Fahrdynamik-Regelung

Nach Herstellerangaben haben die Elektrik und Elektronik einen Anteil im Kaufwert eines Personenkraftfahrzeuges von etwa 20 – 25 % bei heutigen Fahrzeugen und man erwartet einen Anstieg auf 30 – 35 % um 2010. Hierunter sind vielerlei Komponenten wie Schalter, Kabel, Stecker, Sensoren, elektrische Aktoren und Antriebe, Bordnetz, Signalbussysteme und Steuerungs- und Regelungseinheiten mit hochintegrierten Schaltungen und Mikrocontrollern enthalten. Ein Fahrzeug der Oberklasse enthält zurzeit etwa 2,5 km Kabel, 40 Sensoren, bis zu 150 elektromotorische Aktoren und Antriebe, 4 Bussysteme mit 2500 Signalen und 45 – 75 Mikrorechnersteuergeräte (je nach Ausstattung).

Der Einsatz von mathematischen Fahrzeugmodellen zur Simulation und zum Entwurf von Fahrdynamikregelungen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die Gründe hierfür sind vielfältig: Ziel ist es, eine mathematische Beschreibung des Verhaltens eines Fahrzeugs zu erhalten, die für verschiedene Zwecke verwendet werden kann.

Die Herleitung des mathematischen Modells der Kraftfahrzeugquerdynamik und die Modellverifikation mit Daten, die während Testfahrten aufgenommen wurden, erfolgen iterativ. Eine Grundlage bildet die deduktive theoretische Modellbildung. Durch Überlegungen wird zunächst die Modellstruktur des Prozesses bestimmt. Durch Zusammenstellen von Bilanzgleichungen, konstitutiven Gleichungen und phänomenologischen Gleichungen wird ein mathematisches Abbild der Prozessstruktur aufgestellt. Zur Bestimmung einiger Parameter können Informationen aus der theoretischen Modellbildung verwendet werden. Zusätzlich erfolgt eine induktive experimentelle Modellbildung, die Identifikation genannt wird. Unter Annahme einer Modellstruktur werden die restlichen Modellparameter aus experimentellen Ergebnissen bestimmt.

Der Entwurf mechatronischer Produkte verlangt die Berücksichtigung des Gesamtsystems, um Iterationen zu reduzieren und Produkteigenschaften nicht nur zu verbessern, sondern auch zu optimieren, [11]. Deswegen sollten Simulationsmodelle diese unterschiedlichen Disziplinen abdecken können. Herkömmliche leistungsfähige Ansätze haben mit dieser gewünschten Multidisziplinarität Probleme und sind meist auf eine bestimmte physikalische Domäne spezialisiert. Ebenso ist der Im- und Export von Modellen oft nur mit hohem Aufwand möglich. Die Idee der Co-Simulation will dieses Dilemma durch paralleles Simulieren mehrerer Simulationswerkzeuge, die über eine Art Datenbus Simulationsdaten austauschen, lösen. Hier hat man für zwei Simulatoren gute Erfahrungen gemacht, mit steigender Anzahl an gekoppelten Simulatoren explodieren aber auch die Probleme in Bezug auf Stabilität und Geschwindigkeit [34].

Nachdem in den vorangehenden Kapiteln die theoretischen Grundlagen von Fahrzeugsimulationsmodellen dargestellt wurden, soll im Folgenden auf die Anwendung von kommerziellen Fahrzeugmodellen in der Praxis eingegangen werden. Anhand des modellbasierten Entwicklungsprozesses soll verdeutlicht werden, welche Arten von Simulationsmodellen in welcher Phase der Fahrzeugentwicklung eingesetzt werden. Beispiele für gängige Simulationstools sowie Hersteller werden hierbei genannt. Es soll an dieser Stelle allerdings ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass diese Darstellung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, sondern nur eine exemplarische Auswahl ohne Wertung verkörpert.

Das Ziel bei der Entwicklung aktiv gefederter Fahrzeuge, zu sicheren, komfortablen und kostengünstigen Lösungen unter Einsatz begrenzter zeitlicher und personeller Ressourcen zu kommen, rückt den Entwicklungsprozess und seine Bestandteile in den Fokus. Insbesondere die Planbarkeit von Entwicklungsprozessen ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die Entwicklung innovativer, komplexer mechatronischer Systeme.

Innerhalb der letzten Jahrzehnte hat die Sicherheit im Straßenverkehr stetig an Bedeutung gewonnen. In dem Maß, wie die von modernen Fahrzeugen erreichbare Höchstgeschwindigkeit und die Verkehrsdichte anstiegen, erhöhten sich zugleich die an Fahrzeug und Infrastruktur gestellten Anforderungen. Die Verkehrssicherheit wird hierbei von einer Vielzahl von Faktoren bestimmt, die sich nach einem Bericht des Verbands der Automobilindustrie [1] in vier Gruppen unterteilen lassen.

Im täglichen Verkehr verhält sich das Fahrzeug auf griffiger Fahrbahn meistens linear: die Querbeschleunigung ist selten größer als 0,2 g und die Längsbeschleunigung und die Längsverzögerung sind selten größer als 0,3 g. Damit sind die Beträge der Schräg- und Schwimmwinkel selten größer als 2† und der Schlupfbetrag ist selten größer als 2%. In diesen Bereichen verhält sich der Reifen linear. Gerät das Fahrzeug in den nichtlinearen Bereich, so wird die Fahrzeugführung sehr schwer, einerseits weil der Fahrer nicht gewohnt ist, das Fahrzeug in dieser schwer zu kontrollierenden Situation zu führen und andererseits, weil er umso länger braucht die Fahrsituation zu erkennen, je weniger Erfahrung er mit solchen Situationen gesammelt hat. Erreicht z.B. die Hinterachse den maximalen Seitenkraftbeiwert vor der Vorderachse, so kann das Fahrzeug ins Schleudern geraten (Bild 8-1). Solche Situationen werden häufig durch übermäßiges Lenken hervorgerufen. Um den Fahrer in solchen Situationen zu unterstützen, wurden aktive Fahrsicherheitssysteme wie das Elektronische Stabilitätsprogramm, ESP, entwickelt und seit 1995 in den Fahrzeugen verbaut [1], [2].

Elektronisch geregelte Lenksysteme halten im Kraftfahrzeug zunehmend Einzug. Seit längerem bekannt sind z.B. Systeme wie die Elektrolenkung [1] und die Elektrohydraulische Lenkung, die das Moment des Lenksystems abhängig von der Fahrsituation beeinflussen. Dementgegen und recht neu auf dem Markt stellt die so genannte Aktivlenkung, auch Überlagerungslenkung oder Active Front Steering genannt, eine elektronisch geregelte Überlagerung eines Winkels zum Lenkradwinkel dar. Active Front Steering ermöglicht sowohl einen vom Fahrer abhängigen als auch einen aktiven Lenkeingriff an der Vorderachse, ohne die mechanische Kopplung zwischen Lenkrad und Vorderachse auftrennen zu müssen. Die nächste Stufe stellen die Steer-by-wire-Systeme dar [2], die auch die permanente mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Vorderrädern aufheben bzw. auftrennen.

Die Entwicklung der vergangenen 1–2 Jahrzehnte im Automobil und speziell im Fahrwerksbereich ist geprägt durch den Einzug von aktiven mechatronischen Systemen, welche bisher passive mechanische Komponenten ersetzen. Neben ESP sind die wesentlichen Systeme im Bereich Lenkung Active Front Steering AFS, elektrische oder elektrohydraulische Servolenkungen, regelbare Hinterachslenkungen und in weiterer Zukunft Steer-by-Wire. Im Bereich Fahrwerk sind es die Luftfederung, regelbare Dämpfer, aktive Wankstabilisatoren (ARC — Active Roll Control) und vollaktive Fahrwerke wie ABC; der Bereich Antrieb wird derzeit beherrscht durch die Entwicklungen der Hybrid-Technologien, deren Potenziale bei weitem noch nicht erschöpft sind, insbesondere wenn man die Möglichkeiten des seriellen Hybrid-Antriebs in Betracht zieht.

Die weitaus größte Zahl von Kraftfahrzeugen hat heute noch Dämpfer mit konstanter Dämpfkraftcharakteristik. Seit Anfang der achtziger Jahre wurden elektronische geregelte Dämpfungssysteme entwickelt und gefertigt, von einfachen, handgeschalteten elektromotorischen Verstellungen über schnelle, elektromagnetische Systeme mit diskreten Dämpfungsstufen, die heute noch gebaut werden, bis hin zu den aktuellen stufenlosen Systemen der dritten Generation mit proportional wirkenden Dämpfventilen, die mittlerweile in die Serie eingeführt sind und die Fortschritte einer rasanten Entwicklung der Fahrzeugsensorik und Elektronik nutzen [1].

Moderne Fahrwerkkonzepte für Pkw erfordern zunehmend intelligente und adaptive Komponenten oder Subsysteme, um den ständig steigenden Anforderungen an Fahrkomfort, Fahrzeughandling und Fahrsicherheit gerecht zu werden. Da diese Anforderungen mit elektronisch geregelten Luftfedersystemen erfüllt werden können, setzen sie sich in Pkw zunehmend durch. Dieses Kapitel soll einen Überblick geben über die Funktionsweise und die erforderlichen Komponenten eines Luftfeder-/Dämpfersystems. Dabei ergeben sich über die verschiedenen Einsatzfelder im Pkw-Bereich unterschiedliche Anforderungen an die Systemarchitektur und die Komponentengestaltung für die Luftfedersysteme.

Autofahren macht vielen Menschen Spaß und gilt als Synonym für Individualität und grenzenlose Mobilität. In der täglichen Realität setzt das aktuelle Verkehrsgeschehen dem Fahrspaß jedoch oftmals Grenzen. Häufig verringert auch die innere Befindlichkeit des Fahrers das Fahrvergnügen und stellt die reine Ortsveränderung in den Mittelpunkt. Und schließlich fährt das Risiko, in einen Unfall verwickelt zu werden, immer mit. Wie schön wäre es da, wenn man in bestimmten Situationen die Aufgaben der Fahrzeugführung dem Fahrzeug selbst übertragen und so die Sicherheit und geringe Fahrerbeanspruchung des öffentlichen Verkehrs mit der Flexibilität, der Bequemlichkeit und den (noch) akzeptablen Kosten des motorisierten Individualverkehrs verbinden könnte.

Aufgrund der steigenden Zulassungszahlen für Pkw und einer zunehmenden Urbanisierung, wird der für Fahrzeuge zur Verfügung stehende Raum auf den Straßen, insbesondere in europäischen Ballungszentren, immer knapper. Daneben werden die Fahrzeuge selbst durch aerodynamisch optimierte Karosserieformen, crashgünstige Konstruktion sowie vergrößerte Gepäckräume für den Fahrer zunehmend unübersichtlicher.

Innovationen in der Automobilindustrie kamen in den letzten Jahren vor allem aus der Elektronik. Die Bedeutung der Elektronik und ihrer Funktionen wird auch in Zukunft weiter steigen. Die Elektronifizierung hat jedoch noch ihre Kehrseiten. Laut einer vom ADAC 2004 in Auftrag gegebenen CAR-Studie ist in Deutschland in den letzten fünf Jahren der Anteil der Pannen bei drei- bis fünfjährigen Autos, die auf Elektrik und Elektronik zurückzuführen sind, von 50,5 auf 59,2 Prozent gestiegen. Aufgabe der OEMs und Zulieferer muss es daher zukünftig verstärkt sein, die Verfügbarkeit der Funktionen bei gleichbleibender Innovationsgeschwindigkeit zu erhöhen, dies wird durch partnerschaftliche Zusammenarbeit mit neuen Wegen der Entwicklungsverzahnung ermöglicht. Mit dem Leitsatz „Vorsprung durch Technik“ folgt daraus für Audi der Anspruch:

„Wir wollen gemeinsam mit unseren Zulieferern neue Funktionen kundengerecht, frühzeitig und kosteneffizient in Serie umsetzen.“

Die Integration von mechatronischen Systemen in das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs hat mit dem Anti-Blockier-System (ABS) im Jahre 1978 begonnen. Primäre Aufgabe des ABS ist die Aufrechterhaltung der Lenkbarkeit des Fahrzeugs im physikalischen Grenzbereich. Das mechatronische System soll den Fahrer in der Fahrzeugführungsaufgabe unterstützen und das Fahrzeug in den physikalischen Grenzen stabilisieren. Nach dem ABS folgte dann im Jahre 1987 das mechatronische System Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR). Die Aufgabe der ASR ist die Längsstabilisierung des Fahrzeugs bei starken Beschleunigungsvorgängen. Mit dem Elektronischen Stabilitäts-Programm (ESP) kam im Jahre 1995 ein mechatronisches System in das Fahrzeug, das eine erweiterte Fahrzeugstabilisierung in dem Sinne bereit stellt, dass das Fahrzeug bei allen Fahrzuständen stabil in der Spur gehalten wird, soweit es die physikalischen Grenzen zulassen.

Zur Bewertung des Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeugs benutzt der Fahrer subjektive Begriffe wie Komfort, Fahrspaß und Handling. Es gibt zwar Ansätze, diese Eigenschaften in Gütekriterien im Zeit- und Frequenzbereich mit Hilfe standardisierter Testverfahren zu erfassen ([11], [12]), letztendlich kann das subjektive Fahrgefühl jedoch nur durch Testfahrten mit Prototypen untersucht werden. Systematische Änderungen werden in diesem Entwicklungsstadium unter Umständen sehr kostspielig. Mit Fahrsimulatoren, die über ein geeignetes Human-Machine-Interface (HMI) verfügen, können die Regelungskonzepte bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium durch Simulation realitätsnah getestet werden ([4], [9], [14]). Aus diesem Grund wurden am Institut für Automatisierungstechnik ein Force-Feedback-Lenkrad und eine Pedaleinheit mit einem echtzeitfähigen Gesamtfahrzeugmodell gekoppelt. Das Gesamtfahrzeugmodell ist ein Zweispurmodell mit Motor-, Getriebe-, Bremsen- und Reifenmodell, programmiert unter Matlab ®/Simulink™. Es besitzt eine modulare und hierarchische Struktur, die die Anpassung an verschiedene Fahrzeugtypen möglich macht. Das Fahrzeug wurde im Laufe der Entwicklung auf verschieden Fahrzeuge abgestimmt ([6], [7], [8]). Das gesamte Modell wird durch automatische Codegenerierung auf einer Echtzeithardware der Fa. dSpace übertragen und kann anschließend mit dem Force-Feedback-Lenkrad und der Pedaleinheit vom Bediener gesteuert werden. Die Simulationsergebnisse werden online visualisiert und zur Weiterverarbeitung unter Matlab® aufgezeichnet.

Im Rahmen einer zunehmenden Anzahl mechatronischer Komponenten und Regelungsfunktion und größer werdenden Anforderungen an Zuverlässigkeit, Sicherheit und Funktionsgarantien für Kraftfahrzeuge kommt einer umfassenden Überwachung und Fehlerdiagnose eine wachsende Bedeutung zu, [49]. Die Aufgaben der Überwachung bestehen dabei darin, den gegenwärtigen Prozesszustand anzuzeigen, unerwünschte oder unerlaubte Prozesszustände zu melden und entsprechende Maßnahmen einzuleiten, um den weiteren Betrieb zu erhalten und um Schäden oder Unfälle zu verhindern ([1], [3]). Hierbei kann man folgende Arten der Überwachung unterscheiden, vgl. Bild 18-1.

Neue Fahrerassistenzsysteme und Drive-by-Wire-Architekturen benötigen eine detaillierte Fehlererkennung für Sensoren und Aktoren. Zur Anwendung kommen bisher überwiegend Grenzwertüberwachungen und Plausibilitätsprüfungen von messbaren Größen sowie direkte Vergleiche redundant gemessener Größen [1]. Eine detaillierte Erkennung von Fehlerart und -ursache sowie eine Lokalisierung können mit diesen Verfahren nicht erreicht werden. Außerdem können Fehler erst dann detektiert werden, wenn sie ein relativ großes Ausmaß angenommen beziehungsweise bereits zum Ausfall einer Komponente geführt haben. Aber besonders während sicherheitskritischer querdynamischer Fahrmanöver müssen Fehler zuverlässig erkannt werden, um schnellstmöglich auf eine intakte Komponente umzuschalten. Aufgrund der höheren Zahl an Sensorinformationen wird es nun wegen der internen Kopplungen möglich, Fehlererkennung und -diagnose von Fahrwerkskomponenten systematisch durchzuführen. Hierzu eignen sich besonders modellgestützte Methoden.

Das Fahrwerk eines Fahrzeugs überträgt alle Kräfte zwischen Fahrbahn und Chassis, so dass ihm die zentrale Bedeutung bezüglich der Fahrdynamik zufällt. Daher ist es maßgeblich verantwortlich für die Fahreigenschaften und bestimmt den Fahrkomfort sowie die Fahrsicherheit. Folglich wird versucht, durch konstruktive Maßnahmen und durch zusätzliche Komponenten das Systemverhalten weiter zu verbessern. So entsteht aus dem rein mechanischen Feder- und Dämpfersystem durch die mechatronische Integration von Aktoren, Sensoren und Informationsverarbeitung ein aktives Fahrwerk. Für solche Systeme spielt die Fehlererkennung, -diagnose und -toleranz eine bedeutende Rolle, wofür sich im Wesentlichen die folgenden Gründe formulieren lassen. Die aktiven Systeme ermöglichen einen tieferen Eingriff in das Prozessgeschehen als klassische Systeme und können somit im Falle einer Fehlfunktion den Prozess entsprechend stark beeinflussen. Weiterhin reduziert die erhöhte Anzahl an Komponenten, die in ihrer Funktion zumeist eine Serienschaltung darstellen, zwangsläufig die Gesamtzuverlässigkeit. Zudem stellen die in einem Fahrzeug auftretenden Umwelteinflüsse wie Korrosion, Temperaturschwankungen, elektromagnetische Einflüsse, Vibrationen und mechanische Beanspruchungen erhebliche Ansprüche an die verbauten Komponenten.