Validierung und Weiterentwicklung vereinfachter Simulationsmodelle für Achskennwerte in der Fahrdynamik

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der vereinfachten Modellbildung einer 5-Lenker-Hinterachse zur Bewertung der relevanten fahrdynamischen Achskennwerte in der frühen Auslegungsphase. Zu diesem Zeitpunkt sind erst wenige Details bekannt und es sind noch keine komplexen Mehrkörpersimulationsmodelle vorhanden. Im Speziellen wird die elastokinematische Radstellungsänderung unter Längsund Querkräften betrachtet. Ziel ist es, mithilfe der Elastokinematik unerwünschte Bewegungen des Rads zu kompensieren bzw. wenn möglich in ein gewünschtes Verhalten umzuwandeln. Die zur Bewertung der Achsauslegung hinsichtlich Fahrstabilität und Fahrkomfort relevanten Zielgrößen werden zuerst definiert und ihre Berechnung mithilfe der Nachgiebigkeitsmatrix des linearisierten Systems erläutert. Anschließend wird mithilfe von Referenzfahrzeugen eine Sensitivitätsanalyse bezüglich der Lenkerlagersteifigkeiten durchgeführt, um zu bestimmen, welche Terme für die Bildung der geforderten Zielgrößen relevant sind und welche für eine vereinfachte Modellbildung vernachlässigt werden können. Die Grundidee der vereinfachten Modellbildung beruht darauf, die Steifigkeitskette 5-Lenker-Hinterachse im Arbeitspunkt Konstruktionslage zu linearisieren und in die drei Teilsysteme Radlager, Hinterachsträger und Lenker inkl. Hauptfeder zu zerlegen und anschließend die drei Teilsystemlösungen zu den geforderten Zielgrößen zu superponieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hierbei im Speziellen mit der mathematischen Beschreibung des Teilsystems Lenker inkl. Hauptfeder. Die Validierung des vereinfachten Modells erfolgt mithilfe von Referenzdaten aus Mehrkörpersimulationen der Referenzfahrzeuge. Dazu wurden drei bestehende Serienfahrzeuge mit einer 5-Lenker-Hinterachse näher betrachtet. Die Abweichung der mithilfe der vereinfachten Modellbildung ermittelten fahrdynamischen Achskennwerte beträgt in den meisten Fällen weniger als 20%. Für den Anwendungsfall in der frühen Auslegungsphase sind dies ausreichend genaue Ergebnisse, da in dieser Phase lediglich Intervalle für die nachfolgende fahrdynamische Optimierung vorgegeben werden.

This thesis deals with the simplified modelling of a 5-link rear axle for the evaluation of the relevant vehicle dynamics axle parameters in the early design phase. At this stage only a few details are known and no complex multibody system models are available. Particularly the elastokinematic spatial displacements of the wheel are considered under longitudinal and lateral forces. The aim is to compensate undesirable movements of the wheel or rather convert it into a desired behaviour by using elastokinematics. The relevant target variables for the evaluation of the suspension design relating to handling stability and ride comfort are first defined and then their calculation is explained by using the compliance matrix of the linearized system. Then, by using three reference vehicles, a sensitivity analysis is carried out considering the rod stiffnesses to determine which terms are relevant for the calculation of the required target variables and which can be neglected for simplified modelling. The basic idea of the simplified model is based on the linearization of the stiffness chain 5-link rear axle in the working point design attitude and to separate the system into the three subsystems wheel bearing, rear axle carrier and rods incl. main spring and subsequent reassembling of the three subsystem solutions by means of superposition to derive required target variables. This thesis deals specifically with the mathematical description of the subsystem rods incl. main spring. The simplified model is validated by using reference data from multibody system model simulations of three reference vehicles. For this purpose three existing series production vehicles with a 5-link rear axle are investigated in more detail. The difference of the vehicle dynamic axle parameters determined with the help of the simplified modelling is in most cases less than 20%. For the application in the early design phase these are sufficiently accurate results, since in this phase only intervals for the subsequent vehicle dynamic optimization will be specified.