Modellbildung und Simulation der Dynamik von Kraftfahrzeugen

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Die Fahrzeugdynamik ist ein Teilgebiet der Fahrzeugmechanik, das sich mit den zur Bewegung von straßengebundenen Fahrzeugen notwendigen Bewegungsvorgängen, den diese Bewegungsvorgänge verursachenden Kräften unter Beachtung der zugrundliegenden Naturgesetze befasst. Bezüge zur Fahrdynamik gibt es in vielen Bereichen der Entwicklung von Kraftfahrzeugen, Kraftfahrzeugsystemen und deren Komponenten.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

2. Mathematische und kinematische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Begriffe Vektor und Tensor spielen eine zentrale Rolle in der Mechanik. Im Folgenden wird zwischen dem Vektor als einem physikalischen Begriff und seiner mathematischen Verarbeitung über eine Komponentenzerlegung unterschieden. Man benötigt einerseits Rechenregeln und andererseits müssen für die Zerlegung von Vektoren in Komponenten Koordinatensysteme eingeführt werden.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

3. Kinematik von Mehrkörpersystemen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die wesentlichen Grundlagen zur Kinematik von Mehrkörpersystemen - soweit sie für die spätere Modellierung von Fahrzeugkomponenten und Gesamtfahrzeugen benötigt werden - zusammengestellt. Für weitere Details sei auf (Hiller et al. 1986), (Hiller et al. 1986, 87, 88), (Woernle 1988), (Hiller und Kecskeméthy 1989), (Kecskeméthy 1993 und Hiller 1995) verwiesen.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

4. Bewegungsgleichungen komplexer Mehrkörpersysteme

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden zunächst einige Methoden aus der klassischen Mechanik zur Aufstellung von Bewegungsgleichungen in kurzer Form zusammengestellt (Abschnitt 4.1 bis 4.4). Alle diese Methoden können im Prinzip auch zur Modellierung der hier betrachteten Fahrzeuge, die als komplexe Mehrkörpersysteme angesehen werden können, verwendet werden. Allerdings entscheidet über die praktische Verwendbarkeit einer Methode letztendlich der damit verbundene Modellierungs- und Rechenaufwand, wobei die Bewegungsgleichungen für die hier betrachteten großen Systeme mit vielen Körpern und vielen kinematischen Schleifen mit Hilfe des Computers numerisch oder symbolisch erstellt werden sollen.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

5. Kinematik und Dynamik des Fahrzeugaufbaus

Zusammenfassung

Basierend auf den Kapiteln 3 und 4, in welchen die Methoden zur Aufstellung der Bewegungsgleichungen von allgemeinen komplexen Mehrkörpersystemen beschrieben wurden, erfolgt in diesem Kapitel die spezielle Formulierung zur Berechnung der Kinematik und Dynamik des Fahrzeugaufbaus. Dabei fungiert der Fahrzeugaufbau, bestehend aus Fahrgestell und Karosserie, als Grundkörper für die übrigen Fahrzeugkomponenten wie z.B. Vorder- und Hinterradaufhängungen oder Antriebsstrang.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

6. Modellierung und Analyse von Radaufhängungen

Zusammenfassung

Die Radführungen oder Radaufhängungen haben im Laufe der über hundertjährigen Geschichte des Kraftfahrzeugs eine beachtenswerte Entwicklung durchgemacht. Durch die Einführung immer raffinierterer kinematischer Strukturen gelang es, exakte und reproduzierbare Radbewegungen zu erzeugen. Mit zunehmender Kenntnis des Schwingungsverhaltens des Fahrzeuges und der fahrdynamischen Vorgänge rückten die Feinheiten der Bewegungsgeometrie in den Vordergrund, so dass heute eine Vielzahl von Radführungsvarianten mit unterschiedlichsten Zielsetzungen und Eigenschaften zur Verfügung stehen. Durch den Einsatz computergestützter Verfahren ist heute die wunschgemäße Auslegung des Fahrwerkes möglich, um bei sicherem Fahrverhalten zugleich höchsten Fahrkomfort zu erreichen.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

7. Modellierung des Rad-Straße-Kontaktes

Zusammenfassung

Die hinreichend genaue Erfassung der Wechselwirkung zwischen Reifen und Fahrbahn ist für die Beschreibung und Beurteilung der Dynamik von Kraftfahrzeugen von entscheidender Bedeutung. Der Kontakt Straße- Fahrzeug ist, abgesehen von aerodynamischen Maßnahmen, die einzige Möglichkeit, die Bewegung des Fahrzeugs aktiv zu beeinflussen. Dabei werden sämtliche Kräfte und Momente über die jeweils postkartengroßen sogenannten Reifen-Latsche auf das Fahrzeug übertragen.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

8. Modellierung des Antriebsstranges

Zusammenfassung

In den Kapiteln 5 bis 7 wurden die für ein räumliches Gesamtfahrzeugmodell wichtigsten Subsysteme Fahrgestell, Radaufhängungen, sowie Reifen und Räder modelliert und ihre Funktionsweise an Beispielen erläutert. Ein weiteres wichtiges Subsystem ist der Antriebsstrang eines Personenkraftwagens, da er zur detaillierten Berechnung der Antriebsdynamik, wie sie z.B. zur Auslegung einer Antriebs-Schlupf-Regelung (ASR), eines Anti- Blockiersystems (ABS) oder einer elektronischen Stabilitätskontrolle (ESP) benötigt wird, einen entscheidenden Beitrag liefert. (Dagegen kann die Dynamik des Antriebsstrangs - abgesehen von ihrem Beitrag zum Massenträgheitsmoment des Fahrzeuges - bei der Auslegung einer reinen ABS-Bremsung vernachlässigt werden.)

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

9. Kraftkomponenten

Zusammenfassung

Kraftkomponenten können im Kraftfahrzeug als aktive oder als passive Elemente auftreten. Einige passive Kraftkomponenten sind am Beispiel einer Radaufhängung in Abb. 9.1 dargestellt. Die Anforderungen an Kraftkomponenten des Fahrwerks wachsen stetig und sind teilweise widersprüchlich, s. Abb. 9.2. Die Realisierung von Sicherheits- und Komfortfunktionen erfordert daher häufig den Ersatz der passiven durch aktive Komponenten. So lässt sich z.B. das Fahrverhalten nachhaltig durch eine Aktuierung des üblichen passiven Stabilisators beeinflussen, s. Kapitel 14.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

10. Einspurmodelle

Zusammenfassung

Einspurmodelle gestatten es, ohne großen Modellierungs- und Parametrierungsaufwand bereits zu aussagekräftigen Ergebnisse im Rahmen einer Simulation des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen zu kommen. In diesem Kapitel werden daher einige lineare und nichtlineare Einspurmodelle beschrieben.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

11. Zweispurmodelle

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird anhand überschaubarer Modelle gezeigt, wie auf der Basis der klassischen technischen Mechanik bereits brauchbare realitätsnahe Modellierungen erstellt werden können. Der Leser soll dadurch bei der Generierung eigener einfacherer Modelle unterstützt werden. Die in diesem Kapitel vorgestellten Zweispurmodelle ersetzen jedoch nicht die in Kapitel 12 behandelten komplexen Gesamtfahrzeugmodelle.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

12. Räumliche Gesamtfahrzeugmodelle

Zusammenfassung

Um die Bewegungsgleichungen für ein Gesamtfahrzeug aufstellen zu können, wird in einem ersten Schritt der mechanische Aufbau des realen Fahrzeuges durch ein mechanisches Ersatzsystem, bestehend aus starren Körpern, idealen Gelenken und beliebigen äußeren Kräften (jeweils mit gegebenen Kraftangriffspunkten), mit Hilfe der Methode der Mehrkörpersysteme (MKS) beschrieben. Die Grundgedanken der Modellierung des mechanischen Gesamtsystems Kraftfahrzeug werden erläutert. Die Modellbildung stützt sich dabei auf die Modellierungselemente und Hilfsmittel, wie sie in Kapitel 3, Kapitel 4 sowie den Kapiteln 5 bis 9 zur Beschreibung von Fahrzeugkomponenten eingeführt worden sind. Hierbei kommt einer möglichst genauen Beschreibung der nichtlinearen Kinematik der Radaufhängungen eine besondere Bedeutung zu, da hieraus wesentliche Einflüsse auf das dynamische Verhalten des Gesamtfahrzeuges resultieren (siehe hierzu insbesondere auch Kapitel 6).

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

13. Modell eines typischen komplexen Gesamtfahrzeugs

Zusammenfassung

Dieses Kapitel zeigt die Modellierung eines typischen Fahrzeugs der Mittelklasse in FASIM_C++. Darüber hinaus werden die bei der Verifikation und Validierung des Modells angewendeten Methoden beschrieben (vgl. auch VDI-Richtlinie 2206 Entwicklungsmethoden für mechatronische Systeme (2004). Daraus geht das verifizierte Modell eines typischen Mittelklasse- Personenkraftwagens hervor. Dieses Fahrzeugmodell wird anhand von realen Versuchsdaten von vier verschiedenen Mittelklassefahrzeugen auf seine Aussagefähigkeit hin untersucht. Mithilfe dieses Fahrdynamiksimulationsmodells können dann zum Beispiel die in Kapitel 14 dargestellten Untersuchungen zur Auslegung von Überschlagschutzsystemen durchgeführt werden.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

14. Ausgewählte Anwendungen

Zusammenfassung

Die ständig wachsende Komplexität von Kraftfahrzeugen macht den Einsatz der Fahrdynamiksimulation in einem effizienten Entwicklungsprozess unverzichtbar. Neben der Bewertung von den grundlegenden Fahreigenschaften wie Komfort und Stabilität unterstützt die Simulation den Entwurfs- und Applikationsprozess von Fahrdynamikreglern wie dem Antiblockiersystem (ABS), der Antriebsschlupfregelung (ASR) oder dem Elektronischen Stabilitäts-Programm (ESP). Dabei ist es die Aufgabe des Simulationswerkzeuges, ein Fahrzeug im Rechner abzubilden, um es als Strecke in der Regler-Applikation zu verwenden. Dies wird in Abschnitt 14.1 am Beispiel eines Lenkwinkelsprunges als Fahrmanöver demonstriert. Darüber hinaus findet die Fahrdynamiksimulation auch Anwendung im Bereich der Entwicklung und Applikation von passiven Sicherheitssystemen wie der Überschlagerkennung (Abschnitt 14.2). Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist mit der Regelung der Wankdynamik durch aktive Stabilisatoren in Abschnitt 14.3 gegeben.

Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini

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