Entwicklung einer Methode zur Analyse von Torsionsschwingungs- und Strukturdynamikphänomenen in Antriebssträngen

Abstract

Die zunehmend parallelisierten und ständig kürzer werdenden Entwicklungszyklen in der Automobilindustrie machen es in Zukunft zwingend notwendig, dass schon in einer frühen Phase der Entwicklung ein fahrzeugnahes Verhalten auf Komponenten- und Aggregateprüfständen darstellbar ist. Zusätzlich müssen Beziehungen und Einflüsse durch unterschiedliche Steuergerät-Applikationsstände früh identifiziert und quantifiziert werden. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit die Entwicklung einer Methode beschrieben, mit der ein fahrzeugähnlicher Betrieb hinsichtlich des Strukturdynamik-und Torsionsschwingungsverhaltens einer Verbrennungskraftmaschine inklusive des Zweimassenschwungrades am Prüfstand möglich ist. Ergänzend werden Wechselwirkungen zwischen Struktur-sowie Torsionsschwingungen und Steuergerätgrößen betrachtet.Auf Basis von Ableitungen aus Gesamtfahrzeuguntersuchungen unter Real- und Rollenprüfstandbedingungen wird eine Methode erarbeitet, die mit einer Reduktion der mechanischen Komponenten des Fahrzeugantriebsstranges einhergeht und dennoch einen fahrzeugnahen Betrieb hinsichtlich des Strukturdynamik- und Torsionsschwingungsverhaltens am Prüfstand des Gesamtaufbaus ermöglicht. Um einen fahrzeugnahen Prüfstandbetrieb hinsichtlich des Torsionsschwingungsverhaltens überwachen zu können, wird ein modulares Torsionsschwingungsmodell aufgebaut und in den Prüfstandbetrieb integriert. Dazu sind keine zusätzlichen Drehzahlmessstellen entlang des Prüfstandantriebsstranges zur Bestimmung des Torsionsschwingungsverhaltens notwendig. Zusätzlich wird ein Drehzahlkorrekturalgorithmus entwickelt, mit dem eine automatische Korrektur von beliebigen Drehzahlsignalen für die Torsionsschwingungsanalyse möglich ist. Dieser Algorithmus kannz.B. das Kurbelwellendrehzahlsignal, welches mit einem Pulslückenfehler behaftet ist, korrigieren.Anschließend kann das korrigierte Signal für einen automatischen Abgleich zwischen Torsionsschwingungsmessung und -simulation genutzt werden.Die durchgeführten Gesamtfahrzeug- und Prüfstanduntersuchungen zeigen das strukturdynamische und torsionale Optimierungspotential von Prüfstandaufbauten für Verbrennungskraftmaschinen gegenüber dem Stand der Technik auf. Zusätzlich kann mit dem in dieser Arbeit entwickelten Prüfstandantriebsstrang belegt werden, dass das Torsionsschwingungsverhalten in dem untersuchten Aufbau mit der Motorsteuerung in Wechselwirkung steht. Eine gezielte torsionale Verstimmung des Prüfstandantriebsstranges kann, mit ansonsten identischen Testbedingungen, zu einer Beeinflussung des berechneten Drehmomentes des Steuergerätes führen.Die vorliegende Dissertation soll zu einem verbesserten Verständnis zukünftiger Prüfstandaufbauten für Antriebsmaschinen hinsichtlich des Strukturdynamik- und Torsionsschwingungsverhaltens beitragen. Zukünftige Forschungsarbeiten in diesem Teilbereich der Maschinendynamik könnten die entwickelte Methode auf andere Prüfstandaufbauten anwenden und für elektrifizierte Antriebsstränge erweitern.

The increasingly parallelized and constantly decreasing development cycles in the automotive industry make the performance of in-vehicle-like tests on component and drivetrain testbenches at an early stage of development imperative. In addition, relationships and influences of various control strategies must be identified and quantified. For this reason, the present work describes the development of a method that enables an engine testbench to imitate in-vehicle-like conditions with regard tothe structural dynamics and torsional vibrations of an internal combustion engine including the drivetrain. Furthermore, interactions between structural as well as torsional vibrations and theelectronic control unit variables are investigated.Based on derivations from in-vehicle tests under real and chassis dynamometer conditions, a methodis being developed that allows for a reduction of the mechanical components of the testbench drivetrain in comparison to the vehicle drivetrain. This approach still enables a testbench operation close to the in-vehicle conditions in terms of structural dynamics and torsional vibrations. To monitorthe torsional vibrations of the testbench drivetrain during operation with any measured speedsignal (e.g., crankshaft speed signal), this work presents a modular torsional vibration model and integrates it into the testbench operation. Moreover, a rotational speed signal correction algorithmis being developed with which automatic corrections of any rotational speed signal for torsional vibration measurements are possible. This algorithm can use erroneous rotational speed signals to automatically validate the torsional vibration simulation at any point.The conducted in-vehicle and testbench investigations show the optimization potential of structural dynamics and torsional vibrations of state-of-the-art testbench setups for internal combustion engines.In addition, an interaction between torsional vibrations and the electronic engine control can be proven with the developed testbench drivetrain. A targeted torsional detuning of the testbench drivetrain can lead to an influence on the calculated torque of the electronic control unit under otherwise identical test conditions.This thesis is intended to contribute to an improved understanding of future testbench setups for drive units with respect to structural dynamics and torsional vibration behavior. Future research inthis subfield of machine dynamics could apply the developed method to other testbench setups andextend it for electrified powertrains.