Untersuchung der Wankdynamik und Applikation der Wankparameter eines realen Fahrzeuges

Universität Duisburg-Essen

Untersuchung der Wankdynamik und Applikation der Wankparameter eines realen Fahrzeuges

Kil-Nam Lee

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

2 Grundlagen ... 4

2.1 Einführung in die Fahrzeugmechanik ... 4
2.1.1 Allgemeine Bewegung des Kraftfahrzeuges ... 4
2.1.2 Aufteilung der Fahrzeugdynamik ... 6
2.2 Koordinatensysteme und Transformation ... 7
2.2.1 Koordinatensysteme ... 7
2.2.2 Transformation ... 8

3 Modellbildung der Fahrzeug-Querdynamik ... 11

3.1 Das lineare Einspurmodell ... 11
3.1.1 Querdynamik des Einspurmodells ... 12
3.1.2 Bewegungsgleichung des Einspurmodells ... 19
3.2 Das lineare Einspurmodell mit Wanken ... 20
3.2.1 Wank-induzierte Kenngröße ... 21
3.2.2 Aufstellen der Bewegungsgleichungen ... 22
3.2.3 Bewegungsgleichungen in Zustandsform ... 33

4 Parameteridentifikation ... 34

4.1 Fahrversuche zur Parameterermittlung ... 34
4.2 Modellbildung zur Parameterermittlung ... 35
4.2.1 Differentialgleichung des Ersatzsystems ... 36
4.2.2 Differenzengleichung des Ersatzsystems ... 37
4.3 Parameter-Identifizierbarkeit ... 39
4.4 Parameterschätzverfahren ... 40
4.4.1 Least-Square Verfahren für statische Prozesse ... 41
4.4.2 Least-Square Verfahren für dynamische Prozesse ... 45

5 Modell-Implementierung und Simulationsergebnisse ... 53

5.1 Implementierung des Schwingsystems ... 53
5.2 Prozessdaten aus Schwingversuchen ... 55
5.3 Simulationsergebnissemit NLS ... 56
5.4 Simulationsergebnisse mit WLS ... 59
5.5 Vergleich der Simulationsergebnisse ... 61

6 Zusammenfassung ... 65

A Anhang ... 68

A.1 Parameter von CarSim und Versuchsfahrzeug ... 68
A.2 Sensorsignale ... 69

Literaturverzeichnis ... 70

Kapitel 1 - Einleitung

Die zukunftorientierten modernen Fahrzeuge sind heute mit einer Vielzahl von Sicherheitssystemen ausgestattet, um einen Unfall zu vermeiden (aktive Sicherheitssysteme) bzw. um Insassen vor schweren Verletzungen durch einen Unfall zu schützen (passive Sicherheitssysteme). Eine erhöhte Fahrsicherheit wird durch ständig weiterentwickelte aktive und passive Fahrsicherheitssysteme ([Adl91], [Zom91], [Mit95], [Bau98]) erreicht. Ein Beispiel für die aktiven Sicherheitssystemen ist die Fahrdynamikregelung ESP¹ , die der Unfallvermeidung dient, indem sie kritische Fahrsituationen bei einer Kurvenfahrt stabilisiert. An der Stelle, an der ein Unfall trotz zunehmender aktiver Sicherheitssysteme im Fahrzeug nicht vermieden werden kann, greifen passive Sicherheitssysteme zum Schutz der Insassen vor schweren Verletzungen ein. Zu den passiven Sicherheitssystemen zählt beispielsweise der Airbag. Unfälle, bei denen das Fahrzeug plötzlich anfängt zu Schleudern und seitlich gegen ein Hindernis prallt, kommen im alltäglichen Verkehr häufig vor. Abbildung 1.1 zeigt den typischen Ablauf eines solchen Unfalls. Ein Fahrzeug fährt mit überhöhter Geschwindigkeit in eine enge Kurvenfolge ein, das Heck bricht aus, das Fahrzeug kommt ins Schleudern und dreht sich rechts um seine Hochachse. Dabei steigt die Abweichung zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Bewegungsrichtung sehr stark an. Diese Abweichung wird als Schwimmwinkel bezeichnet und ist ein direktes Maß zur Beurteilung der Fahrsituation (Je größer der Schwimmwinkel, desto kritischer die Fahrsituation).

Abbildung 1.1 (nur in der Download-Version verfügbar)

Abbildung 1.2 (nur in der Download-Version verfügbar)

In Abbildung 1.2 ist die Stabilisierung der in Abbildung 1.1 dargestellten, kritischen Fahrsituation durch das aktive Sicherheitssystem ESP dargestellt.
Die Fahrdynamikregelung (ESP) mindert in kritischen Situationen die Gefahr einer Kollision oder eines Überschlags, indem einzelne Räder gebremst (selektives Bremsen) werden, dies wird als aktives Bremsen bezeichnet, da es ohne Einwirkung des Fahrers geschieht[Bau98].
Die in Abbildung 1.1 dargestellte, kritische Fahrsituation während einer Kurvenfahrt kann mit Hilfe eines Fahrzeugquerdynamik-Modells erläutert werden. Bei der Diagnose dieser Fahrsituation wird üblicherweise das einfachste Ersatzmodell des Fahrzeuges (sog. das lineare Einspurmodell) für die Fahrzeugquerdynamik verwendet.
Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung eines am Institut AKS entwickelten Fehlerdiagnoseverfahrens für die Sensorik der Fahrzeugquerdynamik.
Zur Verbesserung des Diagnoseverfahrens soll das oben genannte technische Ersatzmodell der Fahrzeugquerdynamik um die Wankdynamik des Fahrzeuges (d.h. lineares Einspurmodell mit Wanken) erweitert werden, damit soll das erweiterte Modell in der Lage sein, die Kraftfahrzeug-Querdynamik bis an die Stabilitätsgrenze mit hoher Genauigkeit zu beschreiben und der Detaillierungsgrad erhöht werden.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen die für die Erweiterung des Modells notwendigen Parameter bestimmt werden. Dies soll auf der einen Seite anhand der geometrischen und physikalischen Zusammenhänge und auf der anderen Seite anhand von vorhandenen Messdaten durch Parameterschätzverfahren erfolgen. In der ersten Phase dieser Arbeit sollen die geometrischen und physikalischen Zusammenhänge zwischen den zu ermittelnden Parametern und anderen bekannten und evtl. unbekannten Fahrzeugkenngrößen erarbeitet werden. In der zweiten Phase sollen die Wank-Parameter mit Hilfe einer Auswahl der, im Vorfeld durch Messung am realen Fahrzeug erhaltenen, Messgrößen bestimmt werden.
Die Evaluation des Modells soll anhand der Software Matlab/Simulink mit zur Verfügung stehenden Daten, die durch Messungen am realen Fahrzeuge gewonnen wurden, erfolgen.

Kapitel 2 -Grundlagen

2.1 Einführung in die Fahrzeugmechanik

[...]

1 ESP ist die Abkürzung für Electronic Stability Program, die von Daimler Benz geschützte Bezeichung der Fahrdynamikregelung.