Modellbasierte Fahrdynamikanalyse durch ein an Fahrmanövern parameteridentifiziertes querdynamisches Simulationsmodell

Abstract

In der Fahrdynamikentwicklung beschäftigen sich Fahrversuch und Simulation mit der detaillierten Analyse des querdynamischen Fahrzeugverhaltens. Hier soll die Kombination von Versuch und Simulation, für eine höhere Effektivität bei geringeren Kosten, durch Anwendung der Systemidentifikation gezeigt werden. Ziel dieser Arbeit ist mit möglichst geringen Aufwand ein einfaches jedoch ausreichendes querdynamisches Simulationsmodells anhand von Fahrmessungen zu parametrieren. Für diese Zielsetzung ist es zunächst notwendig, eine genaue Untersuchung der verwendeten Messtechnik auf stochastische Messabweichungen oder systematische Fehler durchzuführen. Vor allem die Berücksichtigung von Laufzeiten und Einbauposition der Messtechnik, zeigte bei dynamischen Manövern eine erhebliche Verbesserung für die Identifikation. Bei der Wahl der Modellbildung des Simulationsmodells zeigte sich ein einfaches Einspurmodell mit Erweiterungen als bester Kompromiss zwischen Nutzen und Aufwand. Durch die Verwendung eines nichtlinearen Bereichs der Seitenkraftkennlinien wird auch die Simulation von höheren Querbeschleunigungen ermöglicht. Zusätzlich ist für die Simulation von dynamischen Fahrmanövern die Modellierung und Bestimmung des dynamischen Reifeneinlaufverhaltens, sowie eines mit dem Einspurmodell gekoppelten Wankmodells notwendig. Ebenfalls zeigt die Verwendung der tatsächlichen kinematischen Lenkübersetzung eine weitere Verbesserung des Simulationsmodells. Falls notwendig kann durch Berücksichtigung der Längskräfte und der Aerodynamik das Simulationsmodell auch für hohe Geschwindigkeiten oder Seitenwinduntersuchungen genutzt werden. In der Identifikation sind die nichtlinearen Seitenkraftkennlinien mit Hilfe des Fahrmanövers "stationären Kreisfahrt" und die Wankmodellparameter, die Reifeneinlauflängen, das Trägheitsmoment und der Abstand des Schwerpunktes zur Rollachse anhand des Fahrmanövers "Frequenzgang" ermittelt worden. Trotz der Modellvereinfachungen entsprechen die identifizierenden Parameter dabei nahezu den realen unbekannten physikalischen Parametern. Das identifizierte Simulationsmodell repräsentiert sodann einen fahrdynamischen Fingerabdruck des vermessenen Fahrzeugs inklusive allen gegebenen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Reifendruck, etc.). Für die Bestimmung der Güte des Simulationsmodells wurden das identifizierte Simulationsmodell auf andere Fahrgeschwindigkeiten, andere Querbeschleunigungen und andere Fahrmanöver überprüft, bei denen sich eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation zeigte. Insgesamt ist die modellbasierte Fahrdynamikanalyse eine gute Möglichkeit den Fahrversuch und die Simulation miteinander zu verbinden und ermöglicht eine bessere Analyse des Fahrzeugfahrverhaltens.

In the development of vehicle lateral dynamics, the driving tests and the numerical simulation deal with the detailed analysis of the vehicle's handling. Here, the combination of experiment and simulation, to achieve a higher performance and lower costs, should be demonstrated by using system identification. The aim of the work described in this paper is to parameterize a simple but effective lateral dynamic simulation model by handling maneuvers. For this objective, it is first necessary to accomplish an exact investigation of random or biased errors of the measurement instruments. Above all, the consideration of delay times and the position of the measurement instruments showed a substantial improvement for the identification by dynamic handling maneuvers. With the choice of the concept of the simulation model, a simple "bicycle model" with some additional specification turned out to be the best compromise between effort and benefit. Near the origin between the lateral force and slip angle, there is a linear relationship called the cornering stiffness. The simulation of higher lateral acceleration is made possible by the use of a nonlinear range between lateral force and slip angle. Additionally, the modeling and consideration of the tire relaxation length, as well as a roll model coupled with the bicycle model are necessary for the simulation of dynamic driving maneuvers. Likewise, the use of the actual kinematic steering ratio shows a further improvement of the simulation model. If necessary, the simulation model can be used also for high-speed or side-wind tests by taking into consideration the longitudinal forces and the aerodynamics. The following parameter values are determined by using an identification methodology. The linear and nonlinear relationship between lateral force and slip angle is determined by a steady-state cornering maneuver. The parameter of the roll model, the tire relaxation length, the inertia and the position of the roll axis are identified by using a frequency response maneuver (periodic sinusoidal input). Even if the model is simplified the identified parameters are close to the unknown real physical parameters. The identified simulation model represents then a dynamic fingerprint of the measured vehicle including all ambient conditions (temperature, tire pressure, etc.). In a validation with a different velocity, a different lateral acceleration or maneuvers different from the two used for identification, the identified model shows a good accuracy. Overall, the model-based driving dynamics analysis is a good tool to correlate driving test with simulation and makes a better analysis of the vehicle handling behavior possible.