Simulation in der Fahrwerktechnik: Einführung in die Erstellung von Komponenten- und Gesamtfahrzeugmodellen

271 Pages·2014·5.378 MB·German

by  Dirk Adamski (auth.)

ATZ/MTZ-Fachbuch
Dirk Adamski
Simulation in der
Fahrwerktechnik
Einführung in die Erstellung
von Komponenten- und
Gesamtfahrzeugmodellen
ATZ/MTZ-Fachbuch
Die komplexeTechnik heutigerKraftfahrzeugeund Motorenmacht einen immer größer
werdenden Fundus an Informationen notwendig, um die Funktion und die Arbeitswei-
sevonKomponentenoderSystemenzuverstehen.DenraschenundsicherenZugriffauf
dieseInformationenbietetdieregelmäßigaktualisierte ReiheATZ/MTZ-Fachbuch,wel-
chediezumVerständniserforderlichenGrundlagen,DatenundErklärungenanschaulich,
systematischundanwendungsorientiertzusammenstellt.
DieReihewendetsichanFahrzeug-undMotoreningenieuresowieStudierende,dieNach-
schlagebedarfhaben und im ZusammenhangFragestellungen ihres Arbeitsfeldes verste-
hen müssen und an Professoren und Dozenten an Universitäten und Hochschulen mit
SchwerpunktKraftfahrzeug-undMotorentechnik.Sieliefertgleichzeitigdastheoretische
RüstzeugfürdasVerständniswieauchdieAnwendungen,wiesiefürGutachter,Forscher
und Entwicklungsingenieure in der Automobil- und Zulieferindustrie sowie bei Dienst-
leisternbenötigtwerden.
Dirk Adamski
Simulation in der
Fahrwerktechnik
Einführung in die Erstellung von
Komponenten- und
Gesamtfahrzeugmodellen
DirkAdamski
DepartmentFahrzeugtechnikundFlugzeugbau
HAWHamburg
Hamburg,Deutschland
ISBN978-3-658-06535-5 ISBN978-3-658-06536-2(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-06536-2
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbaden2014
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus-
drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Das
giltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEin-
speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. indiesem Werk be-
rechtigtauch ohnebesondere Kennzeichnung nicht zuder Annahme, dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebung alsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
SpringerViewegisteineMarkevonSpringerDE.SpringerDEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer
Science+BusinessMedia
www.springer-vieweg.de
Vorwort V
Vorwort
Die in diesem Buch beschriebene Methode der Mehrkörpersysteme (MKS) ist ein Standard
für die Fahrdynamik- und Fahrkomfortsimulation von Fahrwerken und Gesamtfahrzeugen.
Hier steht allerdings nicht die Methode selbst, sondern deren Anwendung im Vordergrund.
Vor allem die Umsetzung von Fragestellungen, die einer Berechnungsingenieurin oder einem
Berechnungsingenieur in den genannten Disziplinen tagtäglich umgeben, soll hier besprochen
werden. Dies bedeutet, dass die für das Verständnis der Methode notwendigen Formeln und
Herleitungen hier in der Regel nicht zu finden sind. Dafür findet man allerdings viele prakti-
sche Beispiele und selbstverständlich die hierfür gebrauchten Gleichungen. Natürlich passt
der Beruf von Berechnungsingenieuren und die Angst vor Differenzialgleichungen nicht zu-
sammen. Aber ich gehe davon aus, dass es vielen reicht, dass die Formalismen der MKS-
Methode in Simulationsprogrammen bereits verarbeitet wurden und sie sich den wesentlichen
Dingen des Alltaggeschäfts widmen wollen. Der Arbeitsauftrag heißt in der Regel eher, eine
Abstimmungsvariante zu berechnen oder das Modell eines aktiven Systems zu entwickeln, als
ein neues Simulationswerkzeug zu programmieren. Trotzdem geht es hier mehr um die Be-
schreibung der Modelle von Fahrwerkkomponenten, als um die Bedienung eines kommerziel-
len Simulationswerkzeuges.
Dieses Buch richtet sich vor allem an die Entwickler von Pkw-Fahrwerken, nichtsdestotrotz
kann aber der überwiegende Teil auch für die Entwicklung von Nutzfahrzeugfahrwerken ver-
wendet werden. Die beschriebenen Modelle sind in der Regel allgemein genug gehalten, dass
sie insbesondere über ihre Parametrierung auch für größere und schwerere Fahrzeuge geeignet
sind – die Physik ist dieselbe. Allerdings ist immer zu bedenken, ob der hier verwendete An-
satz der Mehrkörpersysteme mit ideal starren Bauteilen auch für diese Fragestellungen einge-
setzt werden kann. Mindestens eine Hybridsimulation mit FE-Anteilen sollte angestrebt wer-
den. Bei den Zweirädern ist der Aufbau des Fahrwerks aufgrund der Fahrzeugestruktur bei ei-
nigen Teilen anders, bei anderen wieder gleich – so ergibt sich auch hier eine gewisse
Schnittmenge.
Auf die grundlegenden Funktionen der einzelnen Fahrwerkbauteile gehe ich nicht oder nur
rudimentär ein. Ich gehe davon aus, dass jeder der sich an das Thema Simulation im Fahrwerk
heranwagt, diese Grundlagen verstanden hat und die passende Standardliteratur kennt.
Die Zielgruppe dieses Buches sind in erster Linie Ingenieurinnen und Ingenieure. Aber ich
bitte Sie, diesen Begriff etwas weiter zu fassen, als nur die Absolventinnen und Absolventen
eines ingenieurwissenschaftlichen Studiums damit zu sehen.1 Mir ist durchaus bewusst, dass
viele Mathematiker und Physiker in diesem Bereich arbeiten. Aber nach meiner Auffassung
arbeiten sie dann als Ingenieure, unabhängig von ihrem akademischen Abschluss.

1 Um der Lesbarkeit willen und nicht aus mangelnder Wertschätzung, werde ich im Weiteren nur noch einen
Genus für die in diesem Buch angesprochen Berechnerinnen und Berechner verwenden. Ich hoffe die zahlenmä-
ßig noch immer viel zu wenigen Ingenieurinnen mögen sich trotzdem ausreichend angesprochen fühlen.
VI Vorwort
Ich scheue mich nicht, an einigen Punkten an der Oberfläche zu bleiben und mehr die operati-
ven und weniger die theoretischen Inhalte zu vermitteln. Es gibt glücklicherweise Regalmeter
an theoretischer Literatur – zumindest für den ersten Teil dieses Buches. Mein Ehrgeiz war es
nicht, dort noch ein paar Zentimeter hinzuzufügen. Jedem, dem die Ausführungen nach dem
ersten Lesen nicht reichen, da er tiefer in das Gebiet eindringen will, soll oder muss, dem sei
dies nur als Anregung für weitere Studien empfohlen. Diejenigen, die hilflos vor den Regal-
metern stehen, denen sollen erste Schritte den Weg auf mehr weisen.
Als Professor kann ich nicht anders, als Sie immer wieder an die Grundlagenfächer zu erin-
nern, die Sie in Ihrem Studium durchlaufen haben, und von dem das ein oder andere in Ver-
gessenheit geraten sein mag. Wir werden es an der ein oder anderen Stelle benötigen.
Das Thema der Simulation begleitet mich seit meinem eigenen Studium. Schon als Studenti-
sche Hilfskraft am Fachgebiet Mechatronik der damaligen Gerhard-Mercator-Universität Du-
isburg setzte ich das dort entwickelte Fahrdynamiksimulationspaket FASIM_C++ ein
[AdSH97], über dessen Weiterentwicklung zu einer integrierten Simulationsumgebung ich
später promovierte [Adam01]. Dort habe ich vor allem die softwaretechnische Seite der Simu-
lation kennengelernt. In den ersten Jahren meiner beruflichen Tätigkeit bei der Daimler AG
wurde die Entwicklung des elektrohydraulischen Bremssystems SBC durch Hardware-in-the-
Loop-Simulationen flankiert. Während meiner Zeit als Berechnungsingenieur im selben Hau-
se habe ich große, komplexe Gesamtfahrzeugmodelle für die Fahrkomfortsimulation mithilfe
einer kommerziellen Simulationsumgebung entwickelt und verwendet. Die Phase der Einfüh-
rung der sogenannten Digitalen Prototypen, die heute Standard in der Automobilentwicklung
sind, habe ich an mehreren Projekten erlebt [AdJD07]. Heute als Professor für Versuch und
Simulation in der Fahrwerktechnik an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Ham-
burg lehre ich dort diese Thematik.

Hamburg, im August 2014 Dirk Adamski
Schreiben ist leicht. Man muss nur die falschen Wörter weglassen.
Mark Twain
VIII Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis

Vorwort .................................................................................................................................... V
Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................ VIII
1 Simulationsmethoden ....................................................................................................... 3
1.1 Was ist Simulation? ..................................................................................................... 3
1.2 Betrachtungsweisen ..................................................................................................... 3
1.2.1 Finite Elemente Methode (FEM) ......................................................................... 4
1.2.2 Mehrkörpersysteme (MKS) .................................................................................. 5
1.2.3 Blockschaltbildorientierte Methoden ................................................................... 8
2 Systemtechnik .................................................................................................................. 10
2.1 Systembegriff............................................................................................................. 10
2.1.1 Systemgrenze ..................................................................................................... 11
2.1.2 Kausalität ............................................................................................................ 13
2.1.3 Übertragungsverhalten ....................................................................................... 14
2.1.4 Wertebereich ...................................................................................................... 15
2.1.5 Lineare und Nichtlineare Systeme ..................................................................... 16
2.2 Systemverhalten......................................................................................................... 18
2.2.1 Systeme mit und ohne Gedächtnis ..................................................................... 18
2.2.2 Änderungsverhalten ........................................................................................... 18
2.3 Fragestellungen aus der gegebenen Systemstruktur .................................................. 21
2.3.1 Systemanalyse .................................................................................................... 21
2.3.2 Systemidentifikation ........................................................................................... 21
2.3.3 Systemsteuerung ................................................................................................. 22
3 Modellbildung ................................................................................................................. 23
3.1 Am Anfang steht das Problem ................................................................................... 23
3.2 Der Unterschied zwischen fehlerbehaftet und falsch ................................................ 25
3.3 Methoden zur Modellbildung .................................................................................... 26
3.3.1 Induktion ............................................................................................................ 26
3.3.2 Deduktion ........................................................................................................... 27
Inhaltsverzeichnis IX
3.3.3 Methode der Wahl .............................................................................................. 27
3.4 Modellklassen ............................................................................................................ 28
3.4.1 Physikalische Modelle ........................................................................................ 28
3.4.2 Verhaltensmodelle .............................................................................................. 28
3.5 Problemanalyse .......................................................................................................... 30
3.5.1 Analyse der Fragestellung .................................................................................. 30
3.5.2 Analyse des Systems .......................................................................................... 30
3.6 Modellentwurf ........................................................................................................... 31
3.6.1 Simulationsmethode ........................................................................................... 31
3.6.2 Umsetzung der Problemanalyse ......................................................................... 31
3.7 Verifikation ................................................................................................................ 32
3.8 Validierung ................................................................................................................ 32
3.8.1 Prinzipielle Vorgehensweise .............................................................................. 32
3.8.2 Vergleich von Messung und Simulation ............................................................ 34
3.8.3 Vergleich von Simulation und Simulation ......................................................... 37
3.8.4 Validierung mit Gesamtfahrzeugmessungen ..................................................... 37
3.9 Einfache oder mehrfache Verwendung ..................................................................... 38
3.9.1 Modularisiert oder monolithisch? ...................................................................... 38
3.9.2 Trennung von Daten und Modell ....................................................................... 40
4 Numerik – das Problem mit dem Anfang ..................................................................... 41
4.1 Wer ist EULER? .......................................................................................................... 41
4.2 Anfangswertprobleme oder Numerische Integration von Differenzialgleichungen .. 41
4.2.1 Das Anfangswertproblem ................................................................................... 41
4.2.2 Numerische Integration ...................................................................................... 42
4.3 Numerische Integration von Differenzialgleichungen erster Ordnung ..................... 43
4.3.1 Ein einfaches Beispiel ........................................................................................ 43
4.3.2 Streckenzugverfahren nach EULER..................................................................... 44
4.3.3 Fehlerarten .......................................................................................................... 46
4.3.4 Konvergenz und Stabilität .................................................................................. 48