfeld der Berechnung109
6.2.1 Konsistenz von Daten und Modell109
6.2.2 Modellvielfalt110
6.2.3 Berechnungshistorie110
6.3 Berechnungsvorgang111
6.3.1 Lokal oder extern111
6.3.2 Kopiervorgang111
6.3.3 Lizenzen112
6.4 Im Nachgang der Berechnung112
6.4.1 Dokumentation der Berechnung112
6.4.2 Archivierung112
6.4.3 Motivation zur Dokumentation113
6.5 Reproduzierbarkeit der Simulationsergebnisse113
Teil II – Simulation in der Fahrwerktechnik115
7 Modellbildung von Fahrwerkkomponenten116
7.1 Einsatzgebiete und Grenzen der Simulation116
7.1.1 Fahrdynamik und Fahrerassistenzsysteme116
7.1.2 Fahrkomfort117
7.1.3 Lastkollektivermittlung118
7.1.4 Einsatz von Simulatoren119
7.1.5 Potenzial der Berechnung oder noch ungehobene Schätze120
7.2 Komplexität von Modellen121
7.2.1 Wartung und Änderungen121
7.2.2 Rechenzeitbedarf122
7.2.3 Parameterbedarf122
7.3 Einfache Modellansätze122
7.4 Wo steckt die richtige Information?123
7.5 Planung und Auswertung von Fahrmanövern124
7.5.1 Einschwingzeit124
7.5.2 Länge des Manövers125
8 Fahrwerkkinematik und Fahrwerklager126
8.1 Abbildung der Kinematik126
8.1.1 Mechanismenorientierte Modelle126
8.1.2 Kennfeldorientierte Modelle132
8.1.3 Verhaltensorientierte Modelle133
8.2 Abbildung der Elastokinematik134
8.2.1 Elastische Fahrwerkteile134
8.2.2 Nebenfederrate136
8.3 Einfache Elastomerlagermodelle137
8.3.1 Lineare Parametrierung138
8.3.2 Nichtlineare Parametrierung142
8.3.3 Einfluss der Amplitude und der Frequenz der Anregung144
8.4 Grundlagen typischer Elastomerlagermodelle146
8.4.1 MAXWELL-Element146
8.4.2 KELVIN-VOIGT-Element147
8.4.3 Kombination mehrerer Elemente148
8.5 Spezielle Fahrwerklager148
8.5.1 Hydrolager148
8.5.2 Kopflager150
8.6 Abgleich der Kinematik und Elastokinematik mit Messungen151
8.6.1 Erstellung von Raderhebungskurven151
8.6.2 Abweichungen im Fahrzeugniveau152
8.6.3 Abweichungen in der Kinematik oder der Elastokinematik152
8.6.4 Zusatzfedern152
8.6.5 Aufbaufedersteifigkeit153
8.6.6 Stabilisatorsteifigkeit154
9 Federn155
9.1 Stahlfedern156
9.1.1 Schraubenfeder156
9.1.2 Blattfeder159
9.1.3 Torsionsstabfeder163
9.1.4 Stabilisator163
9.2 Luftfeder165
9.2.1 Bestimmung der quasistatischen Steifigkeit165
9.2.2 Bestimmung der dynamischen Steifigkeit166
9.2.3 Verwendung gemessener Kennlinien167
9.2.4 Niveauregulierung168
9.3 Druckpuffer und Zuganschlagfeder169
9.3.1 Druckpuffer169
9.3.2 Zuganschlagfeder170
9.3.3 Kombination170
9.4 Federübersetzung170
10 Dämpfung und Reibung173
10.1 Dämpfer173
10.1.1 Kraftgesetz und Dämpferkennlinie173
10.1.2 Kinematik und Masse177
10.1.3 Dämpferübersetzung177
10.1.4 Gasfederkräfte177
10.1.5 Dichtungen und Reibung178
10.1.6 Temperaturverhalten178
10.1.7 Komplexe Dämpfermodelle179
10.2 Reibung179
10.2.1 COULOMBsche Reibung179
10.2.2 Fiktive Gesamtreibung182
11 Lenkung183
11.1 Einfache Lenkungsmodelle184
11.2 Lenkstrang187
11.2.1 Lenkgetriebe187
11.2.2 Lenksäule188
11.2.3 Lenkrad189
11.3 Servounterstützung189
11.3.1 Hydraulische Servolenkung (HPS)190
11.3.2 Elektrohydraulische Servolenkung (EHPS)191
11.3.3 Elektrische Servolenkung (EPS)191
12 Reifen und Straße193
12.1 Allgemeine Anforderungen für Reifenmodelle195
12.1.1 Modellierung der Kontaktfläche196
12.1.2 Reibkontakt und Schlupfdefinition197
12.1.3 Grenzen der Schlupfdefinition200
12.1.4 Standard Tyre Interface202
12.2 Reifenmodelle für die Fahrdynamik202
12.2.1 Magic Formula203
12.2.2 MF-Tyre und MF-SWIFT204
12.2.3 HSRI-Modell204
12.3 Reifenmodelle für Fahrkomfortund Lastkollektivsimulation206
12.3.1 FTire207
12.3.2 RMOD-K207
12.3.3 CDTire208
12.4 Parametrierung der Reifenmodelle208
12.4.1 Prozess der Parametrierung208
12.4.2 Messung von Reifenparametern210
12.4.3 Modelle unterschiedlicher Komplexität212
12.5 Modellierung der Straße212
12.5.1 Messverfahren für Straßenprofile212
12.5.2 Topologie der Straße214
12.5.3 Einzelanregungen216
12.5.4 Periodische Anregungen217
12.5.5 Stochastische Anregungen218
13 Antriebsstrang219
13.1 Vorgabe des Antriebsmoments219
13.2 Motor und Getriebe220
13.2.1 Motorkennfeld und Zeitverhalten220
13.2.2 Massedaten221
13.2.3 Lagerung221
13.3 Achs- und Mittendifferenziale222
14 Bremsanlage224
14.1 Vorgabe des Bremsmoments225
14.2 Bremskreise225
14.3 Bremskraftverteilung226
14.4 Wirkkette vom Fahrer bis zur Radbremse227
14.5 Bremsmoment an der Radbremse230
14.5.1 Trommelbremse230
14.5.2 Scheibenbremse231
14.6 Bremsen in den Stillstand231
14.7 Reibwert- und Temperaturverhalten232
15 Fahrzeugaufbau233
15.1 Karosserie233
15.1.1 Vorbereitung des FEM-Modells234
15.1.2 Modale Reduktion234
15.2 Gesamtgewicht235
15.2.1 Gewichtsverteilung235
15.2.2 Einsatz einer Korrekturmasse236
15.2.3 Einsatz mehrerer Korrekturmassen237
15.2.4 Fazit238
15.3 Aerodynamik238
15.3.1 Luftwiderstand238
15.3.2 Seitenwind239
15.3.3 Auftrieb240
16 Der simulierte Fahrer241
16.1 Geschwindigkeitsregelung242
16.1.1 Anfangswert242
16.1.2 Open-Loop-Manöver243
16.1.3 Closed-Loop-Manöver243
16.2 Lenkregelung245
16.2.1 Open-Loop-Manöver246
16.2.2 Closed-Loop-Manöver246
16.3 Komplexe Fahrermodelle248
17 Das Fahrzeugmodell als Strecke249
17.1 Entwicklung von Regelsystemen249
17.1.1 Software-in-the-Loop250
17.1.2 Hardware-in-the-Loop251
17.2 Sensorik253
17.3 Aktorik254
Normenverzeichnis255
Formelzeichen256
Abkürzungsverzeichnis258
Literaturverzeichnis259
Sachwortverzeichnis268

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