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Über dieses Buch

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.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einführung in die Simulationstechnik

Frontmatter

1. Simulationsmethoden

Zusammenfassung
Um ein reales System als Modell in der Simulation abzubilden, gibt es unterschiedliche Herangehensweisen. Keine dieser Methoden ist die einzig wahre und alles beantwortende. Es sind die unterschiedlichen Fragestellungen, welche die Methoden begründen und zum Teil auch in ihren Möglichkeiten begrenzen. Der Blick auf die Modellwelt erfolgt in diesem Buch stark aus der Brille der Technischen Mechanik. Die wesentlichen Methoden und Werkzeuge werden kurz vorgestellt.
Dirk Adamski

2. Systemtechnik

Zusammenfassung
Da der Begriff des Systems im alltäglichen Sprachgebrauch häufig verwendet wird, bedarf es einer genaueren Betrachtung, um ihn im Weiteren als technischen Begriff verwenden zu können. Begriffe wie die Systemgrenze, die Kausalität, das Übertragungsverhalten oder der Wertebereich werden kurz erläutert und der Unterschied zwischen Linearen und Nichtlinearen Systemen vorgestellt.
Das zeitliche Verhalten von Systemen mit und ohne Speicher und der Unterschied kontinuierlicher und diskreter Darstellung im Zeit- und/oder Wertebereich sind ebenfalls Gegenstand des Kapitels.
Abhängig welche Systemparameter bekannt sind bzw. gesucht werden, können die Fragestellung Analyse, Identifikation oder Steuerung behandelt werden.
Dirk Adamski

3. Modellbildung

Zusammenfassung
Die Modellbildung ist sicherlich die aufwendigste und wichtigste Aufgabe, wenn es um die Simulation von technischen Systemen im Allgemeinen und Fahrzeugen im Besonderen geht. Alle Fehler, die in dieser Phase gemacht werden, ziehen sich durch alle nachfolgenden Schritte und verursachen so einen erheblichen Aufwand und somit entsprechende Kosten. Aus diesem Grund sollte man sich für die Modellbildung genügend Zeit nehmen und sorgfältig vorgehen.
In diesem Kapitel werden die wichtigsten Schritte der Modellbildung (Analyse, Entwurf, Verifikation, Validierung) und die möglichen Herangehensweisen (deduktiv, induktiv) thematisiert und der Unterschied zwischen falsch und fehlerbehaftet erklärt.
Dirk Adamski

4. Numerik – das Problem mit dem Anfang

Zusammenfassung
Was zwischen dem Start der Simulation und dem Speichern der Ergebnisse passiert, ist für viele ein Buch mit sieben Siegeln. Die meisten Berechnungsprogramme bieten dem Nutzer die Möglichkeit, völlig ohne die Kenntnis der Numerik vielfältige Berechnungsergebnisse zu erzeugen. Es gibt zwar in der Regel die Option das Integrationsverfahren und mit ihm diverse Parameter zur Berechnung auszuwählen. Doch wie soll man etwas auswählen, was man nicht versteht?
Die wesentlichen Eigenschaften von numerischen Methoden wie Integrations-, Interpolations- und Extrapolationsverfahren werden für Ingenieure erläutert. Darüber hinaus werden Möglichkeiten zum Ein- und Ausblenden von Signalen vorgestellt.
Dirk Adamski

5. Simulationswerkzeuge

Zusammenfassung
Sollte der Leser zu einem späteren Zeitpunkt einmal in die Verlegenheit kommen, dass für die geplanten Aufgaben ein Werkzeug ausgewählt oder ein vorhandenes durch ein neueres ersetzt werden soll, so sei ihm diese Kapitel als Entscheidungsgrundlage zur Hand gegeben. Besitzt man noch keine Simulationsumgebung, so hat man zunächst die Wahl zwischen Make or Buy, also der selbst erstellten Inhouse-Lösung oder dem Kauf eines kommerziellen Produktes.
Der wesentliche Aufbau einer Simulationsumgebung und die prinzipiellen Möglichkeiten der Cosimulation werden vorgestellt.
Dirk Adamski

6. Simulationsprozess

Zusammenfassung
Ist die Simulation ein Hilfsmittel eines Einzelnen, der für seine Entwicklungstätigkeit ein unterstützendes Werkzeug sucht, so wird er unter Umständen die Ergebnisse der Berechnungen gar nicht kommunizieren, sondern sie als Grundlage seiner Entscheidungen verwenden. Wer so arbeitet, kann dieses Kapitel überspringen. Er sollte sich aber an seine Existenz erinnern, wenn die Notwendigkeit zu simulieren, immer größer wird und die Ergebnisse Grundlage für die Entscheidung Dritter werden. Dann reicht die zuvor beschriebene Vorgehensweise nicht mehr aus.
Das Thema Simulation ist nur zum Teil ein technisches Problem. Der weitaus schwerwiegendere Teil ist der Prozess, der hinter der Erzeugung von Ergebnissen steht. In diesem Kapitel wird versucht von der Parameterbeschaffung, über die Berechnung bis zur Dokumentation die Fragen des Tagesgeschäftes aufzugreifen.
Dirk Adamski

Simulation in der Fahrwerktechnik

Frontmatter

7. Modellbildung von Fahrwerkkomponenten

Zusammenfassung
Abhängig von der Fragestellung (Fahrdynamik, Fahrkomfort, Betriebsfestigkeit) werden die Anforderungen an die Modellierung behandelt. Welche Parameter- und Rechenzeitanforderungen ergeben sich aus der Komplexität des Modells? Sollte man lieber mehrere einfache oder lieber ein komplexes Modell verwenden? Wie sollen Fahrmanöver geplant und ausgewertet werden? Mit diesen Fragen des Berechneralltages beschäftigt sich dieses Kapitel, das den zweiten Teil des Buches einleitet, in dem es um die konkrete Modellierung von Fahrwerkkomponenten geht.
Dirk Adamski

8. Fahrwerkkinematik und Fahrwerklager

Zusammenfassung
Die Aufgabe der Radaufhängung ist neben dem Tragen und Führen des Fahrzeuges auch die Isolation von Störeinflüssen wie der Straßenrauigkeit, von Unebenheiten oder von Radunwuchten. Je nachdem welcher dieser Aspekte in den Vordergrund tritt, muss bei der Modellierung die notwendige Komplexität gewählt werden. So ist zunächst zu klären, ob es sich um ein reines Kinematikmodell handeln soll, bei dem auf die Nachbildung der Fahrwerklager verzichtet wird und nur ideale Gelenke verwendet werden, oder ob die Elastokinematik berücksichtigt werden muss. Die Unterschiede werden in diesem Kapitel behandelt, in dem die Möglichkeiten der mechanismenorientierten, kennfeldorientierten oder verhaltensorientierte Modelle vorgestellt werden.
Dirk Adamski

9. Federn

Zusammenfassung
In diesem Kapitel stehen vor allem die Federn im vertikalen Kraftpfad und der Stabilisator im Vordergrund. Zunächst muss man sich wieder überlegen, welche Aspekte der Feder abgebildet werden sollen. Müssen die Gestalt, die Masseneigenschaften und/oder das Kraftgesetz abgebildet werden? Im Sinne der Mehrkörpersysteme sind Federn reine Kraftglieder – ohne Masseeigenschaften.
Ob dies für Stahlfedern und Luftfedern, sowie für Zusatzfederelemente so durchzuhalten ist, wird in diesem Kapitel betrachtet.
Dirk Adamski

10. Dämpfung und Reibung

Zusammenfassung
Energie wird im Fahrwerk im Wesentlichen über zwei Wege dissipiert: viskose Dämpfung und Reibung.
Der Dämpfer wird als Kraftgesetz, als kinematisches Übertragungsglied und als massebehafteter Körper betrachtet. Themen wie Gasfederkräfte, Temperaturabhängigkeit oder Reibung aufgrund der Dichtungen werden ebenfalls kurz angerissen.
Die Vor- und Nachteile der Coulombschen Reibung im Rahmen der Mehrkörpersimulation werden gegenübergestellt.
Dirk Adamski

11. Lenkung

Zusammenfassung
Vom einfachsten Lenkungsmodell, der direkten Winkelvorgabe am Rad, über die Modellierung des Lenkstranges (Lenksäule, Lenkgetriebe, Lenkrad) bis zur Servounterstützung werden die wesentlichen Fragestellungen der Übertragung des Fahrerwunsches des Lenkens behandelt.
Dirk Adamski

12. Reifen und Straße

Zusammenfassung
Um das Fahrzeugverhalten beim Beschleunigen und Bremsen, bei Kurvenfahrten und bei der Übertragung von Fahrbahnunebenheiten oder Belagrauigkeiten zu verstehen, muss man wissen, wie Kräfte und Momente im Reifen entstehen und wie sie übertragen werden. Dabei ist die Kontaktfläche zwischen dem Reifen und der Straße, der sogenannte Latsch, wesentlich. Hier entscheidet sich, abhängig von den Materialeigenschaften des Reifens und denen der Straße, welche Kräfte übertragen werden können und welche nicht.
Die wesentlichen Reifenmodelle der Fahrdynamik-, Fahrkomfort- oder Betriebsfestigkeitsberechnung werden kurz vorgestellt und die verschiedenen Möglichkeiten, wie eine Straße modelliert werden kann, werden mit ihren Vor- und Nachteilen gegenübergestellt.
Dirk Adamski

13. Antriebsstrang

Zusammenfassung
Ob der Motor und das Getriebe, unabhängig davon, ob es sich um einen Verbrennungs- oder einen Elektromotor handelt, in ihrer Leistungscharakteristik berücksichtigt werden, hängt stark von der längsdynamischen Fragestellungen ab, die untersucht werden sollen. Bei vielen Manövern ist eine konstante Geschwindigkeit vorgeschrieben, sodass die Leistung oder das Drehmoment über der Motordrehzahl oder die Schaltstufen des Getriebes keine Rolle spielen. Wird die Motor-Getriebeeinheit nicht federnd gegenüber dem Aufbau modelliert, müssen noch nicht einmal die Massedaten berücksichtigt werden, da sie im Gesamtfahrzeuggewicht enthalten sind.
Für manche Fragestellungen reicht diese einfache Betrachtung aber nicht aus, sodass im Folgenden detailliertere Ansätze besprochen werden. Es geht dabei ausschließlich um die Bereitstellung des Antriebsmoments, nicht um die innerhalb des Motors oder des Getriebes ablaufenden Prozesse.
Dirk Adamski

14. Bremsanlage

Zusammenfassung
Wie detailliert die Bremsanlage abgebildet wird, hängt damit zusammen, ob die Bremsanlage selbst Gegenstand der Betrachtung ist oder ob zum Beispiel die Simulation von Fahrdynamikregelsystemen oder Fahrerassistenzsystemen eine aufwendige Modellierung erfordern. Geht es primär um die Reduzierung oder Konstanthaltung der Fahrzeuggeschwindigkeit so reichen einfach Modellansätze, wie sie in diesem Kapitel beschrieben werden in der Regel aus. Ansonsten sind die klassischen MKS-Simulationsprogramme nur bedingt geeignet die Bremsanlage im Detail abzubilden. Für die Modellierung einer hydraulischen Bremsanlage bietet sich die Cosimulation mit einem Hydrauliksimulationsprogramm an. Für die Modellierung einer elektromechanischen Bremse können blockorientierte Programme verwendet werden.
Dirk Adamski

15. Fahrzeugaufbau

Zusammenfassung
Für viele Fragestellungen ist es völlig ausreichend die Masse, das Massenträgheitsmoment und die Schwerpunktlage des Aufbaus durch einen Starrkörper abzubilden. Abhängig von der notwendigen Variabilität werden dann gegebenenfalls weitere starre Massen entweder federnd (Motor-Getriebeeinheit, Abgasanlage, etc.) oder starr (Passagiere, Beladung, etc.) an dieser Aufbaumasse angebunden.
Die beiden wesentlichen Gründe von dieser einfachen und schnellen Vorgehensweise abzurücken sind, dass die statische Verformung des Aufbaus gegenüber dem Fahrwerk zu groß ist und dass das dynamische Schwingungsverhalten der Karosserie und ihrer Anbauteile wesentlich für den zu betrachtenden Effekt ist.
Dirk Adamski

16. Der simulierte Fahrer

Zusammenfassung
Die Schnittstellen des Fahrers zu den fahrwerkspezifischen Fahrzeugfunktionen sind das Lenkrad, das Gas- und Bremspedal, sowie je nach Getriebeart das Kupplungspedal und der Gangwahlhebel. Sollen Fahrerassistenzsysteme oder Fahrdynamikregelsysteme mit abgebildet werden, so erhöht sich die Anzahl der Bedienelemente entsprechend. Ob diese Schnittstellen als Bauteile im Modell zu finden sind oder ob der Fahrerwunsch auf andere Weise übertragen wird, hängt von der notwendigen Modellierungstiefe ab. So kann zum Beispiel der Lenkwunsch durch einen Lenkwinkel oder ein Lenkmoment am Lenkrad, am Ritzel oder direkt an der Zahnstange (als Verschiebung bzw. Kraft) eingeprägt werden.
Dirk Adamski

17. Das Fahrzeugmodell als Strecke

Zusammenfassung
Die meisten der im Vorfeld beschriebenen Komponenten gibt es sowohl in der passiven Form, wie auch als integraler Bestandteil eines aktiven Fahrwerksystems. Nachdem die Simulation von Fahrwerk- und Gesamtfahrzeugmodellen in den 1990er Jahren vor allem durch die Entwicklung der Fahrdynamikregelsysteme wie ABS, ASR oder ESP gefördert und auch gefordert wurde, sind heute die vielen Fahrerassistenzsysteme die Treiber für die Simulation. Unabhängig ob sie als Komfort- oder Sicherheitssysteme konzipiert werden, benötigen sie schnelle und zuverlässige Modelle und Simulationsprozesse, um die große Vielfalt der Fahrzeugvarianten auslegen und absichern zu können.
Dirk Adamski

Backmatter

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