Modellierung des dynamischen und nichtlinearen Verhaltens des Stützlager-Dämpfer-Fußlager-Verbundes und dessen HiL-Tests im Kleinsignalbereich

Abstract

In der modernen Fahrzeugentwicklung wird dem Fahrkomfort eine immer wichtigere Rolle zugesprochen, da er die Fahrzeuginsassen durch Geräuschentwicklung, spürbare Vibrationen und Schwingungen von Bauteilen direkt beeinflusst. Die Auswirkungen der Vibrationen und Schwingungen, welche im spürbaren jedoch nicht im hörbaren Bereich auf die Fahrzeuginsassen wirken, können in einem Frequenzbereich bis 20 Hz eingeordnet werden. Die Entstehung der Vibrationen und Schwingungen im Fahrzeuginnenraum ist u. a. auf Straßenunebenheiten zurückzuführen. Deren Amplituden bewegen sich oft im kleinstelligen mm-Bereich, dem sogenannten Kleinsignalbereich. Der Fokus dieser Dissertation liegt auf der Analyse, der Modellierung und der Simulation des Stützlager-Dämpfer-Fußlager-Verbundes (Dämpfer-Verbund) welcher eine wichtige Rolle in der Wirkkette des Fahrkomforts im Bereich bis 20 Hz spielt.Nach dem Stand der Technik wird eine Möglichkeit zur Entwicklung eines Prüffeldes für adäquate Charakterisierungs- und Hardware in the Loop Tests (HiL-Tests) von Dämpfer-Verbunden vorgestellt. Hierbei liegt der Fokus auf der virtuellen Vorentwicklung mittels eines eigens dafür erstellten digitalen Zwillings (Digital Twin) des Prüffeldes. Dies macht eine frühe Vorauslegung der Prüffeldregler möglich. Nach der Regleroptimierung am realen Prüffeld werden dann HiL-Tests zum Zwecke der Validierung von Dämpfer-Verbundmodellen und zur Bestimmung der Reglergüten durchgeführt.Für reproduzierbare Straßenunebenheiten mit einer definierten spektralen Leistungsdichte wird ein auf stochastischen Prozessen und linearen Filtern basierender Straßengenerator entwickelt, welcher Reifenfiltereffekte berücksichtigt. Eine anschließende Untersuchung mit einem Viertel-Fahrzeugmodell und einem einfachen Dämpfer- und Reibungsmodell soll eine Abschätzung der am Dämpfer auftretenden Amplituden im Kleinsignalbereich aufzeigen. Da der Dämpfer-Verbund einen großen Einfluss auf den Fahrkomfort besitzt, wird ein Dämpfer-Verbund einer Analyse bezüglich seines Schwingungsverhaltens unterzogen. Hierzu zählen neben der Analyse des quasistatischen Verhaltens auch die nichtlinearen dynamischen amplituden- und frequenzabhängigen Effekte, die sich vor allem in der vorhandenen Dämpferreibung und der Dämpfercharakteristik widerspiegeln.Da Versuche mit realen Fahrzeugen oft sehr kostenintensiv und schwer reproduzierbar sind, kommen vermehrt virtuelle Methoden wie das sogenannte Modell in the Loop (MiL) zum Einsatz. Für diese Zwecke wird ein Dämpfer-Verbundmodell entwickelt, welches basierend auf den vorangegangenen Ergebnissen für virtuelle Fahrkomfortuntersuchungen im MiL Anwendung finden kann. Dieses zu entwickelnde Modell muss möglichst adäquat alle quasistatischen und dynamischen Anforderungen erfüllen um virtuelle Fahrkomfortuntersuchungen in den gesteckten Grenzen, also im Kleinsignalbereich bis 20 Hz, zu reproduzieren. Dazu kommt ein heuristischer Ansatz für die Parametrisierung des Dämpfer-Verbundmodells zum Einsatz.

In modern vehicle development, ride comfort is becoming more and more important as it directly affects vehicle passengers through noise, noticeable vibrations and vibrations of components. The effects of these vibrations, which affect the vehicle occupants in the perceptible but not audible range, can be classified in a frequency range up to 20 Hz. The origin of the vibrations can manly be associated with road irregularities. A high percentage of this amplitudes are in the small mm range, the so called small signal range. In particular, the frequency range up to 20 Hz directly affects the ride comfort. The focus of this thesis is on the analysis, modeling and simulation of the top mount-damper-footbearing-assembly (damper assembly) because this assembly is significantly involved in ride comfort.After the state of the art, a way to develop a test bed for adequate characterization and hardware in the loop tests (HiL-tests) is presented. The focus lies on virtual pre-development by means of a so called „digital twin“ of the test bed. This gives the possibility of an early pre-design of the test bed controller. After controller optimization on the real test bed, HiL-tests are then carried out for the purpose of validating damper assembly models and determining controller qualities.For reproducible road irregularities with a defined power spectral density, a road generator based on stochastic processes and linear filters will be developed, which take tire filter effects into account. A subsequent investigation using a quarter-vehicle model and a simple damper and friction model will reveal an estimate of the small-signal amplitudes occurring at the damper. Since the damper assembly has a major influence on ride comfort, a damper assembly is subjected to an analysis with respect to its vibration behavior. In addition to the analysis of the quasi-static behavior, this also includes the nonlinear dynamic amplitude- and frequency-dependent effects, which are primarily reflected in the existing damper friction and damper characteristics.Since tests with real vehicles are often very cost-intensive and difficult to reproduce, virtual methods such as the so called model in the loop (MiL) are increasingly used. For these purposes, a damper assembly model is developed, which can be applied based on the previous results for virtual ride comfort tests in MiL. This model to be developed must match quasi-static and dynamic requirements as adequately as possible in order to reproduce virtual ride comfort investigations within the set limits, i.e. in the small signal range up to 20 Hz. Thus, a heuristic approach is used for the parameterization of the damper assembly model.