Rolf Isermann (Hrsg.) Fahrdynamik-Regelung. Modellbildung, Fahrerassistenzsysteme, Mechatronik. Mit 340 Abbildungen und 28 Tabellen.

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1 Rolf Isermann (Hrsg.) Fahrdynamik-Regelung Modellbildung, Fahrerassistenzsysteme, Mechatronik Mit 340 Abbildungen und 28 Tabellen ATZ/MTZ-Fachbuch vieweg

2 IX Inhaltsverzeichnis Das mechatronische Kraftfahrzeug Zur Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen und Fahrdynamik-Regelungen Mechatronische Systeme Integrierte mechatronische Systeme Funktionen mechatronischer Systeme Mechanischer Grundaufbau Funktionsaufteilung Mechanik - Elektronik Betriebseigenschaften Neue Funktionen Sonstige Entwicklungen Integrationsformen von Prozess und Elektronik Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme Rechnergestützter Entwurf von mechatronischen Systemen Mechatronische Komponenten im Kraftfahrzeug - eine kurze Übersicht Mechatronische Radaufhängungen Mechatronische Bremssysteme Mechatronische Lenksysteme 22 A Modellbildung und Simulation Modelle zur Beschreibung des Fahrzeugverhaltens Modellierung technischer Systeme Definition von Koordinatensystemen und Winkeln Ausprägungen von Fahrzeugmodellen Gesamtfahrzeugmodelle Modellierung von Antriebsstrang und Bremse Reifenmodelle Reifenmodell nach Burckhardt Reifenmodell nach Pacejka Lineares Reifenmodell Dynamik des Kraftaufbaus Dynamikgleichungen des Zweispurmodells Zusammenfassung 45 Modellierung, Analyse und Simulation der Fahrzeugquerdynamik Modellbildung des lineares Einspurmodell Kinetik Kinematik 51

3 Inhaltsverzeichnis Querschlupf und Querkräfte Bewegungsgleichungen Analyse des linearen Einspurmodells Übertragungsfunktionen 63 4 Objektorientierte Modellbildung des fahrdynamischen Verhaltens mit MODELICA Modular-hierarchische Strukturierung Verknüpfungen Modellaggregation Objektdiagramme Grundzüge objektorientierter Modellierung physikalischer Systeme mit MODELICA Objekte und Klassen Schnittstellen und Verknüpfungen Kapselung Hierarchie Physikalische Modellbildung am Beispiel des Kraftfahrzeugs Fahrwerk Reifen/Räder Antrieb und Bremssystem Bewertung der Modellierung mit MODELICA Modellparametrierung und -Validierung Zusammenfassung und Ausblick 88 5 Anwendungsorientierte Übersicht kommerzieller Fahrzeug-Simulations-Systeme Mehrkörper-Simulation (MKS) Übergang vom MKS-Modell zum systemdynamischen Modell Systemdynamische Fahrzeugmodelle Modellbasierter Entwicklungsprozess Software-in-the-Loop-Simulation Anwendungsbeispiel: IDS plus Fahrwerk im Opel Astra SiL-Simulation des ICC-Systems Hardware-in-the-Loop-Simulation Testautomatisierung Domänenübergreifende Modellbildung eines aktiv gefederten Nutzfahrzeugs CAMeL-View TestRig Versuchsträger: Ein passiv gefedertes Nutzfahrzeug auf UNIMOG-Basis Entwurfsziel: Aktives Fahrwerk für ein geländegängiges Nutzfahrzeug Prinzip der aktiven Federung Flügelzellenaktorik Informationsverarbeitung und Sensorik 120

4 Inhaltsverzeichnis XI 6.3 Entwurfsprozess: Modellbasierter Entwurf mechatronischer Systeme Modellphase Prüfstandsphase Prototypenphase Entwurfsumgebung: CAMeL-View TestRig - ein durchgängiges Werkzeug für den Entwurf mechatronischer Systeme Objektorientierte Modellbildung mechatronischer Systeme mit CAMeL-View Vom physikalisch-topologischen zum mathematischen Modell CAMeL-View TestRig-Prüfstands- und -Prototypenhardware Entwurfsprozess: Modell-, Prüfstands-und Prototypenphase Modellphase: Modellbildung des aktiv gefederten Nutzfahrzeugs Validierung des Fahrzeugmodells Modellbildung von Aktorik, Sensorik und Informationsverarbeitung Simulationsuntersuchungen am virtuellen Prototypen Prüfstandsphase: Komponententest Prototypenphase: Einsatz im Fahrversuch Zusammenfassung und Ausblick 136 B Fahrdynamische Brems- und Querdynamikregelungen 7 Bremsregelungen für mechatronische Bremsen Konventionelles Antiblockiersystem Grundzüge des Antiblockiersystems mit neuem Ansatz Aufbau des Regelsystems Versuchsfahrzeug Elektrohydraulische Bremse (EHB) Funktionen des Antiblockiersystems mit neuem Ansatz Radschlupfregelung Bremsung auf trockenem Asphalt Bremsung auf nassem Asphalt Bremsung auf Schnee Bremsung aufpoliertem Eis Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit Ermittlung des optimalen Bremsschlupfs und Bremsschlupfvorgabe Vergleich von ABS mit konventionellem bzw. neuem Ansatz Konventionelles Antiblockiersystem Antiblockiersystem mit neuem Ansatz Zusammenfassung Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Regelkonzept des ESP Komponenten des ESP Anforderungen an das ESP 174

5 XII Inhaltsverzeichnis 8.4 Struktur des ESP-Reglers Fahrdynamikregler Beobachter Sollwerte Fahrzeugregler Bremsschlupfregler Antriebsschlupfregler Überwachung des ESP-Systems Anforderungen an die Sicherheit Auswirkungen von Komponentenausfällen Basiselemente des ESP-Sicherheitskonzepts Fehlervermeidung Systemüberwachung und Fehlerentdeckung Basisüberwachung Eigensicherheit, Selbsttests und aktive Tests Modellgestützte Sensorüberwachung Maßnahmen im Fall eines Fehlerverdachts Begrenzung der Auswirkungen unentdeckter Fehler Maßnahmen im Fall entdeckter Fehler Wiedergutprüfung nach Systemabschaltung Mechatronische Lenksysteme: Modellbildung und Funktionalität des Active Front Steering Systemüberblick des Active Front Steering Lenkassistenzfunktionen des Active Front Steering Systemkomponenten des Active Front Steering Mathematische Modellbildung, Parameterschätzung und Validierung Grundzüge des technischen Sicherheitskonzeptes Modellbasierte Überwachungsmaßnahmen Zusammenfassung Integrierte Querdynamikregelung mit ESP, AFS und aktiven Fahrwerksystemen Überblick über aktive Systeme zur Beeinflussung der Fahrzeugquerbewegung ESP Aktive Vorderachslenkung AFS / Aktive Fahrwerksysteme Der Reifen als Übertragungsglied Bewertung von Querdynamikeingriffen anhand des Giermoments Funktions- und Regelungsstruktur von VDM Anwendung im Fahrversuch Schlussfolgerung 250

6 Inhaltsverzeichnis XIII C Regelung der Vertikaldynamik 11 Semiaktive Stoßdämpfer und aktive Radaufhängungen Übersicht aktiver Stoßdämpfer und aktiver Radaufhängungen CDC-System und Weiterentwicklung zur Mechatronik Funktionsvernetzung am Beispiel CDC und ARS Zusammenfassung Elektronisch geregelte Luftfedersysteme Luftfedersysteme Einsatzfelder von Luftfedersystemen Bauformen der Luftfedern und Luftfederdämpfereinheiten Luftversorgung Luftfederdämpfungssystem Steuergerät und Regelung Zusammenfassung 282 D Fahrer-Assistenzsysteme 13 Automatisches Spurfahren auf Autobahnen Systemüberblick Systemfunktion Funktionaler Systemaufbau und Verarbeitungsablauf Systemkomponenten Fahrzeugintegration und Mensch-Maschine-Schnittstelle Fahrzeugquerführung Reglerstruktur Stabilitätsuntersuchungen Kennlinien und Sprungantworten Praktisches Reglerverhalten Leistungsbewertung des ALD-Systems Parkassistent Systemkonzept Positionsbestimmung Bahnplanung Bahnregelung Mensch-Maschine-Schnittstelle Experimentelle Ergebnisse Zusammenfassung 321

7 XIV Inhaltsverzeichnis E Fahrdynamischer Systemverbund 15 Systemvernetzung und Funktionseigenentwicklung im Fahrwerk - Neue Herausforderung für Hersteller und Zulieferer Fahrwerksysteme - Ein Überblick Funktionale Architekturen der Fahrwerksvernetzung Geschäftsmodelle für Funktionseigenentwicklung beim OEM Zusammenfassung Vernetzung von Längs-, Quer- und Vertikaldynamik-Regelung Querregelkreis und Fahrer Wechselwirkung Längs- und Querdynamik Wechselwirkung Quer- und Wankdynamik Fahrdynamischer Systemverbund Entwicklungsmethodik für einen fahrdynamischen Systemverbund Zusammenfassung und Ausblick Entwicklungsumgebung mit echtzeitfähigen Gesamtfahrzeugmodellen für sicherheitsrelevante Fahrerassistenzsysteme Besondere Betrachtung des Fahrers im Regelkreis Laboraufbau und HIL-Simulationsmodell Stabilisierung des Fahrzeugs durch Gierraten-Regelung mit aktivem Lenkeingriff Beispiel Ausweichassistent Zusammenfassung und Ausblick 374 F Überwachung, Diagnose und Fehlertoleranz mechatronischer Systeme 18 Modellgestützte Überwachung und Fehlerdiagnose für Kraftfahrzeuge Wissensbasierte Fehlererkennung und Fehlerdiagnose Modellgestützte Methoden zur Fehlererkennung Mathematische Prozessmodelle und Fehlermodellierung Fehlererkennung mit Parameterschätzmethoden Fehlererkennung mit Paritätsgleichungen Fehlererkennung mit Beobachtern Fehlererkennung mit Signalmodellen Vergleich der verschiedenen Methoden Kombination verschiedener Methoden zur Fehlererkennung Symptomerkennung Methoden zur Fehlerdiagnose Arten der Merkmale und Symptome Einheitliche Darstellung der Symptome Klassifikationsverfahren Inferenzverfahren 396

8 Inhaltsverzeichnis XV 18.4 Elektromechanische Aktoren Elektrische Drosselklappe Elektromagnet (Magnetventil) Modellgestützte Fehlerdiagnose am Fahrwerk Fehlerdiagnose an Radaufhängungen Aktive Radaufhängung Schlussfolgerungen Fehlererkennung und -diagnose für Fahrdynamiksensoren mit querdynamischen Modellen Symptomgenerierung in der unteren Ebene Geometrische Modelle Geometrische Modelle mit Raddrehzahldifferenz Geometrische Modelle mit Vorderradeinschlag Paritätsgleichungen Fehlererkennung der AB S Radgeschwindigkeitssignale Diagnosesystem in der mittleren Ebene Einsatz von Fuzzy-Logik zur Diagnose Experimentelle Ergebnisse der Fehlererkennung und -diagnose Rekonfiguration in der oberen Ebene Zusammenfassung Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz aktiver Fahrwerke Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz für eine elektrohydraulische Radaufhängung Modellbildung der elektrohydraulischen Radaufhängung Parameterschätzung Modellierung mit semi-physikalischen Modellen System zur Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz Erkennung und Diagnose von Sensorfehlern Prozessfehlererkennung Sensorfehler-Toleranz Diagnose und Sensor-Fehlertoleranz für einen aktiven Stabilisator Modellbildung des aktiven Stabilisators Parameterschätzung Modellierung mit semi-physikalischen Modellen Erkennung und Diagnose von Sensorfehlern Zusammenfassung 450 Sachwortverzeichnis 453