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E-Book

Simulation in der Fahrwerktechnik

Einführung in die Erstellung von Komponenten- und Gesamtfahrzeugmodellen

Autor	Dirk Adamski
Verlag	Springer Vieweg
Erscheinungsjahr	2014
Seitenanzahl	271 Seiten
ISBN	9783658065362
Format	PDF
Kopierschutz	DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	35,96 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

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

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