Modellbildung und Simulation der Dynamik und Elastokinematik von Radaufhängungen für Echtzeitanwendungen

Kracht, Frédéric Etienne GND

Innerhalb dieser Arbeit wird ein Formalismus zur Erstellung von objektorientierten Modellen mechanischer Mehrkörpersysteme entwickelt, welche sich für die echtzeitfähige Simulation der Dynamik, einschließlich der Berechnung der Reaktionskräfte, von komplexen Kraftfahrzeugradaufhängungen eignen.
Durch die Einbindung der Radaufhängungsmodelle in ein modulares Zweispurmodell ergibt sich ein Gesamtfahrzeugmodell, welches die Dynamik des Fahrzeugs genau beschreibt und eine Lösung in Echtzeit garantiert. Das Radaufhängungsmodell weist eine hohe Genauigkeit auf, da auch die Elastokinematik des Systems berücksichtigt wird.
Diese schließt die Elastizität der Gummilagerungen und der Lenker ein. Auch die mechanischen Spannungen in den Bauteilen werden berechnet. Die harte Echtzeitfähigkeit wird durch die Verwendung der Methode der Kraftkopplung erreicht. Innerhalb der Methode werden kinematische Kopplungen (ideale Gelenke) durch elastische Gelenke ersetzt, welche als Bushings bezeichnet werden.
Weiterhin werden anwendungsangepasste Tiefpassfilter und die BAUMGARTE-Stabilisierung eingesetzt, um die stabile Schrittweite des numerischen Integrators und die Genauigkeit zusätzlich zu erhöhen. Durch diese Techniken wird der Einsatz von iterativen Lösungsverfahren für algebraische Schleifen vermieden und einfache explizite numerische Integrationsverfahren mit fester Schrittweite können verwendet werden. Um kurze Berechnungszeiten und numerische Stabilität bei hoher Genauigkeit zu gewährleisten, werden die Simulationsparameter der Bushings, der Filter und der Stabilisierungsmethode anhand verschiedener Optimierungsverfahren unter Berücksichtigung des Anwendungsbereichs ermittelt.
Zur Erprobung des entwickelten Formalismus werden komplexe Anwendungsbeispiele herangezogen. Die Simulationsergebnisse werden erfolgreich mit validierten Referenzmodellen und Messdaten der Doppelquerlenkerradaufhängung des Formula Student Rennwagens A40-02 der Universität Duisburg-Essen und der hinteren Mehrlenkerachse des PORSCHE 911 (Modell 991) verglichen. Es wird erfolgreich nachgewiesen, dass eine Simulation bis zu 30 Hz Erregerfrequenz mit einer Schrittweite von 1 ms numerisch stabil erreicht werden kann und auch harte Echtzeit vorliegt.
Die Simulationsergebnisse zeigen je nach Modell eine sehr gute Genauigkeit bis 30 Hz mit einer relativen Abweichung der Kraft unter 6% und der Beschleunigung unter 4%. Um die harte Echtzeitfähigkeit zu unterstreichen, werden die Modelle der Radaufhängungen in ein modulares Zweispurmodell integriert und erfolgreich unter einem Echtzeitbetriebssystem simuliert.

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Kracht, Frédéric Etienne: Modellbildung und Simulation der Dynamik und Elastokinematik von Radaufhängungen für Echtzeitanwendungen. 2020.

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