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Über dieses Buch

Die Fahrzeugindustrie gehört zu den Branchen, die sich in der Produktentwicklung auf Rechen- und Simulationsverfahren abstützen. Ursache dafür ist, daß es die scharfe Konkurrenzsituation auf dem Automobilmarkt erfordert, für den Kunden optimale Produkte zu entwickeln bei einem Minimum an Kosten. War in der Vergangenheit die Methode "trial und error" vorherrschend, d. h. die Produkt­ optimierung erfolgte auf experimentellem Weg mittels aufwendiger Versuche, so muß heute die Entwicklung des Fahrzeuges im wesentlichen abgeschlossen sein, bevor die ersten Prototypen gebaut sind. Die damit durchgeführten Tests dürfen dann nur mehr der endgültigen Abnahme dienen. Eine ähnliche Situation zeigt der Flugzeugbau - wenn auch infolge etwas anderer Voraussetzungen. So ist es kein Zufall, daß gerade diese beiden Industriezweige die stärksten Impulse zur Entwicklung von Simulationsverfahren gesetzt haben. Wie durch den Flugzeugbau z. B. der Einsatz der Finite-Elemente-Methode vorangetrieben wurde, so entstanden durch den Fahrzeugbau Lösungswege zur Berechnung von Strukturen unter Berücksichtigung von nichtlinearen Effekten; möglich wurde u. a. die theoretische Erfassung von komplexen Strömungsproblemen und Schwingungsaufgaben. Bei der Entwicklung eines Fahrzeuges sind die unterschiedlichsten physikalischen Phänomene zu berücksichtigen. Die Beiträge dieser Tagung geben einen Querschnitt darüber, welche Probleme heute durch Rechenverfahren behandelt werden, und wie diese im täglichen Entwicklungsablauf eingesetzt werden. Ingolstadt, im November 1991 W. Dirschmid V Referentenverzeichnis Dr. -Ing. E Birkholz, Ford Werke AG, Köln Dipl. -Ing. E-J. Boeher, AUDI AG, Ingolstadt Dr. -Ing. U. Breitling, MAN Nutzfahrzeuge AG, München Dipl. -Ing. G. Dödlbaeher . . . Ford Werke AG, Köln Dipl. -Ing. Th.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Die Ansaugsysteme der Porsche-Serienmotoren

Zusammenfassung
Im Laufe der Entwicklungsgeschichte der Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge wurde die spezifische Arbeit stetig erhöht. Die heutige Entwicklung konzentriert sich auf die Realisierung eines höchst umweltfreundlichen Abgas- und Verbrauchsverhaltens. Dennoch und auch gerade deswegen sind in Zukunft weitere Steigerungen der spezifischen Arbeit durch Verbesserungen der Gemischaufbereitung, Verbrennung, Energieumsetzung und des Liefergrades zu erwarten.
L. Theilemann

Integration numerischer Insassen-Simulation in die Fahrzeug-Crashberechnung

Zusammenfassung
Die Auslegung von Rückhaltesystemen in Kraftfahrzeugen kann bereits in der Konzeptphase durch numerische Crashsimulationen unterstützt werden. Voraussetzung dafür ist, daß die Interaktionen zwischen Dummy und Fahrzeugstruktur realitätsnah erfaßt werden. Dann ist es möglich, Zeit, Kosten und schließlich das Entwicklungsrisiko insgesamt zu reduzieren, da die anschließenden Sicherheitsversuche mit Fahrzeugprototypen bereits mit voroptimierten Komponenten erfolgen können.
Bisher erfolgte die Simulation des Struktur- und Insassenverhaltens meistens sequentiell hintereinander, d.h. ohne Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen Fahrzeugstruktur und Insasse. Dabei wurde zunächst die Verzögerung der Fahrgastzelle durch eine Finite Element Simulation ermittelt. Diese Ergebnisse wurden anschließend als Input für eine Insassen-Simulation verwendet.
Dieser Artikel beschreibt die verschiedenen Methoden numerischer Insassen-Simulation, er zeigt aber auch eine Innovationsrichtung auf dem Gebiet der Insassensicherheit für die nächsten Jahre auf, die integrierte Finite Element Crashberechnung einer Fahrgastzelle mit Lenksäule, Airbag, Kniepolster und Hybrid III-Dummy. Über Erfahrungen mit solchen integrierten FEM-Simulationen wird berichtet.
E. Schelkle, R. Remensperger

Berechnung im Nutzfahrzeugbau, besondere Aufgabenstellungen und Lösungsmethoden

Zusammenfassung
Die Transportindustrie spielt eine wesentliche Rolle für Wirtschaft und Gesamtgesellschaft, sowohl in Industrie- als auch in Entwicklungsländern. Beim Straßentransport sind für die Nutzfahrzeughersteller nachstehende Tatsachen von besonderer Bedeutung.
U. Breitling

Anforderungen an Schwingungs- und Akustikberechnungen aus Sicht der Fahrzeugentwicklung

Zusammenfassung
Zur Erzielung einer hochwertigen akustischen und schwingungstechnischen Qualität eines Fahrzeugs sind zwei Maßnahmen erforderlich: die Erstellung eines ausgewogenen schwingungstechnischen Gesamtkonzepts und eine sorgfältige, alle Fahrbedingungen umfassende Abstimmung.
K. Hieronimus

Numerische Simulation von Crashvorgängen in der Fahrzeugentwicklung

Zusammenfassung
Die Erfordernisse des Marktes für den erfolgreichen Verkauf von Automobilen werden sich auch in den 90er Jahren weiter verändern. Neben hohen Anforderungen an Qualität, Komfort und Sicherheit bei niedrigen Kosten und großer Produktdifferenzierung sind in einem Markt mit zunehmend schärferem Wettbewerb vermehrt Schnelligkeit und Flexibilität in der Entwicklung und Fertigung von neuen Produkten gefragt.
R.-W. Schettler-Köhler

Entwicklungsstand und Einsatzmöglichkeiten der Aerodynamik-Simulation in der Fahrzeugentwicklung

Zusammenfassung
Anhand eines Vergleich von experimenteller und numerischer Simulation werden deren typische Eigenschaften sowie die Möglichkeiten für ein sich gegenseitig ergänzendes Zusammenwirken aufgezeigt. Entsprechende Verfahren für die numerische Aerodynamik-Simulation lassen sich anhand der ihnen zugrunde liegenden Gleichungen und der dargestellten physikalischen Effekte einordnen. Leistungsfähigkeit sowie Entwicklungsstand der Verfahren werden anhand von typischen Ergebnisbeispielen deutlich gemacht.
R. Stricker, K. Krukow

Schwingfestigkeitsberechnungen am Aggregat

Zusammenfassung
Das dyn. Verhalten eines rotierenden Kurbeltriebes wird mit einem FE — Programmsystem analysiert. Hierbei kommt ein spezielles Berechnungsverfahren zur Anwendung. Das Verfahren arbeitet außerordentlich rechenzeitsparend, dadurch können beliebig viele Drehzahlen innerhalb des Betriebsdrehzahlbereiches berücksichtigt werden. Dies ist erforderlich, weil aus Messungen bekannt ist, daß die Belastung einer Kurbelwelle erheblich größer wird, wenn bei bestimmten Drehzahlen Eigenfrequenzen angeregt werden. Das Verfahren bietet jetzt die Möglichkeit, auch rechnerisch besonders Resonanzzustände zu untersuchen. Die festigkeitsrelevanten Kenngrößen werden im eingeschwungenen Zustand berechnet. Die Ergebnisse der Festigkeitsberechnung Hefern Aussagen über die Wechselwirkung zwischen der dyn. Erregung, den inneren Kräften u. Momenten, den Schwingbewegungen und der maximalen Spannung innerhalb eines Verbrennungszyklus. Nicht lineare Effekte werden nicht berücksichtigt.
Dirk Petersen

Einsatz der Karosserieberechnung in der PKW-Entwicklung

Zusammenfassung
Die rasche Entwicklung der Computertechnik ermöglichte einen grundsätzlichen Wandel in der Entwicklungsarbeit an Fahrzeugkarosserien. Moderne CAE-Systeme dienen der Vorhersage von statischen und dynamischen Eigenschaften. Drei wesentliche Untersuchungsschwerpunkte haben sich herausgebildet, denen derzeit starke Aufmerksamkeit zukommt — die Bestimmung der statischen Eigenschaften einer Karosserie, die Vorherbestimmung der Unfallsicherheit sowie die Simulation von Schwingungs- und Geräuschproblemen. Dieser Artikel widmet sich den in der Automobilindustrie gebräuchlichen Prinzipien zur Lösung der erstgenannten Problemstellung.
G. Doedlbacher, E. Birkholz

Schwingungs- und Geräuschuntersuchungen an PKW-Motoren mit linearen und nichtlinearen Berechnungsmodellen

Zusammenfassung
Ein großer Teil der Schwingungen, die sich im Kraftfahrzeug akustisch unangenehm bemerkbar machen, hat seine Ursache im Antriebsaggregat. Dort entstehen die periodisch wirkenden Anregungskräfte aufgrund der Verbrennung und der Massenwirkung bewegter Triebwerksteile. Die Gas- und Massenkräfte werden vom Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen, welche sie über die Grundlager an die nicht rotierenden Teile des Motorgetriebeblocks weitergibt. Die Lagerkräfte und die direkt auf das Gehäuse wirkenden Kräfte (z. B. Gaskräfte, Gleitbahnkräfte) regen einerseits die Wandflächen zur Abstrahlung von Luftschall an, andererseits leiten sie über die Motorlagerung und den Triebstrang Körperschall in die Karosserie ein (Bild 1).
Die Grundlager zeigen ein stark nichtlineares Verhalten; eine umfassende dynamische Analyse des Gesamtsystems Kurbelwelle-Motorgetriebeblock muß die Nichtlinearität der Koppelglieder berücksichtigen. Als weiterer Umstand, der die Berechnung erschwert, kommt hinzu, daß die Kröpfungen der Kurbelwelle quer zur Kröpfungsrichtung steifer als in Kröpfungsrichtung sind. Ihre Steifigkeit läßt sich im raumfesten Koordinatensystem nur mit zeitabhängigen Gliedern beschreiben. Wählt man zur Beschreibung des Gesamtsystems das rotierende Koordinatensystem der Welle, dann hat man mit den unterschiedlichen Steifigkeiten beispielsweise des Kurbelgehäuses die gleichen Schwierigkeiten.
Die nichtlineare Berechnung großer Schwingungssysteme erfordert im Vergleich zur linearen Berechnung sehr viel höhere Rechenzeiten. Sie ist nicht in jedem Fall nötig, denn bei der Untersuchung von Teilen oder Teilaspekten kann man auch mit linearen Modellen zu guten Ergebnissen kommen. So wird z. B. seit Jahrzehnten die lineare Drehschwingungsberechnung der Kurbelwelle mit grossem Erfolg eingesetzt. Ihre Anwendung setzt allerdings einen großen Erfahrungsschatz voraus, der aus dem laufenden Vergleich gerechneter und gemessener Torsiogramme gewonnen wird. Auch die Biegeschwingungen der Kurbelwelle lassen sich in guter Näherung mit linearen Modellen beschreiben. Bei den Axialschwingungen ist dies schon nicht mehr der Fall, denn sie werden nach unseren Erfahrungen stark von der Quersteifigkeit des Gehäuses beeinflußt.
Interessante Möglichkeiten eröffnet die Kombination linearer und nichtlinearer Rechnungen. So kann die nichtlineare Simulation fehlende Drehschwingungsmessungen an neu konzipierten Motoren ersetzen. Mit den auf diese Weise gewonnenen “Erfahrungswerten” kann rasch eine ganze Reihe von Varianten linear überprüft werden.
M. Svoboda, S. Negele, H. Ulrich

Auslegung von Elastomerbauteilen zur Optimierung des Schwingungskomforts

Zusammenfassung
Infolge der gestiegenen Anforderungen an Fahrleistungen, Fahrstabilität und Fahrkomfort hat die rechnerische Auslegung und Optimierung von Elastomerbauteilen und die Gestaltung der sie umgebenden Karosseriebereiche eine immer größer werdende Bedeutung erlangt. Die für die rechnerische Simulation des dynamischen Übertragungsverhaltens eingesetzten Modelle von Gummilagern, Hydrolagern und der die Lager abstützenden Bauteile werden erläutert und Möglichkeiten für die Verbesserung des Schwingungs- und Geräuschkomforts aufgezeigt. Neben einer Komfortverbesserung erlaubt die rechnerische Simulation auch eine schnellere und kostengünstigere Entwicklung, da die Anzahl der im Versuch zu erprobenden Bauteilvarianten deutlich reduziert werden kann.
G. Kern, Th. Großmann, B. Köder

Innengeräuschanalyse mittels Rechnung

Zusammenfassung
Durch die zunehmende Motorisierung und den stärker werdenden Wettbewerb der Produzenten wird die Entwicklung des Automobils mit immer subtileren Methoden vorangetrieben. Sowohl wegen des steigenden Rationalisierungsdrucks als auch durch den Fortschritt in der Computertechnik zeichnet sich eine zunehmende Verlagerung der Aktivitäten auf die Berechnung ab.
F. P. Nolte

Insassensimulation zur CAE-gestützten Ergonomieauslegung

Zusammenfassung
Vor dem Hintergrund der anhaltenden Zunahme des Individualverkehrs und den damit steigenden Anforderungen an die Fahrzeugführung erlangt die systematische Analyse des Fahrer-Fahrzeug-Systems unter ergonomischen Gesichtspunkten immer größere Bedeutung. Die Firma AUDI verfügt dazu über ein Programmsystem zur Unterstützung der ergonomischen Auslegung bei der Konstruktion und Entwicklung von Fahrzeuginnenräumen, welche bisher im wesentlichen mit einer zweidimensionalen DIN-Schablone durchgeführt wurde. Mit diesem Programm besteht die Möglichkeit, einen Fahrzeuginsassen hinsichtlich Anthropometrie, Skelettbeweglichkeit und Komfortverhalten dreidimensional zu modellieren. Damit wird die Analyse der Beziehung eines Insassen zu seiner Fahrzeugumgebung unter den Kriterien Erreichbarkeit und Komfortempfinden möglich. Besonderes Merkmal des Programms ist dabei eine rechnergestützte Optimierung der Körperhaltung unter Berücksichtigung von Komfortkriterien und Randbedingungen, welche die Referenzierung des Insassen zur Innen-raumgeometrie wiedergeben.
Anhand eines konkreten Anwendungsbeispiels werden Einsatzmöglichkeiten des Programmsystems bei der ergonomischen Fahrerplatzgestaltung vorgestellt.
J. Meier, E.-J. Bocher, W. Wendrich
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