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«Studiendepartment Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau Analyse des Einflusses von Prüfstandsausführung und Fahrzeugfesselung auf das ...»

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Bachelorarbeit

Studiendepartment Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau

Analyse des Einflusses von Prüfstandsausführung und

Fahrzeugfesselung auf das Längsdynamikverhalten von

PKW auf dem Rollenprüfstand

Bennet Böker

31. August 2012

I

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Department Fahrzeugtechnik + Flugzeugbau

Berliner Tor 9

20099 Hamburg

in Zusammenarbeit mit:

AVL List GmbH

Hans-List-Platz 1

A – 8020 Graz

Verfasser: Bennet Böker Abgabedatum: 31.08.2012

1. Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Ralf Ahrens

2. Prüfer: Dr.-Ing. Kay Steigerwald Industrieller Betreuer: Dr.-Ing. Kay Steigerwald II Abstract Die Abstimmung der Driveability eines Fahrzeugs, die maßgeblich durch die Fahrzeuglängsdynamik geprägt ist, wird vermehrt von der Teststrecke auf den Rollenprüfstand verlagert. Innerhalb der vorliegenden Arbeit werden Faktoren der Prüfumgebung Rollenprüfstand, die Einfluss auf die gemessene Längsdynamik nehmen, identifiziert. Im Anschluss wurden Modelle entwickelt, mit denen sich die Einflüsse der identifizierten Faktoren über die Variation ihrer Parameter qualitativ sowie quantitativ abbilden lassen. Zu diesem Zweck beinhalten die Modelle je eine Simulation der Prüfumgebung Rollenprüfstand sowie der Prüfumgebung Teststrecke. Die Längsdynamik bzw. Längsbeschleunigung, die infolge eines definierten Fahrmanövers für beide Prüfumgebungen simuliert werden, können schließlich verglichen werden. Werden die Parameter der Einflussfaktoren einem realen Rollenprüfstand angepasst, lässt sich auf Basis der Modelle eine erste Bewertung des Prüfstands bezüglich seiner Tauglichkeit für Längsdynamikuntersuchungen vornehmen.

The driveability is dominated by longitudinal dynamics. Its calibration used to happen on test tracks. Nowadays a lot of calibration is transferred to the chassis dynamometer. In this work factors of the test environment, which have got an impact on measured longitudinal acceleration, have been identified. Models have been developed, which are able to represent the qualitative and quantitative impact of the identified factors, by variation of their parameters. For this purpose the models contain two simulations. One for the test environment chassis dynamometer and one for the test environment test track. The longitudinal acceleration simulated by these models can be compared. If the parameters of the models are assimilated to a real chassis dynamometer, the chassis dynamometer can be, related to its suitability for testing and calibrating longitudinal dynamics, evaluated.

III Selbstständigkeitserklärung Hiermit erkläre ich, dassich die vorliegende Bachelorarbeit selbstständig, ohne fremde Hilfe und nur unter Verwendung der angegebenen Literatur angefertigt habe. Weiterhin versichere ich, dass diese Arbeit noch keiner anderen Prüfungskommission vorgelegen hat.

–  –  –

Die vorliegende Arbeit entstand während meines Praxissemesters im Sommer 2012 bei der AVL List GmbH in Graz.

Besonderer Dank gilt meinem Betreuer bei der AVL, Herrn Dr.-Ing. Kay Steigerwald, der mir ein selbstständiges Arbeiten ermöglichte, mir stets fachlich hilfreich zur Seite stand sowie wertvolle Anregungen gab.

Weiter möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Ralf Ahrens bedanken, der mich trotz der Entfernung zwischen Hamburg und Graz hervorragend betreute und zu jederzeit erreichbar war. Neben wegweisenden fachlichen Anregungen leistete Herr Prof. Dr.-Ing.

Ahrens umfangreiche Unterstützung bezüglich des formellen Ablaufs der Bachelorarbeit.

Ebenfalls herzlicher Dank gebührt Herrn Dr.-Ing. Tobias Düser, der mir mit unerschöpflicher Hilfsbereitschaft meine Fragen zur Technik der Rollenprüfstände beantwortete.

Ganz spezieller Dank gilt bei der AVL den Kollegen Mario Oswald und Jörg Schlager, die mir einen Einblick in die VSM Software ermöglichten und mir in diesem Zusammenhang stets mit Rat und Tat zur Seite standen.

Ebenfalls möchte ich mich bei allen Kollegen der Abteilung DFM bedanken, die einen großen Anteil daran haben, dass ich mich in Graz von Anbeginn an willkommen fühle. Ebenfalls konnte ich mich zu jedem Zeitpunkt auf die Unterstützung der Kollegen verlassen.

Große Dankbarkeit empfinde ich meinen Eltern sowie meinem Bruder gegenüber, die mir immer vertrauen, mich stets unterstützen und mir letztlich ein Zweitstudium ermöglichten.

Mehr als Dank gilt meiner Freundin: für ihr Verständnis und ihre Begabung mir in jeder Lebenslage Kraft sowie Mut zu spenden.

V Inhaltsverzeichnis

Abstract

Selbstständigkeitserklärung

Danksagung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Längsdynamik

2.1 Bedeutung der wahrgenommenen Längsdynamik für den Markterfolg eines Fahrzeugs

2.2 Fahrmanöver mit Einfluss auf die Längsdynamik

2.3 AVL-DRIVE die Methode der standardisierten Bewertung der Fahrzeugdynamik....... 8 3 Die Einflussfaktoren des Fahrzeugs auf die Längsdynamik

3.1 Der Motor

3.2 Der Antriebstrang

3.2.1 Zweimassenschwungrad

3.2.2 Kupplung

3.2.3 Getriebe

3.2.4 Achsgetriebe

3.2.5 Ausgleichsgetriebe





3.2.6 Antriebswellen und Gelenkwellen

3.3 Fahrwerk und Reifen

3.3.1 Das Fahrwerk

3.3.2 Der Reifen

4 Rollenprüfstände

4.1 Historie und Nutzen von Rollenprüfständen

4.2 Typen von Rollenprüfständen

4.2.1 Rollenausführung

4.2.2 Konfigurationen von Rollen und Belastungsmaschinen

4.2.3 Fahrzeugfesselung

4.3 Physikalische Grundlagen: Antriebs- und Widerstandskräfte

4.4 Physikalischer Aufbau des Rollenprüfstands

4.4.1 Belastungseinheit

VI 4.4.2 Rolle

4.4.3 Verbindungswelle

4.5 Regelkreis des Rollenprüfstands

4.5.1 Messgrößen

4.5.2 Funktionen der Messgrößen bei der Lastregelung

4.5.3 Methoden zur Simulation der Fahrwiderstände

4.6 Herausforderungen bei der Errichtung von Rollenprüfständen unter Berücksichtigung ihrer Einsatzzwecke

4.7 Längsdynamikuntersuchungen auf dem Rollenprüfstand

4.8 Einflussfaktoren auf die Messung der längsdynamischen Kräfte auf dem Rollenprüfstand

5 Simulation der längsdynamischen Untersuchungen auf dem Rollenprüfstand................. 48 5.1 Mathematische Grundlagen der Modellbildung

5.2 MATLAB/Simulink Modell zur Abschätzung des qualitativen Prüfstandseinflusses auf die Messung

5.2.1 MATLAB/Simulink

5.2.2 Modellbeschreibung

5.2.3 Modellbasierte Simulation des Fahrmanövers Tip In

5.2.4 Bewertung des Simulinkmodells

5.3 Detaillierte Modelle auf AVL Software basierend

5.3.1 AVL-VSM

5.3.2 Beschreibung des Fesselungsmodells

5.3.3 Tip In Simulation auf Basis des Fesselungsmodells

5.3.4 Bewertung des Fesselungsmodells am Beispiel Tip In

5.3.5 AVL-CRUISE und VSM 4 CRUISE

5.3.6 Beschreibung des Prüfstandsmodells

5.3.7 Tip In Simulation auf Basis des Prüfstandsmodells

5.3.8 Bewertung des Prüfstandsmodells am Beispiel Tip In

6 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

VIIAbbildungsverzeichnis

Abbildung 2-1: Längsdynamik, Vertikaldynamik, Querdynamik ([4], Kapitel 2, Seite 37)............ 4 Abbildung 2-2: Beschleunigungssignal infolge eines Tip Ins / Tip Outs

Abbildung 2-3: Statische und dynamische Kräfte am Fahrzeug (Tip In)

Abbildung 2-4: Beispielhafte Driveability Bewertungsspinne mit 15 Fahrzuständen und resultierender Gesamtnote

Abbildung 2-5: Jerks Messung bei Tip In ([27], Seite 8)

Abbildung 2-6: Kick Messung bei Tip In ([27], Seite 9)

Abbildung 2-7: Response delay Messung bei Tip In ([27], Seite 10)

Abbildung 3-1: Beispielhafte Darstellung des zyklischen Drehmomentverlaufs (4-Takt, Vierzylinder)

Abbildung 3-2: Zweimassenschwungrad ([17], Seite 223)

Abbildung 3-3: Bogenfedercharakteristik eines Zweimassenschwingers ([18], Seite 488)........ 16 Abbildung 3-4: Kategorisierung der Fahrzeuggetriebe ([17], Seite 350)

Abbildung 3-5: Manuelles Schaltgetriebe ([17], Seite 353)

Abbildung 3-6: Ausgleichsgetrieb ([17], Seite 382)

Abbildung 3-7: Querschnitt Radialreifen ([4], Seite 38)

Abbildung 4-1: Doppelrolle und Scheitelrolle ([3], Seite20)

Abbildung 4-2: Rollenkonfigurationen ([3], Seite 22)

Abbildung 4-3: Ausgewählte Belastungseinheiten ([3], Seite 30)

Abbildung 4-4: Schematische Darstellung der Zugkraftmessung auf dem Rollenprüfstand ([3], Seite 16)

Abbildung 4-5: Einfluss des Rollendurchmessers auf den Rollwiderstand ([3], Seite 18).......... 37 Abbildung 4-6: Fahrzeugfesselung mittels Kraftmessdose

Abbildung 4-7: Schematische Darstellung des Prüfstandsaufbaus inklusive Software Anbindung ([3], Seite 59)

Abbildung 4-8: Einfluss des Nickens auf die Fesselungsgeometrie

Abbildung 5-1: Ableitung des Modells eines Zweimassenschwingers (vgl. [18], Seite 487)....... 49 Abbildung 5-2: Parameter der Bewegungsgleichung

Abbildung 5-3: Methoden zur Bestimmung der Dämpfung ([28], Seite 48)

Abbildung 5-4: Reduktion von Drehschwingern auf eine Welle

Abbildung 5-5: Makroskopische Struktur des Simulinkmodells

Abbildung 5-6: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus (Fahrzeug auf Rollenprüfstand)

Abbildung 5-7: Der Versuchsaufbau als rotatorischer Dreimassenschwinger

Abbildung 5-8: Lookup Table des Motorkennfelds

Abbildung 5-9: Modellierte Signalspur eines Tip Ins / Tip Outs

Abbildung 5-10: Modellierung des Luftwiderstands in Simulink

Abbildung 5-11: Modellierung der Massenträgheit in Simulink

Abbildung 5-12: Makroskopische Darstellung des Fesselungsmodells

Abbildung 5-13: Viertelfahrzeugmodell als translatorischer Dreimassenschwinger.................. 66 Abbildung 5-14: Erregerkräfte des Viertelfahrzeugmodells in Simulink

VIII Abbildung 5-15: Schematische Darstellung von Aufbaubewegung und Rechenweg zur Bestimmung der Fesselungshöhe

Abbildung 5-16: Bestimmung der Bewegungen des Fesselungspunktes in vertikaler Richtung über Wenn – Dann – Beziehungen in Simulink

Abbildung 5-17: Referenzmodell der Straßenfahrt als rotatorischer Zweimassenscheinger..... 73 Abbildung 5-18: Vergleich der simulierten Motordrehzahlen (Prüfstand vs. Straßenfahrt)...... 75 Abbildung 5-19: Vergrößerte Darstellung des Vergleichs der simulierten Motordrehzahlen (Prüfstand vs. Straßenfahrt)

Abbildung 5-20: Versuchsergebnisse eines Tip Ins / Tip Outs auf dem Rollenprüfstand........... 76 Abbildung 5-21: Vergleich der simulierten Beschleunigungen Prüfstand vs Straße.................. 77 Abbildung 5-22: Bewegungen des fahrzeugseitigen Fesselungspunktes (Tip In / Tip Out)........ 77 Abbildung 5-23: Einfluss der Fesselungshöhe auf die Längsbeschleunigung

Abbildung 5-24: Einfluss der Regelzeit auf die Längsbeschleunigung

Abbildung 5-25: Implementiertes Fesselungsmodell im VSM

Abbildung 5-26: Implementiertes Referenzmodell (Straßenfahrt) im VSM

Abbildung 5-27: Längsbeschleunigung Referenzmodell / Straßenfahrt (Tip In / Tip Out;

Schwerpunkthöhe 0,56 m)

Abbildung 5-28: Längsbeschleunigung mit Fesselung / Prüfstand (Tip In / Tip Out;

Fesselungshöhe 0,56 m)

Abbildung 5-29: Vergleich der Längsbeschleunigungen (Tip In; Straßenfahrt vs. Prüfstand).... 85 Abbildung 5-30: Längsbeschleunigung mit Fesselung / Prüfstand (Tip In / Tip Out;

Fesselungshöhe 1 m)

Abbildung 5-31: Vergleich der Längsbeschleunigungen (Tip In; Fesselungshöhe 0,56 vs.

Fesselungshöhe 1 m)

Abbildung 5-32: CRUISE GUI mit Darstellung des Antriebstrang

Abbildung 5-33: CRUISE GUI mit Darstellung des Rollenprüfstands

Abbildung 5-34: Pedal-, Beschleunigungs-und Motordrehzahlsignal für simulierten Tracktest (Tip In)

Abbildung 5-35: Pedal-, Beschleunigungs-und Motordrehzahlsignal für simulierten Tip In auf dem Prüfstand (Wellenlänge 500 mm, Regelzeit 25 ms)

Abbildung 5-36: Pedal-, Beschleunigungs-und Motordrehzahlsignal für simulierten Tip In auf dem Prüfstand (Wellenlänge 1000 mm, Regelzeit 25 ms)

Abbildung 5-37: Pedal-, Beschleunigungs-und Motordrehzahlsignal für simulierten Tip In auf dem Prüfstand (Wellenlänge 4000 mm, Regelzeit 25 ms)

Abbildung 5-38: Pedal-, Beschleunigungs-und Motordrehzahlsignal für simulierten Tip In auf dem Prüfstand (Wellenlänge 500 mm, Regelzeit 100 ms)

IXAbkürzungsverzeichnis

ANA Anfahrnickausgleich AVL Anstalt für Verbrennungsmotoren List AWD All Wheel Drive (Allradantrieb) CAN Controller Area Network dll file Dynamic Link Library Datei DoE Design of Experiments ECU Engine Control Unit E-Gas Elektronische Steuerung der Drosselklappe bzw. der Einspritzanlage EPA Environmental Protection Agency GUI Graphical User Interface ISO International Organization for Standardization NFZ Nutzfahrzeug NVH Noise Vibration Harshness PKW Personenkraftwagen TCU Transmission Control Unit UDP User Datagram Protocol VSM Vehicle Simulation Model xCU Crosspoint Control Unit; beliebige Steuergeräte

X1 Einleitung



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