Automatisierte Abbildung von Kinematik und Elastokinematik aus Prüfstandsversuchen zur Fahrdynamiksimulation

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1 SIMPACK - USER MEETING November 2001 Automatisierte Abbildung von Kinematik und Elastokinematik aus Prüfstandsversuchen zur Fahrdynamiksimulation Dipl.-Ing. Christoph Elbers Dipl.-Ing. Thomas Schrüllkamp INSTITUT FÜR KRAFTFAHRWESEN AACHEN

2 Struktur des Vortrags Einführung - Bedeutung von Kinematik und Elastokinematik für die Fahrmechanik Aufbau des ika-achsmessprüfstands - Prüfstandskonzept, Steuerung, Messtechnik Entwicklung des Achsidentifikationstools - Programmaufbau Matlab/Simulink, Identifikation, Analyse Abbildung des Achsmessprüfstand in Simpack - Validierung, Fehlerbetrachtung bei kombinierter Belastung Gesamtfahrzeug in Versuch und Simulation - Aufbau eines Fahrzeugmodells, Fahrversuche Zusammenfassung und Ausblick

3 Kinematik und Elastokinematik Die Kinematik der Radaufhängung bestimmt die räumliche Bewegung des Rades gegenüber dem Fahrzeugaufbau bei Federungs- und Lenkbewegung ohne Berücksichtigung äußerer Lasten Die Elastokinematik beschreibt die Abstimmung aller elastischen Elemente einer Radaufhängung und die räumliche Anordnung der Achslenker mit dem Ziel, die durch Elastizitäten entstehende Verformungen unter äußerer Belastung zu kompensieren oder in gewünschte Bewegungen umzuwandeln

4 Sturz- und Spurwinkeländerungen Die für das Fahrverhalten wichtigsten Radstellungsänderungen sind die kinematischen und elastokinematischen Sturz- und Spurwinkeländerungen Kinematische Spurwinkeländerung Fahrzeugsauslegung: Wankuntersteuernd VA: HA: kinematische Nachspuränderung beim Einfedern kinematische Vorspuränderung beim Einfedern Beeinflussung des Lenkverhaltens: + Erhöhung der Fahrstabilität - Geradeauslaufeigenschaften des Fahrzeugs

5 Elastokinematische Spurwinkeländerung Die elastokinematische Radstellungsänderung hängt vom Achsprinzip, der Anordnung der Lenker und den Elastizitäten der Achse ab Vorspuränderung durch Seitenkräfte Fahrzeugsauslegung: Seitenkraftuntersteuernd VA: kurvenäußeres Rad geht unter Querkraft in Nachspur kurveninneres - in Vorspur HA: kurvenäußeres Rad geht unter Querkraft in Vorspur kurveninneres in Nachspur Bei Kurvenfahrt sind die Lenkwinkeländerungen des Außenrades wichtig, weil hier die größeren Kräfte wirken

6 Elastokinematische Spurwinkeländerung Vorspuränderung durch Längskräfte Fahrzeugsauslegung: Es ergeben sich Zielkonflikte aus den Anforderungen verschiedenster Fahrzustände Bremsen, Beschleunigen: besser Fahrstabilität, wenn beide Achsen leicht in Vorspur gehen µ-split Bremsung: VA: unter Bremskraft in Vorspur HA: unter Bremskraft in Nachspur Stabilisierung des Fahrzeugs durch entgegengerichtetes Giermoment

7 Elastokinematische Spurwinkeländerung Lastwechsel in der Kurve: VA: unter Bremskraft in Nachspur HA: unter Bremskraft in Vorspur kurvenaußen gerichtetes Giermoment Eine einzige optimale elastokinematische Auslegung kann es nicht geben In der Realität sind die Fahrzeuge meist so ausgelegt, dass die Vorderachse unter Bremskraft leicht in Nachspur und die Hinterachse leicht in Vorspur gehen Wenn es das Achskonzept zulässt, werden angetriebene Hinterachsen zusätzlich so ausgelegt, dass sie auch bei Vortriebskraft in Vorspur gehen

8 Kinematische und Elastokinematische Sturzwinkeländerung negativer Sturz bei Kurvenfahrt Erhöhung der Seitenkräfte Abnahme des Schräglaufwinkels bei gleichbleibender Querbeschleunigung Freie Bewegungsrichtung g g g M F Diese Tendenz bedeutet: Bei negativen Sturz nur an der Vorderachse weniger Untersteuern Bei negativen Sturz nur an der Hinterachse mehr Untersteuern Nachteil : Reifenverschleiß

9 Aufbau eines realen Achsmessprüfstands Zur objektiven Beurteilung und Entwicklung neuer Fahrwerke ist die Kenntnis der Achs- und Elastokinematik unerlässlich Entwicklung eines Prüfstands zur Messung der achsspezifischen Kennwerte unter möglichst realitätsnahen Bedingungen Verstellbarer Radstand: Verstellbare Spurweite: Maximaler Federweg: Maximale Radlast: Maximale Querkraft: Maximale Längskraft: bis 3250 mm bis 1650 mm 300 mm 14 kn 9 kn 9 kn

10 Frontansicht des Achsmeßstands Einleitung der äußeren Belastung durch Hydraulikzylinder und Hebelsystem Pro Turm: Seitenkraft (dargestellt) Längskraft (um 90 gedreht) Simulation des Federwegs durch Verfahren der Zylinder in z-richtung Einstellung der Spurweite und des Radstands durch Verschiebung der Türme in y- und x-richtung Linearführung

11 Radersatzsystem mit Sensoren Radersatzsystem mit einstellbarem Radhalbmesser, Einpresstiefe und pneumatischen Nachlauf Autokollimator zur Ermittlung der Spur- und Sturzwinkeländerung Seilpotentiometer zur Ermittlung der Verschiebungen des Radaufstandspunktes Luftlager zur reibungsfreien Krafteinleitung

12 Achsvermessung Durch verschiedene Fahrmanöver treten unterschiedliche Belastungskollektive auf Um alle möglichen Belastungen und Belastungsrichtungen zu berücksichtigen, wurden Messprozeduren entwickelt, die die Radstellungswinkel als Funktion des Federwegs, der Längs- und Querkraft ermitteln Alle möglichen Kombinationen der Parameter untereinander werden nachgefahren und man erhält ein dreidimensionales Kennfeld der Spur- und Sturzwinkelmatrix

13 Zeitkanal [s] Zeitkanal [s] Autosequenz zur Messung der Spur- und Sturzwinkelmatrix Belastungszyklus: Federweg Längskraft Änderung des Federweges Änderung der Längskraft Rampenförmige Querkraftbelastung Fx, Fy [N] Sz [mm]

14 Messprozedur zur Ermittlung der Spur- und Sturzwinkelmatrix

15 Autosequenz zur Messung der Federkennlinie Belastungszyklus: Sz VL, VR [N] Hubfederung: Gleichsinnige Aus- und Einfederung der beiden Räder einer Achse Sz VL Sz VR Zeitkanal [s] Wankfederung: Gegensinnige Aus- und Einfederung der beiden Räder einer Achse

16 Autosequenz zur Messung des Wankpols und Nickpols Belastungszyklus: Hubfederung: Gleichsinnige Aus- und Einfederung der beiden Räder einer Achse 0el0224.ppt Sz VR [N] Spurweitenänderungskurve - Radstandsänderungskurve Zeitkanal [s]

17 Entwicklung des Achsidentifikationstools Zur fahrdynamischen Untersuchung von Fahrzeugen mit Hilfe von Simulationsmodellen sind die Kinematik und Elastokinematik der implementierten Radaufhängung von entscheidender Bedeutung Um eine hohe Abbildungsgenauigkeit der Simulationsmodelle zu bekommen, müssen neben den Gummilagern einer Achse auch weitere Bauteilsteifigkeiten berücksichtigt werden (MKS, FEM) Hoher Aufwand für Modellgenerierung Daten der Fahrzeuggenerationen sind selten frei verfügbar Modellansatz: Die achsspezifischen Kenngrößen werden aus den gemessenen Prüfstandsdaten mathematisch abgebildet und in sogenannten Black Boxes als S-Funktion zur Verfügung gestellt

18 Entwicklung des Achsidentifikationstools Informationen über die kinematischen Anlenkpunkte, Bushing- und Lenkersteifigkeiten müssen nicht bekannt sein

19 Achsidentifikationstool

20 Achsidentifikationstool Spur-, Sturzwinkel Mit Hilfe des Achsidentifikationstools reduzieren sich die verschiedenen Einzelradaufhängungen auf mathematische Zusammenhänge zwischen den Eingangsgrößen Längskraft, Seitenkraft und Federweg und den Ausgangsgrößen Spurwinkel, Sturzwinkel, Radlast, Wankpol und Nickpol Spurwinkel Sturzwinkel Sturzwinkel Spurwinkel Spurwinkel, Sturzwinkel = f (Längskraft, Seitenkraft, Federweg)

21 Radlast, Nickwinkel Radlast = f (Federweg) Nickwinkel = f (Federweg)

22 Wankpol Bei wechselseitiger Einfederung (z. B. Kurvenfahrt) also bei unsymmetrischer Federbewegung wandert der Wankpol aus der Fahrzeugmitte heraus Wankpolkoordinaten z,y = f (Federweg r, Federweg l)

23 Einzelwertanalysen

24 Graphische Analysen

25 Aufbau des Achsmessprüfstands in Simpack zur Validierung des Achsidentifikatiostools L: 6 DOF Oberer Querlenker, χ Bushing I, II Pre-Prozessor Isys dummy L: 6 DOF Unterer Querlenker Bushing III, IV L: x, y, z Oberer Dämpfer, χ Unterer Dämpfer Radträger Integration verschiedener Achsmodule Dämpfer Feder L: x,y Spurdummy Bushing V Spurstange 0el332.ppt AMS-Simulation (Simpack) L: 6 DOF Rad Dummy Matrix.aut Achse xy Rdyn Bremse ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Fe_Wp_Np.aut Isys Fx-Längskraft Fx-Zylinder Fx-Kolben Welle Fy-Arm Winkel Luftlager Fy-Zylinder Fy-Kolben Fx-Arm L: z AMS_V1_2.aut Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite

26 Validierung des Achsidentifikationstools Pre-Prozessor Simulation Post-Prozessor Achsidentifikation L: 6 DOF Rad Dummy Achse xy Bremse Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Winkel Isys Fx-Längskraft Welle Luftlager Fx-Zylinder Fx-Kolben Fy-Arm Fy-Zylinder Fy-Kolben Fx-Arm L: z Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Achsidentifikation S-Funktionen 0el0378.ppt Seitenkraft Längskraft Federweg L: 6 DOF Rad Dummy Bremse Achse xy Rdyn Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy ET Spurwinkel Sturzwinkel Radlast Wankpol Nickwinkel Winkel Isys Fx-Längskraft Welle Luftlager Fx-Zylinder Fx-Kolben Fy-Arm Fy-Zylinder Fy-Kolben Fx-Arm L: z Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Simpack

27 Validierung des Achsidentifikationstool Zur Beschreibung der Achse existieren somit zwei Modellansätze, die nun miteinander verglichen werden können: Der erste Modellansatz basiert auf einer modellierten Achse, mit Kenntnis der kinematischen Anlenkpunkte und elastokinematischen Randbedingungen (Bushingsteifigkeiten) Der andere Modellansatz basiert auf Messungen der Achse auf einem realen oder auf einem virtuellen Prüfstand und der anschließenden mathematischen Beschreibung der Achse (S-Funktion)

28 Spurwinkeländerung 1 Spurwinkel [ ] Spurwinkel (Simpack) Spurwinkel (Achsidentifikation) Fx positiv Fy positiv positiv Federweg [mm] Spurwinkel [ ] Spurwinkel (Simpack) Spurwinkel (Achsidentifikation) Spurwinkel [ ] Spurwinkel (Simpack) Spurwinkel (Achsidentifikation) Längskraft [N] Seitenkraft [N]

29 L: 6 DOF Bremse L: z Vergleich zwischen Superposition und kombinierter Belastung Einzelbelastung Rad Dummy Fx Isys Fx-Zylinder Fy-Zylinder Achse xy Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Fx-Längskraft Welle Fx-Kolben Fy-Kolben Winkel Luftlager Fy-Arm Fx-Arm Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Spurwinkel Längskraft

30 L: 6 DOF Bremse L: z Vergleich zwischen Superposition und kombinierter Belastung Einzelbelastung Fy Isys Fx-Zylinder Fy-Zylinder Achse xy Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Fx-Längskraft Welle Fx-Kolben Fy-Kolben Rad Dummy Winkel Luftlager Fy-Arm Fx-Arm Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Spurwinkel Seitenkraft

31 L: 6 DOF Bremse L: z Vergleich zwischen Superposition und kombinierter Belastung Einzelbelastung + Sz Isys Fx-Zylinder Fy-Zylinder Achse xy Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Fx-Längskraft Welle Fx-Kolben Fy-Kolben Rad Dummy Winkel Luftlager Fy-Arm Fx-Arm Spurwinkel Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Federweg

32 L: 6 DOF L: 6 DOF L: 6 DOF Bremse Bremse Bremse L: z L: z L: z L: 6 DOF Bremse L: z Vergleich zwischen Superposition und kombinierter Belastung Einzelbelastung Kombinierte Belastung Rad Dummy Fx Isys Fx-Zylinder Fy-Zylinder Achse xy Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Fx-Längskraft Welle Fx-Kolben Fy-Kolben Winkel Luftlager Fy-Arm Fx-Arm Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Spurwinkel Längskraft Superposition Achsidentifikation Federweg Fy Isys Fx-Zylinder Fy-Zylinder Achse xy Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Fx-Längskraft Welle Fx-Kolben Fy-Kolben Rad Dummy Winkel Luftlager Fy-Arm Fx-Arm Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Spurwinkel Seitenkraft Spurwinkel Sz Isys Fx-Zylinder Fy-Zylinder Achse xy Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Fx-Längskraft Welle Fx-Kolben Fy-Kolben Rad Dummy Winkel Luftlager Fy-Arm Fx-Arm Spurwinkel Seitenkraft Längskraft 0el0378.ppt Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite Federweg Simulation Rad Dummy Achse xy Rdyn ET Fy-Seitenkraft Nachlauf Fy Winkel Isys Fx-Längskraft Welle Luftlager Fx-Zylinder Fx-Kolben Fy-Arm Fy-Zylinder Fy-Kolben Fx-Arm Sz-Federweg Boden Radstand Spurweite

33 Fehlerbetrachtung des Spurwinkels zwischen kombinierter Belastung und Superposition 0.5 Signifikante Unterschiede im Spurwinkelverlauf Spurwinkel [ ] Spurwinkel Superposition Spurwinkel Matrix Superposition Spurwinkel [ ] kombinierte Belastung (Matrix) Spurwinkel [ ] Längskraft [N] Spurwinkel Superposition Spurwinkel Matrix Seitenkraft [N] Längskraft [N] Seitenkraft [N]

34 Fehlerbetrachtung des Sturzwinkels zwischen kombinierter Belastung und Superposition 1 Signifikante Unterschiede im Sturzwinkelverlauf Sturzwinkel [ ] Sturzwinkel Superposition Sturzwinkel Matrix Sturzwinkel [ ] Superposition kombinierte Belastung (Matrix) Längskraft [N] Seitenkraft [N] Sturzwinkel [ ] Längskraft [N] Sturzwinkel Superposition Sturzwinkel Matrix Seitenkraft [N]

35 Simulation und Versuch Aufbau eines Vollfahrzeugmodells in Matlab/Simulink mit fünf einzelnen Massen (vier Radmassen, Aufbaumasse) Kopplung der Massen über Feder-Dämpfer-Systeme Aufstellen der Bewegungsdifferentialgleichungen: Gradlinige Bewegung: Newton m i & x i Drehbewegung: Drallsatz ( t) = i F i X Wankwinkel ϕ Θ i ϕ&& i = Z Gierwinkel Ψ i Nickwinkel ϑ Y Lenkwinkel δ M i Fahrzeugmodell mit 15 Freiheitsgraden ZA l AV Z A l Ah s/2 s/2 Y A m A X A m A Z R1(3) Y R1(3) ywp C A k A hwp Y R2(4) Z R2(4) C A C A k A k A X R3(4) X R1(2) Z R1(2) Z R3(4) h Nick

36 Implementierung der BMW Achse Einbindung der spezifischen Achskennwerte über S-Funktionen BMW 318i Achsvermessung Achsidentifikation Mathematische Abbildung der BMW Achsen Spurwinkel, Sturzwinkel = f (Längskraft, Seitenkraft, Federweg) Radlast = f (Federweg) Nickwinkel = f (Federweg) Wankpolkoordinaten z,y = f (Federweg r, Federweg l) 0el0378.ppt

37 Versuchsfahrzeug mit Messtechnik Um die Reaktionen des Fahrzeugs nach Durchführung von Fahrversuchen analysieren und mit der Simulation vergleichen zu können, wurde ein Versuchsfahrzeug mit Messtechnik ausgerüstet. Folgende Größen wurden aufgenommen: S-CE Correvit Längs- und Quergeschwindigkeit (v l, v q ) Beschleunigungen in x-, y- und z-richtung (a x, a y,a z ) Wank-, Nick- und Gierwinkel (α x, α y, α z ) Wank-, Nick- und Gierwinkelgeschwindigkeit (ω x, ω y, ω z ) RMS Plattform DATRON Messlenkrad Lenkwinkel und -moment (δ h, M h )

38 Fahrversuche zur Validierung des Fahrzeugsmodells Stationäre Kreisfahrt: Mit der stationären Kreisfahrt untersucht man das Eigenlenkverhalten des Fahrzeugs Open-Loop-Manöver (fahrerunabhängiges Manöver): Gewonnene Messergebnisse eignen sich gut als Referenzgrößen zur qualitativen Beurteilung des Fahrzeugmodells Die Durchführung des Fahrversuches erfolgt innerhalb mehrerer Fahrzyklen. Dabei wird das Fahrzeug auf einer Kreisbahn (r = 30 m) in einen stationären Fahrzustand gebracht Fahrzyklus: Geschwindigkeit v = 4m/s v = v + 1 m/s Geschwindigkeit > 7 m/s v = v m/s Überschreiten der Stabilitätsgrenze

39 Auswertung der Messergebnisse Lenkwinkel [ ] Schwimmwinkel [ ] Meßwerte Simulation Querbeschleunigung [m/s²] Querbeschleunigung [m/s²] Eigenlenkverhalten: Lenkwinkel steigt bis ca. 4 m/s 2 annähernd linear an und nimmt bei höheren Querbeschleunigungen progressiv zu Fahrzeug untersteuernd ausgelegt Schwimmwinkel: leicht progressiver Abfall, Fahrzeuglängsachse orientiert sich in Richtung Kreismittelpunkt und wandert nach außen (tangential β = 0 )

40 Auswertung der Messergebnisse Gierrate [ /s] stat. Gierverstärkungsfaktor [ /s/ ] Meßwerte Simulation Querbeschleunigung [m/s²] v längs [m/s] Stationäre Gierverstärkung: Quotient aus der Gierrate und den eingestellten Lenkwinkel Maß für die Lenkempfindlichkeit des Fahrzeugs Die Kurve für die Lenkempfindlichkeit weist ein lokales Maximum auf (untersteuerndes Fahrzeug) Die zugehörige Fahrgeschwindigkeit wird als charakteristische Geschwindigkeit bezeichnet und beträgt ca. 13 m/s

41 Zusammenfassung Das Simulationsmodell bildet die Realität sehr genau ab Die Prüfstandsmessungen ermöglichen die realistische mathematische Abbildung der Radaufhängungen, um ein sehr detailgetreues Simulationsmodell mit relativ geringem Zeitaufwand aufbauen zu können Mit Hilfe des Achsidentifikationstools reduzieren sich die verschiedenen Einzelradaufhängungen auf mathematische Zusammenhänge, ohne auf geometrische Größen der Achsen, kinematische Anlenkpunkte, Bushing- und Lenkersteifigkeiten zurückgreifen zu müssen Die Identifikationsmöglichkeiten verschiedener Achsaufhängungen liefern einen Beitrag zur graphischen Analyse vorhandener Achskonzepte und zur wirtschaftlichen Weiterentwicklung von Gesamtfahrzeugkonzepten