Entwicklung einer Analysemethode zur Bestimmung der relevanten Einflussparameter des Reifens auf die Lenkungsauslegung
Das Lenksystem prägt maßgeblich die Fahrdynamik, den Komfort und die Fahrsicherheit eines Fahrzeugs. Als eine der teuersten Komponenten weist es zugleich einen entscheidenden Einfluss auf die Herstellungskosten und den wirtschaftlichen Erfolg eines Fahrzeugs auf. Es ist somit von besonders hoher Bedeutung, die Anforderungen an das Lenksystem frühzeitig durch Simulationen zu identifizieren. Der wichtigste Auslegungsparameter der Lenkung ist dabei die maximal an ihr wirkende Zahnstangenkraft, da diese die Wahl des Konzepts und die Dimensionierung der Lenkung maßgeblich bestimmt. Im aktuellen Fahrzeugentwicklungsprozess wird die maximale Zahnstangenkraft simulativ anhand des Manövers „Parkieren im Stand“ prognostiziert und mit Hilfe von Fahrzeugmessungen in der späteren Fahrzeugentwicklungsphase abgesichert. Um eine fehlerhafte Dimensionierung und somit hohe Kosten in der Lenkungsentwicklung zu vermeiden, ist eine möglichst genaue Vorhersage der an der Lenkung wirkenden Zahnstangenkraft entscheidend.
In dieser Arbeit werden Messmethoden sowie das sogenannte SupERRB-Tire Reifenmodell für eine genaue Prognose der maximalen Zahnstangenkraft entwickelt. Dabei erfolgt auch der Aufbau eines Wirkkettenverständnisses, durch welches potenzielle Zielkonflikte in der Lenkungsauslegung frühzeitig identifiziert und mögliche Lösungen ausgearbeitet werden können. Dies trägt maßgeblich zu einer Verlagerung der wichtigen Entwicklungsschritte in die frühe Projektphase bei, wodurch die Effizienz des Fahrzeugauslegungsprozesses gesteigert und das Risiko einer falschen Lenkungsdimensionierung reduziert wird.
Um ein Wirkkettenverständnis zur Entstehung der Zahnstangenkraft aufzubauen, werden zu Beginn der Arbeit Prüfstände und Messprozeduren zur Erfassung der lenkungsauslegungsrelevanten Fahrzeug- und Reifeneigenschaften entwickelt. Anhand dieser erfolgen Messungen auf den drei Ebenen Gesamtfahrzeug, Reifen und Bodendruckverteilung in der Reifenaufstandsfläche. Basierend auf den experimentellen Untersuchungen wird das Wirkkettenverständnis von Reifen-Fahrbahnkontakt bis hin zur Zahnstangenkraft vertieft. Im Fokus der Auswertung steht hierbei der bislang wissenschaftlich wenig beachtete Einfluss des Radsturzes auf die Bodendruckverteilung sowie die hiervon abhängigen Reifenkräfte und -momente.
Um die Prognose der maximalen Zahnstangenkraft zu verbessern, wird ein Modell zur Simulation der Bodendruckverteilung zwischen Reifen und Fahrbahn entwickelt. Dies ermöglicht den Reifen-Fahrbahn-Kontakt in Abhängigkeit von Reifendimension, Radlast, Fülldruck und insbesondere Sturz zu simulieren. Gemeinsam mit einem Karkassen- und Bürstenreibungsmodell von SHAO bildet dieses Bodendruckverteilungsmodell das echtzeitfähige SupERRB-Tire Reifenmodell. Dieses wird validiert und abschließend hinsichtlich seiner Eignung im Grundauslegungsprozess bewertet.
The steering system decisively shapes the driving dynamics, comfort and driving safety of a vehicle. As the most expensive vehicle component, it also has a crucial influence on the manufacturing costs and thus the economic success of a vehicle. It is therefore of particular importance to identify the requirements for the steering system at an early stage by means of simulations. The most important design parameter of the steering system is the maximum rack force acting on it, as this determines the choice of concept and the dimensioning of the steering system. In the current vehicle development process, the maximum rack force is predicted simulatively on the basis of the static parking manoeuvre and validated using complete vehicle measurements in the later vehicle development phase. In order to avoid incorrect dimensioning and thus high costs in steering development, the most accurate possible prediction of the maximum rack force acting on the steering rack is vital.
In this paper, a method for an accurate prediction of the maximum steering rack force is developed. Through the necessary development of an understanding of the chain of effects, potential target conflicts in the steering design can be identified at an early stage and possible solutions can be worked out. This contributes significantly to shifting the important development steps to the early project phase, which increases the efficiency of the vehicle design process and reduces the risk of incorrect steering dimensioning.
In order to build up an understanding of the chain of effects on the development of the rack force, test stands and measurement procedures are developed at the beginning of this paper to identify the vehicle and tire characteristics relevant to the steering design. These are used to carry out measurements on the three levels of the entire vehicle, tires and ground pressure distribution in the tire contact patch. Based on the experimental investigations, the understanding of the cause effect chain from the tire-road contact to the rack and pinion force is deepened. The evaluations focus in particular on the high influence of wheel camber on ground pressure distribution and tire forces and torques, which has been given relatively little attention in the past.
In order to improve the prediction of the maximum rack force, a model is being developed to simulate the ground pressure distribution between tire and road. This is capable of modelling the tire-road contact as a function of tire dimension, wheel load, inflation pressure and, in particular, camber. Along with a carcass and brush friction model from SHAO, this ground pressure distribution model forms the real-time capable SupERRB-Tire model. This model is eventually validated within the scope of this thesis and evaluated with regard to its suitability in the basic steering system design process.