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Simulation eines Bremsvorgangs ohne ABS mit einem PKW

Unter Verwendung von Simulink und MATLAB

Studienarbeit 2016 15 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Fahrzeugtechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Formelverzeichnis

Symbolverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Begründung der Themenstellung
1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

2. Grundlagen und Begriffsabgrenzung
2.1 Die Modellbildung
2.2 Die Simulation von Modellen
2.3 Das Antiblockiersystem

3. Testvorbereitung
3.1 Modellbeschreibung des Anwendungsbeispiels
3.2 Aufstellen der Bewegungsgleichungen
3.3 Generierung des Blockschaltbilds
3.4 Definition der Testdaten / Parameter

4. Simulation eines Bremsvorgangs ohne ABS
4.1 Durchführung der Simulationen
4.2 Bewertung der Ergebnisse aus den Simulationen

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Freigeschnittenes Rad und darauf wirkende Kräfte

Abbildung 2: Freigeschnittenes Fahrzeug und darauf wirkende Kräfte

Abbildung 3: Blockschaltbild des Bremsvorgangs ohne ABS

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Zusammenfassung der Daten aus den Simulationen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formelverzeichnis

Formel 1: Momenten Gleichgewicht

Formel 2: Schlupfberechnung Rad

Formel 3: Berechnung des Luftwiderstands

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Begründung der Themenstellung

Seit 1966 begann der Verbau von ABS System in Fahrzeugen. Die Entwicklung schritt in diesem Bereich schnell voran und ab dem Beginn des 21 Jahrhunderts war ein Verbau von ABS bei den europäischen Automobilherstellern selbstverpflichtend. Trotz dessen werden noch heute Kraftfahrzeuge bis zu 2,5 t ohne serienmäßigen ABS gefertigt und somit ist auch hier noch die Themenstellung von Interesse.[1]

Jedoch möchte sich jetzt keiner dieser Fahrzeugnutzer in der Realität zur Verfügung stellen und hier Tests im Bereich des Bremsvorgangs unter verschiedenen Bedingungen durchführen. Dieses zum Eigenschutz und zum Schutz anderer. Um trotz der Prämisse Ergebnisse zu erhalten, gibt es Simulationen, welche eine Situation mit verschiedenen Variablen darstellen lässt. Es bildet somit die Realität nach, wobei zu beachten ist, dass aufgrund von möglichen unberücksichtigten Nebeneinflüssen, kein 100% verlässliches Ergebnis geliefert werden kann. Im alltäglichen Leben gibt es viele dieser Situationen, alleine schon wenn man sich eine Handlung vor der Ausführung gedanklich durchspielt, ist es eine Form der Simulation.[2] Ebenso kommen Simulationen in vielen Bereichen wie Softwaretest und Technik zum Einsatz um auch Entwicklungsprozesse zu begleiten.

Aus diesen Gründen wird die hier gestellte Thematik aufgegriffen und im nachfolgenden aufgezeigt und simuliert.

1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen einer Vollbremsung auf Fahrzeuge, mit unterschiedlichen Massen und Ausgangsgeschwindigkeiten, ohne ABS zu untersuchen.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird dieses Assignment mit einem Grundlagenteil beginnen, um einen einheitlichen Stand zu Begrifflichkeiten und Definitionen sicherzustellen. Darauf aufbauend erfolgt die Modellbildung für das Anwendungsbeispiel des Bremsvorganges ohne ABS und der Überführung in ein mathematisches Modell. Weiterführend wird das mathematische Modell für die Simulation verwendet, welche mittels der Software MATLAB Simulink®[3] durchgeführt wird. Für die Testdurchführung erfolgt für fünf verschiedene Fälle, für welche die Variablen später in diesem Abschnitt frei gewählt werden. Abschließend erfolgt die Bewertung der Ergebnisse.

2. Grundlagen und Begriffsabgrenzung

2.1 Die Modellbildung

Ein Modell soll die Realität imitieren, da eine exakte Abbildung zu komplex ist für ein Modell ist, aber auch weil häufig eine genaue Nachbildung für den Verwendungszweck nicht benötigt wird. Die Abstrahierung von der Realität erfolgt unter anderem dadurch, dass nicht zentrale Details vernachlässigt, Objektdetails nach möglich weggelassen und wenn möglich einzelne Segmente zu einem Ganzen zusammengefasst werden.[4] Kurz zusammengefasst kann man sagen, dass ein Modell optimal ist, wenn es so einfach wie möglich gestaltet wird, jedoch so komplex ist damit es den Anforderungen des Nutzungszwecks entspricht.

Zu Beginn der Modellbildung muss eine Problemstellung definiert und der Modellzweck eruiert werden. Auf dieser Basis erfolgt die Erstellung des Modells. Um später mittels des Modells eine Simulation durchführen zu können, sind je nach Aufgabenstellung und gewünschten Detaillierungsgrad die entsprechenden Parameter und Variablen festzulegen. Allerdings müssen Modelle auch noch handhabbar bleiben. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Simulationsmodelle sehr komplex sind und trotz dessen eine annehmbar kurze Rechenzeit für die Simulation gegeben sein soll.[5] Bei der Modellbildung wird das Problem beschrieben und schlussendlich in ein mathematisches Modell überführt.

2.2 Die Simulation von Modellen

Simulation im Allgemeinen ist in der VDI Richtlinie 3633, Blatt 1 definiert. Es handelt sich lt. dieser Richtlinie um einen Vorgang zur Nachbildung eines Modells mit einem dynamischen Prozess bzw. Prozessen. Das Ziel ist es, Ergebnisse zu erhalten und ggf. Maßnahmen zu ergreifen, um z. B. das funktionierende und den Erwartungen entsprechendes Modell in der Realität umzusetzen.[6] Das Kapitel 2.1 schafft mittels der Definition die Grundlage. Die Simulation von Modellen umfasst die Ausführung und Berechnung von Modellen. Mittels diesem Vorgehen kann die Ausführung von Szenarien ohne Einfluss auf die Realität erfolgen.[7] Es gibt verschiedene Arten von Simulationen (z.B. Monte-Carlo-Simulation, diskrete Simulation, usw.), auf welche hier nicht eingegangen wird. Diese Arbeit basiert auf der Simulation mittels MATLAB Simulink®.

2.3 Das Antiblockiersystem

Auch wenn hier die Bearbeitung ohne das System „ABS“ abläuft, sollte trotzdem hier eine kurze Darstellung erfolgen. So ist leichter ein Verständnis für die Bearbeitung der Themenstellung, insbesondere welche Auswirkung das fehlende ABS hat, besser gegeben. Das ABS ist ein System welches der Fahrsicherheit beiträgt, mit dem zusätzlichen Effekt der Kosteneinsparung (Verringerung des Verschleißes der Räder). Das Ziel des Antiblockiersystems ist, dass die Fahrzeugräder bei einer Vollbremsung nicht blockieren und somit das Fahrzeug für den Bediener weiterhin kontrollierbar bleibt und der Bremsvorgang stabilisiert wird. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Verringerung des Bremsweges bei nasser Fahrbahn. Grob umschrieben ist die Funktion durch das wiederholte Absenken und Abheben des Bremsdrucks, welches bei einer genauen Betrachtung aber komplexer ist. Statistisch gesehen greift das ABS lediglich bei ca. zwei Prozent der Bremsvorgänge im regulären Straßenverkehr ein, ist aber für die Verminderung der Unfälle im Straßenverkehr ein wichtiger Faktor.[8] Der Einsatz findet neben Kraftfahrzeugen auch einen Einsatz in z. B. der Eisenbahn und dem Flugzeugfahrwerk.

3. Testvorbereitung

3.1 Modellbeschreibung des Anwendungsbeispiels

Der Zweck des zu erstellenden Modells ist es, den Bremsvorgang eines PKW ohne ABS bei einer Vollbremsung abzubilden. Dabei wird untersucht, welchen Einfluss unterschiedliche Parameterwerte, betreffend der Fahrzeugmasse und Ausgangsgeschwindigkeit, auf die Rad- und Fahrzeuggeschwindigkeiten haben. Mittels der Modellbildung sollen alle relevanten Daten beschrieben werden, um die Anforderungen in mathematische Gleichungen überführen zu können. Um den Detaillierungsgrad des Modells so gering wie möglich zu halten entfallen hier unnötige Parameter wie Gefälle oder Witterungsverhältnisse.

3.2 Aufstellen der Bewegungsgleichungen

Vor der Erstellung der Bewegungsgleichung, erfolgt die Betrachtung der beiden relevanten Komponenten Räder und Fahrzeug. Zur Vereinfachung wird bei den Rädern nur ein einzelnes Rad betrachtet, mit welchem hier begonnen wird.

Abbildung 1: Freigeschnittenes Rad und darauf wirkende Kräfte[9]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Auf das Rad wirken verschiedene Kräfte, wie:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Bewegungsgleichung des Rades wird mittels der Formel für das Momenten Gleichgewicht bestimmt.

Formel 1: Momenten Gleichgewicht[10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um in der Simulation den Radschlupf bei einer Vollbremsung zu berechnen, kommt folgende Formel zum Einsatz:

Formel 2: Schlupfberechnung Rad[11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Schlupf errechnet sich aus der Differenz der Fahr- und Umfangsgeschwindigkeit, bezogen auf die Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Schlupf variiert je nach Zustand der Freigängigkeit, d.h. wenn das Rad frei rollt ist beträgt der Schlupf 0%, ist das Rad jedoch blockiert, beträgt der Schlupf 100%.[12]

Analog der Betrachtung eines freigeschnittenen Rades, erfolgt jetzt die Betrachtung eines Fahrzeugs.

Abbildung 2: Freigeschnittenes Fahrzeug und darauf wirkende Kräfte[13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 3: Berechnung des Luftwiderstands[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.3 Generierung des Blockschaltbilds

Das nachfolgende Blockschaltbild wird auf Basis der bisherigen Erarbeitung (mathematischen Gleichungen) mittels MATLAB Simulink® erstellt.

Abbildung 3: Blockschaltbild des Bremsvorgangs ohne ABS[15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.4 Definition der Testdaten / Parameter

Nachfolgend werden die Daten für die spätere Simulation festgelegt. Es unterscheiden sich Basiswerte, welche sich während den verschiedenen Simulationen nicht ändern, und variable Werte (Anfangsgeschwindigkeit: ; Fahrzeugmasse: m), welche je Simulation festgelegt werden. Die Fahrzeugmasse wurde nach meinem Fahrzeug, einem BMW 3er Serie Touring gerichtet, welche bei knapp 1.500 kg liegt um eine realistische Basis zu bilden. Als Geschwindigkeit wurde sich an der Richtgeschwindigkeit auf Autobahnen von 130 km/h als Ausgangspunkt angenommen.

- Basisparameter[16]

Die nachfolgenden Werte bleiben während der Simulation unverändert und stellen somit fixe Werte dar.

- Angeströmte Fläche [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- Luftwiderstandsbeiwert [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

[...]


[1] Vgl. Reif, K.; (2010); S. 145

[2] Vgl. Bossel, H.; (2004); S. 12 f.

[3] MATLAB® ist ein eingetragenes Warenzeichen von The MathWorks Inc. und ist ein Numerikprogramm

[4] Vgl. Braun, N.; et. al.; (2015); S. 61 f.

[5] Vgl. Bungartz, H.-J.; et. al.; (2013); S. 93 ff.

[6] Vgl. Volkhard, F.; (2011); S. 7

[7] Vgl. Braun, N.; et al.; (2015); S. 78 f.

[8] Vgl. Heißing, B.; et al.; (2013); S. 543

[9] Vgl. Scherf, H.; (2010); S. 25

[10] Vgl. Dankert, J.; et al.; (2013); S. 71

[11] Vgl. Dankert, J.; et al.; (2013); S. 71

[12] Vgl. Reichel, H.R.; (2003); S. 32

[13] Vgl. Scherf, H.; (2010); S. 26

[14] Vgl. Liebl, J.; et al.; (2014); S. 235

[15] Eigene Darstellung MATLAB Simulink®

[16] Vgl Scherf, H.; (2010); S. 24 ff.

Details

Seiten
15
Jahr
2016
ISBN (eBook)
9783668320635
ISBN (Buch)
9783668320642
Dateigröße
637 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v341774
Institution / Hochschule
AKAD University, ehem. AKAD Fachhochschule Stuttgart
Note
1,0
Schlagworte
Bremsvorgang ABS PKW Bremssimulation

Autor

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Titel: Simulation eines Bremsvorgangs ohne ABS mit einem PKW