Verhalten eines allradgetriebenen Fahrzeugs im Grenzbereich und der Einfluss des Fahrdynamikreglers

Abstract

In dieser Arbeit soll die Fahrdynamik zweier Fahrzeugmodelle verglichen werden. Dabei handelt es sich einerseits um ein allradgetriebenes Fahrzeug, das auch mit einem Fahrdynamikregler ausgestattet ist. Es werden also mechatronische Komponenten berücksichtigt, die großen Einfluss auf die Fahrdynamik haben. Das zweite betrachtete Fahrzeug, das mechanisch ident ist, besitzt jedoch keinen Allradantrieb und es werden auch keine elektronischen Sicherheitssysteme integriert. Anhand dieser Modelle sollen mehrere Fragestellungen beantwortet werden. Zum einen soll überprüft werden, ob die Traktion durch den Allradantrieb verbessert wird. Das Vermögen des Fahrdynamikreglers das Fahrzeug zu stabilisieren ist ein weiterer Punkt der Betrachtungen. Dabei soll das Fahrzeug möglicht gut der Sollspur folgen. Weiters soll der Fahrerwunsch umgesetzt werden. Schlussendlich wird überprüft, ob die Eingriffe des Fahrdynamikreglers plausibel sind. Die Modellierung der Fahrzeugmechanik erfolgt mit Hilfe von ADAMS. Die mechatronischen Komponenten wurden von den jeweiligen Zulieferern als MATLAB/Simulink-Modell als Blackbox zur Verfügung gestellt. Der virtuelle Prototyp wird durch Co-Simulation der beiden Softwarepakete geschaffen. Als fahrdynamisch relevante mechatronische Komponenten werden die elektrische Lenkunterstützung, die elektromagnetisch betätigte Allradkupplung und der Fahrdynamikregler identifiziert.<br />Letzterer arbeitet als Systemverbund der Unterfunktionen Antiblockiersystem, Antriebsschlupfregelung, Motorschleppmomentenregelung, elektronische Bremskraftverteilung, Cornering Brake Control und Querdynamikregler. Die Analyse der Fahrdynamik erfolgt anhand von vier ausgewählten Manövern, die möglichst viele Funktionalitäten der Mechatronik erfordern. Beim Beschleunigen auf mu-split wird mit Volllast aus dem Stand angefahren. Dieses Manöver richtet den Blick auf Allradantrieb und ASR. Der Untergrund ist dabei links und rechts unterschiedlich beschaffen. Auf der linken Seite ist die Straße griffig, rechts hingegen vereist. Bremsen auf mu-split findet ebenfalls auf dieser Fahrbahn statt. Es wird versucht das Fahrzeug aus 80km/h zum Stillstand zu bringen und ist vor allem als Test für das ABS gedacht. Beim Bremsen in der Kurve bei hoher Querbeschleunigung soll die Wirksamkeit des Querdynamikreglers während einer ABS-Bremsung veranschaulichen. Die Links-Rechts-Kurvenkombination ist ein klassisches Einsatzgebiet des Querdynamikreglers, der das Fahrzeug beim Aufbau von Giermomenten in die entsprechenden Richtungen unterstützt. In der Simulation reagiert das ungeregelte Fahrzeug nicht mehr auf den zweiten Einschlag des Lenkrads. In dieser Diplomarbeit wird gezeigt, dass der Allradantrieb gemeinsam mit der Antriebsschlupfregelung die Traktion wesentlich verbessert. In allen Manövern wird durch den Fahrdynamikregler eine drohende oder tatsächlich auftretende unkontrollierte Fahrt verhindert. Dadurch kann der Fahrer, im Bereich des physikalisch Möglichen, in das Geschehen eingreifen. Die Sollspur kann ebenfalls besser gehalten werden, als mit dem rein mechanischen Fahrzeug. Insgesamt erscheinen die Aktionen des Fahrdynamikreglers und der Allradkupplung plausibel.<br />

This thesis compares the dynamics of two vehicle models. The first one includes all wheel drive and is additionally featured with electronic stability control. Thus the model includes mechatronic components which are important for the dynamics of the vehicle. The second model is, concerning mechanics, identical to the first one but all wheel drive and electronic saefty systems are not integrated. The focus in the analysis is put on several different issues. First, it shall be checked if traction is improved because of using all wheel drive. The capability of the electronic stability control to improve vehicle dynamics is another issue where the focus is set onto.<br />The vehicle should follow the desired path and the drivers requests should be realized. Eventually, it will be checked if the interventions of the stability controller are plausible.<br />The mechanic part of the vehicle is modelled by using ADAMS. The supplier companies of the mechatronic components provide a MATLAB/Simulink-model as black box. The virtual prototype is obtained by Co-Simulation, the simultaneous execution of both applications. The electric power steering, the electromagnetic actuated all wheel drive clutch and the electonic stability controller were identified as relevant mechatronic components for vehicle dynamics. The controller for vehicle dynamics is a combination of different subfunctions like anti-lock braking system, anti slipping control, engine drag torque control, electronic brake proportioning, cornering brake control and the stability controller.<br />The focus is set on four chosen maneuvers for the analysis of vehicle dynamics. They require a broad variety of functionalities from the mechatronic systems. The acceleration on mu-split is a wide open throttle maneuver beginning with standstill. The desired mechatronic activities should come from the all wheel drive clutch and the anti slipping control. The road is in a different condition on the left than on the right side. The left part of the surface is dry asphalt whereas the right side is icy. Braking on mu-split takes place on the same road.<br />The vehicle is decelerated from 80kph to standstill. This test is thought to prove the effectiveness of ABS. The maneuver braking in a turn with high lateral acceleration demonstrates the properties of the electronic stability control during ABS-braking. The combination of left and right turns is a typical field of application of the electronic stability control. It supports the vehicle in building up the yaw momentums. The vehicle without controllers does not react to the second applied steering angle and goes off the road.<br />This diploma thesis demonstrates, that all wheel drive in combination with anti slipping control improves traction significantly. Impending and actual instabilities are avoided by the controllers in all maneuvers. Hence, the driver is able to take corrective actions as long it is physically possible. In general are the deviations of the desired track smaller than in the uncontrolled case. All in all, the actions of the mechatronic components appear plausible.