Untersuchung einer Verbundlenkerachse

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Aufgabenstellung
2.1 Achsuntersuchung
2.2 Gesamtfahrzeuganalyse

3. Achsuntersuchung
3.1 Verbundlenkerachse
3.1.1 Vorkommen
3.1.2 Allgemeine Beschreibung
3.1.3 Kinematische und elastische Eigenschaften
3.1.3 Vor- und Nachteile der Verbundlenkerachse
3.2 Paralleleinfederung (kinematisch)
3.2.1 Eingabedaten
3.2.2 Diagramme und Analysen
3.2.2.1 Radhub / Sturzwinkel
3.2.2.2 Radhub / Nachlaufwinkel
3.2.2.3 Radhub / Spurwinkel
3.2.2.4 Radhub / Spurweitenänderung
3.2.2.5 Radhub / Rollzentrumslage lateral
3.2.2.6 Radhub / Rollzentrumslage vertikal
3.3 Wechselseitige Einfederung (kinematisch)
3.3.1 Eingabedaten
3.3.2 Diagramme und Analysen
3.3.2.1 Radhub / Sturzwinkel
3.3.2.2 Radhub / Nachlaufwinkel
3.3.2.3 Radhub / Spurwinkel
3.3.2.4 Radhub / Spurweitenänderung
3.3.2.5 Radhub / Rollzentrumslage lateral
3.3.2.6 Radhub / Rollzentrumslage vertikal

4. Gesamtfahrzeuganalyse
4.1 Simulation: Konstante Kreisfahrt
4.1.1 Beschreibung des Fahrverhaltenstests
4.1.2 Eingabedaten
4.1.3 Lenkwinkel / Querbeschleunigung
4.1.4 Schwimmwinkel / Querbeschleunigung
4.1.5.1 Schräglaufwinkel vorne / Querbeschleunigung
4.1.5.2 Schräglaufwinkel hinten / Querbeschleunigung
4.1.5.3 Schräglaufwinkel vorne und hinten / Querbeschleunigung
4.2 Simulation: Lenkwinkelsprung
4.2.1 Beschreibung des Fahrverhaltenstests
4.2.2 Durchführung
4.2.3 Eingabedaten
4.2.4 Stationärwerte
4.2.5 Diagramme und Analysen
4.2.5.1 Normalisierte Reaktionen / Zeit
4.2.5.2 Schwimmwinkel / Zeit
4.2.6 Ermittelte Fahrzeugkennwerte

5. Bemerkungen
5.1 Organisation der Projektarbeit
5.2 Beurteilung von ADAMS/Car
5.3 Probleme mit ADAMS/Car

6. Das Tutorial

7. Literaturverzeichnis

1. Einführung

Das Wahlfach Fahrwerk-Simulation beschäftigt sich mit rechnerunterstützter Fahrwerksentwicklung. Als Simulationssoftware wird ADAMS/Car von der Firma MSC Software Corp. eingesetzt. Diese ermöglicht die Simulation realer Fahrversuche im Rechner. Dabei ist die Art des Fahrzeugs genauso beliebig, wie der durchzuführende Test. Durch die Zusammenarbeit von MSC mit weltweit führenden Automobilherstellern lassen sich die Simulationsergebnisse auch in die Realität umsetzen.

Mithilfe eines ADAMS-Tutorials des Labors für Fahrwerk-/Simulationstechnik der FH Köln konnte man sich Grundkenntnisse für die Bearbeitung der Projektaufgaben aneignen. Danach erhielt jede Gruppe die Aufgabe, an einem Achstyp mehrere Versuche durchzuführen, sowie eine Gesamtfahrzeuganalyse. Eine genaue Erläuterung der Aufgabenstellung befindet sich im folgenden Abschnitt.

2. Aufgabenstellung

2.1 Achsuntersuchung

An einer Verbundlenkerachse sollen folgende Veränderungen untersucht werden:

Ausgehend von der Ausgangsstellung der Federn und Dämpfer soll eine 20°-Neigung nach vorne bzw. hinten (in z-x-Ebene) sowie nach innen bzw. außen (in z-y-Ebene) durchgeführt werden.

Für diese 5 verschiedenen Konfigurationen soll dann mit ADAMS/Car eine parallele und eine wechselseitige Einfederung durchgeführt werden. Die daraus ermittelten charakteristischen Verläufe von Sturz, Nachlauf, Spurwinkel, Spurweitenänderung und Rollzentrumslage sollen dargestellt und analysiert werden.

2.2 Gesamtfahrzeuganalyse

Das Standardfahrzeug von ADAMS/Car soll sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterachse auf eine McPherson-Federbein-Achse umgerüstet werden.

Es sollen 2 Fahrversuche durchgeführt werden, zunächst die Konstante Kreisfahrt mit Kreisradius 50m im Bereich 0,5 g. Hierbei sollen Lenkwinkel, Schwimmwinkel und Schräglaufwinkel über der Querbeschleunigung aufgetragen werden und analysiert werden.

Danach soll ein Lenkwinkelsprung mit einer Lenkgeschwindigkeit von 500 °/s durchgeführt werden. Es sollen die ermittelten zeitlichen Verläufe von Lenkwinkel, Querbeschleunigung, Rollwinkel, Gierwinkelgeschwindigkeit und Schwimmwinkel dargestellt und analysiert werden.

3. Achsuntersuchung

3.1 Verbundlenkerachse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.1: Verbundlenkerachse VW-Konzern

3.1.1 Vorkommen

Die Verbundlenkerachse dürfte die Hinterachs-Neukonstruktion der siebziger Jahre sein. 1974 wurde sie erstmals in den Fronttrieblern VW Scirocco und Golf eingebaut. Sie hat sich bis heute in vorderradangetriebenen PKWs der Unter- und Mittelklasse als Hinterachslösung durchgesetzt und besonders beim VW-Konzern, z.B. im VW Golf IV, Audi A6 (1997), VW Beetle, Audi TT Fronttriebler und VW Lupo. Weiterhin findet man sie im Fiat Punto, Ford Fiesta (1996), Toyota Yaris, Renault Laguna und Kangoo, sowie im aktuellen Opel Astra und vielen mehr.

Mittlerweile gibt es auch angetriebene Verbundlenkerhinterachsen, z.B. im Smart.

3.1.2 Allgemeine Beschreibung

Die Verbundlenkerachse gehört zur Gruppe der Verbundachsen, welche die übergeordnete, allgemeine Form der Achsbauarten ist. Die Verbundachse ist eine Mischung aus Einzelradaufhängung (0% Verbund) und Starrachse (100% Verbund). Man strebt mit einer Verbundachse an, die jeweiligen Vorzüge der Einzelradaufhängung und Starrachsaufhängung zu vereinigen. Genau genommen besteht die Verbundlenkerachse aus einer Kombination von Längslenker- und Starrachse.

Die Verbundlenkerachse besteht aus zwei möglichst verdreh- und biegesteifen Längslenkern, die an einen Querträger – mit U- bzw. V-Profil – angeschweißt sind. Großvolumige Führungslager übernehmen die Verbindung mit dem Aufbau. Die Karosseriestruktur muss dort mit einer sehr hohen Steifigkeit ausgelegt werden, da an diesen Stellen sämtliche Längs-, Quer- und Hochkräfte in den Aufbau eingeleitet werden.

Der Querträger liegt vor der Radmitte und nimmt alle Hoch- und Seitenkraftmomente auf. Aufgrund des einseitig offenen Profils ist er torsionsweich. Damit wird ein Verschränken der Lenker gegeneinander überhaupt erst ermöglicht. Gleichzeitig übernimmt er die Aufgabe eines Stabilisators. Befindet er sich am vorderen Drittel der Längslenker, verhält sich die Radaufhängung bei Wankfederung wie eine Schräglenkerachse und bei parallelem Ein- bzw. Ausfedern wie eine Längslenkerachse.

Die Verbundlenkerachse hat wegen der aus Gründen der Fahrpräzision und Fahrstabilität geforderten hohen Achssteife oft unter Komforteinbußen zu leiden, vor allem bei stoßartigen Fahrbahnanregungen.

3.1.3 Kinematische und elastische Eigenschaften

Sturz:

Die Sturzänderung bei paralleler Einfederung ist relativ gering, da sie lediglich elastizitätsbedingt ist.

Bei wechselseitiger Einfederung macht sich die Sturzänderung aber etwas stärker bemerkbar. Hier ist sie von der Lage des Querträgers abhängig.

Sitzt er zwischen den Drehpunkten, entsprechen die Sturzänderungswerte denen der Längslenkerachse. Die Räder nehmen als Sturz den Wankwinkel des Aufbaus ein.

Liegt der Querträger in Radmittenebene, so liegt praktisch eine Starrachse vor und die Sturzänderung ist gleich 0.

Meist liegt der Querträgers jedoch zwischen der Radmittenebene und der Befestigungsebene. In diesem Fall bewegt sich bei wechselseitiger Federung das einfedernde Rad in Richtung negativen Sturz und das ausfedernde in Richtung positiven Sturz.

Spur:

Der größte Nachteil der Verbundlenkerachse ist die Neigung zum Seitenkraftübersteuern. Diese Eigenschaft ist ein Resultat der Schrägstellung der Hinterachse bei Kurvenfahrt und der Längslenkerverformung, die aufgrund einer Seitenkraft bei Kurvenfahrt entsteht. Die Längslenker werden geringfügig verbogen, wodurch das einfedernde kurvenäußere Rad in Richtung Nachspur geht. Dies bedeutet eine Tendenz zum Übersteuern.

Der schlimmste fahrdynamische Fahrzustand für eine Verbundlenkerachse tritt beim Bremsen in einer Kurve auf. Die Bremskraft verbiegt den Längslenker des Hochlastrades noch zusätzlich in Richtung Nachspur.

Die Verformung bzw. Verdrehung der Längslenker geschieht auch dadurch, dass die Federkraft der Federdämpfer in einem gewissen Abstand zur Hochkraft im Radaufstandspunkt wirkt. Dies ruft ein Moment hervor, das umso größer wird, je weiter die Räder einfedern.

Zur Verringerung der Neigung zum Übersteuern werden spurkorrigierende Führungslager verwendet. Diese Lager nutzen die Lagerkräfte, um eine definierte Verformung der Längslenker in Richtung Untersteuern herbeizuführen.

Um jedoch dem Gesamtfahrzeug eine Untersteuertendenz aufzuzwingen, muss die Vorderachse so ausgelegt werden, dass sie ein sehr starkes Untersteuern aufweist. Durch Schrägstellung der Gummimetalllager des Achskörpers zur Fahrzeugquerachse kann das unerwünschte Seitenkraft-Nachspurlenken ebenfalls verringert werden. Die Übersteuertendenz kann zusätzlich dadurch verkleinert werden, dass die Aufhängung der Hinterräder so ausgelegt wird, dass die Achse in der Kurve wank- oder seitenkraftuntersteuert. Das bedeutet, dass das einfedernde kurvenäußere Rad unter dem Einfluss der Fahrzeugneigung geringfügig in Vorspur geht, wobei das ausfedernde kurveninnere Rad in Nachspur geht.

Wankzentrum:

Statisches Wankzentrum Wh: Kinematisches Wankzentrum:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.2: Ermittlung des statischen Wankzentrums

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3.3: Ermittlung des kinematischen Wankzentrums

Einfluss auf den Abstand des statischen Wankzentrums vom Boden (Höhe hWh) hat ausschließlich die Länge r des Längslenkers und dessen Schrägstellung (Winkel t).

Die Räder der Verbundlenkerachse schwenken in der Kurve um eine Verbindungslinie der beiden Lagerpunkte OL und OR mit dem Schubmittelpunkt SM des Querträgers. Schneidet man diese beiden Verbindungslinien mit einer durch die Radmitten gelegten Geraden, ergeben die Schnittpunkte zwei Pole P (siehe Draufsicht). In der Rückansicht werden die Pole P mit den gegenüberliegenden Radaufstandspunkten N verbunden. Der Schnittpunkt dieser Geraden ergibt das kinematische Wankzentrum und dessen Abstand vom Boden. Das elastokinematische Wankzentrum hat maßgeblichen Einfluss auf Vorspur- und Sturzänderung bei wechselseitiger Federung.

Je weiter oben und vorne sich der Schubmittelpunkt des Querträgers befindet, desto günstigere, also größere Vorspurwerte lassen sich am einfedernden kurvenäußeren Rad erreichen. Dazu muss das V- bzw. U-Profil des Querträgers allerdings stehend anstatt liegend an die Längslenker angeschweißt werden, was den Fertigungsaufwand wiederum erhöht. Beispielsweise bewirkt beim Audi A6 (1997) das stehende V-Profil des Querträgers im Gegensatz zum liegendem Profil des vorigen Modells etwa 10’ mehr Vorspurwinkeländerung bei 4° Rollwinkel.

Wanksturzfaktor:

Der Wanksturzfaktor ist das Verhältnis von Sturzänderung zur Änderung des kinematischen Wankwinkels. Je geringer dieser Faktor ist, desto besser dürfte die Kurvenfahrt sein.

Der Wanksturzfaktor hängt bei Verbundlenkerachsen von der Lage des Querträgers ab.

3.1.3 Vor- und Nachteile der Verbundlenkerachse

- geringer Bauraumbedarf
- leichte Montage und Demontage der ganzen Achse
- einfache Befestigung der Federdämpfer bzw. Stoßdämpfer und Federn
- keine Führungslenker oder Stäbe, dadurch
- geringe Anzahl Bauteile
- günstige Übersetzung Rad zu Federdämpfer möglich
- nur 2 Lagerpunkte, die die Federung kaum beeinflussen
- geringes Gewicht der ungefederte Massen
- Querträger kann die Aufgabe des Stabilisators mitübernehmen
- geringe Sturzänderung unter Seitenkräften
- geringe Vorspur- und Spurweitenänderung beim parallelen und wechselseitigen Federn
- durch Verlegen des Schubzentrums hereinkonstruierbares Wankuntersteuern
- günstig liegende Nickpole, die das Anheben des Hecks beim Bremsen verringern
- Neigung zum Seitenkraftübersteuern aufgrund der Lenkerverformung
- Torsions- und Schubspannungen im Querträger
- hohe Beanspruchung der Schweißnähte, dadurch
- festigkeitsmäßige Begrenzung der maximal zulässigen Hinterachslast
- begrenzte kinematische und elastokinematische Möglichkeiten der Radstellungsbeeinflussung
- Festlegung der Lage des Wankzentrums durch Achskinematik und Steifigkeit des Verbundlenkers
- gegenseitige Radbeeinflussung
- schwierige Entkopplung von Schwingungs- und Geräuschanregungen durch die Fahrbahn
- hohe Festigkeitsanforderungen an die Karosserie im Bereich der vorderen Lagerpunkte, an denen komplexe überlagerte Kräfte übertragen werden müssen

3.2 Paralleleinfederung (kinematisch)

3.2.1 Eingabedaten

Die Diagramme wurden in ADAMS/Car mit folgenden Einstellungen erstellt:

kinematic mode

analysis type : parallel wheel travel

number of steps : 100

mode of simulation : interactive

bump_disp : 80 mm

rebound_disp : -80 mm

travel relative to : wheel center

betrachtetes Rad : links

Basierend auf der Standard-Verbundlenkerachse (V1), die in ADAMS/Car angeboten wird, entstanden durch Variation der Feder- und Dämpferneigung insgesamt 4 zusätzliche Achsen, die im Folgenden mit V2, V3, V4 und V5 bezeichnet sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei den Modifikationen wurden diese großen Veränderungen bewusst gewählt um möglichst deutliche Ergebnisse zu erhalten.

3.2.2 Diagramme und Analysen

3.2.2.1 Radhub / Sturzwinkel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Sturzwinkelverlauf bei Ein- und Ausfederung zeigt, dass alle 5 Varianten tendenziell einen ähnlichen Verlauf aufweisen. Über den gesamten Messbereich liegt negativer Sturz vor. Dies liegt daran, dass die Radaufstandskräfte beidseitig ein Moment erzeugen, wodurch die Längslenker tordiert werden.

Beim Einfedern erhöht sich der negative Sturz, beim Ausfedern wird er geringer. Dies ist grundsätzlich positiv zu bewerten, da somit zusätzliche Seitenkraft aufgebaut wird.

Vergleicht man die 5 Varianten, so zeigt sich, dass im Vergleich zur Ausgangsstellung (V1) nur V5 eine größere Sturzseitenkraft aufbauen kann. Allerdings wirkt sich dieser Vorteil erst bei starker Einfederung deutlich aus und beträgt maximal etwa 0,5°. Da eine Seitenkraft durch 1° Spuränderung ungefähr gleich der Seitenkraft durch 6° Sturz ist, entsprechen diese 0,5° zusätzlichen Sturz etwa 5’ Spuränderung.

Alle anderen Varianten verschlechtern hingegen das oben beschriebene Verhalten.

Der bei allen Kurven vorhandene, charakteristische Knick im Bereich von etwa 15mm Einfederung ist auf die elastische Verformung der Längslenker zurückzuführen und ist wahrscheinlich stark abhängig von der Geometrie der Verbundlenkerachse.

3.2.2.2 Radhub / Nachlaufwinkel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Laut Definition ist der Nachlaufwinkel die Neigung der Lenkachse zur Senkrechten in Seitenansicht eines gelenkten Rades. Da wir eine ungelenkte Hinterachse betrachten, wäre es also möglich diesen Punkt zu überspringen. Da sich mit ADAMS/Car allerdings trotzdem Diagramme erzeugen lassen, möchten wir kurz auf diese eingehen.

Als Lenkachse dient hier allerdings die Symmetrieachse des Dämpfers. Ein Beleg dafür ist im obigen Diagramm sichtbar: Für V1 beträgt der Neigungswinkel des Dämpfers in Fahrtrichtung nach vorne 4,29° - dieser Wert stellt sich exakt bei 0mm Radhub ein. Da Federn und Dämpfer bei V2 und V3 lediglich nach innen bzw. außen geneigt wurden, ergibt sich ein deckungsgleicher Verlauf der 3 Kurven.

Beim Ein- und Ausfedern bewegen sich die Radmittelpunkte auf einer Kreisbahn um die Befestigungspunkte mit dem Radius der Lenkerlänge. Bei stärkerer Ein- bzw. Ausfederung wird dies stets eine merkliche Verschiebung in x-Richtung nach vorne ergeben.

Damit wird der Nachlauf jeweils in positiver Richtung beeinflusst, d.h. er wird größer bzw. der negative Nachlauf wird geringer. Dementsprechend haben sämtliche Verläufe der Nachlaufwinkel einen rechtsgekrümmten Verlauf.

Um diese Rechtskrümmung der ersten drei Varianten möglichst gut darstellen zu können wurden die Varianten V4 und V5 in einem separaten Diagramm dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgrund der Neigung in der x-z-Ebene um 20° nach hinten (V4) bzw. nach vorne (V5), ändert sich der Nachlauf bei 0mm Radhub im Vergleich zu V1 exakt um die gewählte Gradzahl.

Da die Skalierung dieses Diagramms stark erhöht werden musste, ist die Rechtskrümmung nun weniger deutlich zu erkennen.

Inwiefern der Nachlauf an der Hinterachse eine Rolle spielt ist fraglich. Allerdings macht ein so großer negativer Nachlauf wie bei Variante V5 bestimmt wenig Sinn.

Vorgriff:

Bei der Nachlaufänderung für die wechselseitige Einfederung (siehe 3.3.2.2) gibt es einerseits keine auffälligen Veränderungen der Diagramme zu den oben beschriebenen, andererseits ist eine Aussagekraft aufgrund der oben aufgeführten Begründungen fraglich. Daher verzichten wir dort auf eine Beschreibung und Analyse.

[...]