Title: Eine effiziente Achskonzeptentwicklung durch Verwendung von Optimierungsmethoden
Language: Deutsch
Authors: Mutter, Fabian 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Optimierung; Mehrkörperdynamik; Radaufhängung
Optimization; Multi-body dynamics; wheel suspensions
Advisor: Plöchl, Manfred
Assisting Advisor: Edelmann, Johannes
Grafinger, Manfred 
Issue Date: 2018
Number of Pages: 110
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
The kinematic layout of a suspension system determines the positioning of the wheel during wheel travel or steering, and has thus major impact on the vehicle handling behaviour. The same applies to elastokinematics, which describe the movement of the wheel as a result of external forces. The wheel performs a spatial movement, and usually there is more than one kinematic target. Therefore, the design of the wheel suspension requires a lot of experience or many manual iterative loops in order to approach the desired targets. If the elastokinematic objectives are considered as well, an inexperienced chassis developer quickly reaches the limits. Therefore it is obvious to apply an optimization algorithm for the determination of the hardpoints. This may yield an advantage in time as well as an increase of the quality of the results. After the state of the art has been worked out, a literature review on previous optimization methods in chassis and axle development is carried out. The author's conclusions regarding respective methods are presented and the present work is classified. First, some basic considerations regarding suspension optimization are discussed. In particular, different kinematic and elastokinematic objectives are discussed. Various possibilities for determining an appropriate target function for the optimization are presented. The use of approximation models within the optimization process as well as the possibilities for numerical gradient determination are briefly discussed. Several optimization examples are studied to determine suitable optimization algorithms for suspension kinematics optimization. In addition to kinematics and elastokinematics objectives, further optimization targets are discussed in this thesis. In the first part of this thesis it is shown, how the use of Carry-Over Parts, which have an invariable geometry, can be considered in the suspension optimization process. Two different approaches are presented. Both, the advantages and disadvantages, as well as the limitations of the two methods, are presented. In the second part, the goal is to optimize the robustness of the suspension system regarding component tolerances. The scattering ranges of the kinematic and elastokinematic parameters resulting from tolerances are first determined and then reduced. It is briefly shown how a component tolerance can be implemented in the computational model. The focus lies on an efficient approach to increase the robustness. So an easy way to determine the scattering areas is presented. The feasibility of robustness optimization is demonstrated at two examples. The third and last part deals with the maximum forces occurring in the links of the suspension system. First, a proper was to quantify the force level is determined. Then, the maximum forces are minimized within an optimization process. As a result, the weight of the individual axle components can be reduced. Furthermore, an acoustic insulation potential is given because elastic bushings can be designed softer in order to achieve respective compliance targets of the suspension system. Three different approaches of optimization are described and carried out. These approaches are compared to each other in particular regarding the force level and the kinematic and elastokinematic specifications. The feasibility of optimizing the robustness is demonstrated by two examples.

Die Achskinematik bestimmt die Radstellung des Reifens beim Federn bzw. Lenken und ist damit maßgeblich für die fahrdynamischen Eigenschaften eines Fahrzeugs verantwortlich. Gleiches gilt für die Elastokinematik, welche die Bewegung des Rades infolge einer äußeren Krafteinwirkung beschreibt. Da das Rad eine räumliche Bewegung vollführt und im Allgemeinen mehr als ein kinematischer Zielwert vorgegeben wird, erfordert die Auslegung der Kinematik Erfahrungswissen oder viele händische Iterationsschleifen, um sich der gewünschten Ziel-Kinematik anzunähern. Werden zusätzlich noch die Elastokinematikziele beachtet, kommt vor allem ein unerfahrener Achsentwickler schnell an seine Grenzen. Es liegt daher nahe, für die Ermittlung der Kinematikpunkte einen Optimierungsalgorithmus zu verwenden, was sowohl einen zeitlichen Vorteil bringt, als auch die Ergebnisgüte verbessern kann. Nachdem der Stand der Technik erarbeitet wurde, wird eine Literaturrecherche zu bisherigen Optimierungsmethoden in der Fahrwerk- bzw. Achsentwicklung durchgeführt. Die Schlussfolgerungen der jeweiligen Methoden, die die Autoren ziehen, werden aufgezeigt und die vorliegende Arbeit wird eingeordnet. Es werden zunächst Vorüberlegungen zur Achsoptimierung angestellt. Hierbei wird insbesondere auf die einzelnen kinematischen und elastokinematischen Ziele eingegangen. Es werden verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung einer geeigneten Zielfunktion für die Optimierungsaufgabe aufgezeigt. Die Verwendung von Approximationsmodellen im Optimierungsprozess wird ebenfalls kurz angerissen, ebenso die Möglichkeiten zur numerischen Gradientenermittlung. Anhand mehrerer Beispiele wird versucht, geeignete Optimierungsalgorithmen für eine Achsoptimierung zu bestimmen. Neben der Erfüllung der Kinematik- und Elastokinematikziele werden in dieser Arbeit weitere Optimierungsziele diskutiert. Im ersten Teil wird aufgezeigt, wie die Verwendung von Übernahmebauteilen, die eine unveränderbare Geometrie besitzen, bereits im Kinematik-Optimierungsprozess berücksichtigt werden kann. Es werden zwei verschiedene Herangehensweisen vorgestellt. Es werden die Vor- und Nachteile sowie die Grenzen der zwei Methoden aufgezeigt. Im zweiten Teil wird die Robustheit der Funktionsweise hinsichtlich Bauteil- und Montagestreuungen einer Achse optimiert. Die Streubereiche der kinematischen und elastokinematischen Kenngrößen, die durch Toleranzen entstehen, werden zunächst ermittelt und anschließend verringert. Es wird kurz darauf eingegangen, wie eine Bauteiltoleranz im Berechnungsmodell abgebildet werden kann. Der Fokus liegt hier auf einer möglichst effizienten Vorgehensweise zur Robustheitssteigerung, weshalb eine vereinfachte Ermittlung der Streubereiche vorgestellt wird, die aber gute Ergebnisse zeigt. Die Machbarkeit der Robustheitsoptimierung wird an zwei Beispielen exemplarisch gezeigt. Der dritte und letzte Teil beschäftigt sich mit den in den Lagerstellen der Radaufhängung maximal auftretenden Kräften. Zunächst wird ein Maß zur Quantifizierung des maximalen Kraftniveaus ermittelt, welches in einem Optimierungsprozess minimiert wird. Dadurch kann das Gewicht der Achsbauteile reduziert werden. Des Weiteren ergibt sich ein akustisches Isolationspotential, weil Lagerelemente weicher ausgelegt werden können, um die gleichen Achssteifigkeitsziele zu erreichen. Es werden drei verschiedene Vorgehensweisen der Optimierung beschrieben und durchgeführt. Diese werden anhand der Reduzierung des Kraftniveaus und der Einhaltung der kinematischen und elastokinematischen Vorgaben miteinander verglichen.
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2018.36844
http://hdl.handle.net/20.500.12708/14990
DOI: 10.34726/hss.2018.36844
Library ID: AC14563371
Organisation: E325 - Institut für Mechanik und Mechatronik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Files in this item:

Show full item record

Page view(s)

29
checked on Feb 18, 2021

Download(s)

11
checked on Feb 18, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.