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Modellbildung und Simulation der Dynamik von Kraftfahrzeugen

Autor	Dieter Schramm, Manfred Hiller, Roberto Bardini
Verlag	Springer-Verlag
Erscheinungsjahr	2010
Seitenanzahl	465 Seiten
ISBN	9783540893158
Format	PDF
Kopierschutz	DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	82,99 EUR

Die Autoren behandeln die Grundlagen der Dynamik von Kraftfahrzeugen und deren mathematische Modellierung - von einfachen Einspurmodellen bis hin zu komplexen Mehrkörpermodellen. Insbesondere wird der Prozess der Modellerstellung vom realen Fahrzeug bis hin zum mathematischen Modell sowie die Validierung der Ergebnisse beschrieben. Leser lernen, eigene Simulationsmodelle zu entwickeln, kommerzielle Simulationsprogramme einzusetzen, eine geeignete Modellierung auszuwählen und die Ergebnisse von Simulationen zu bewerten.

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort	5
Inhaltverzeichnis	6
Nomenklatur und Bezeichnungen	12
1 Einleitung	17
1.1 Aufgabenstellung	17
1.1.1 Modellierung technischer Systeme	20
1.1.2 Systembegriff	21
1.1.3 Simulation und Simulationsumgebung	22
1.1.4 Fahrzeugmodelle	23
1.2 Gesamtfahrzeugmodelle	27
1.2.1 Fahrzeugmodelle und Anwendungsgebiete	29
1.2.2 Kommerzielle Fahrzeugsimulationssysteme	31
1.3 Inhaltsübersicht	33
1.4 Web-Seite zum Buch	34
2 Mathematische und kinematische Grundlagen	35
2.1 Vektoren	35
2.1.1 Elementare Rechenregeln für Vektoren	35
2.1.2 „Physikalische“ Vektoren	36
2.2 Koordinatensysteme und Komponenten	37
2.2.1 Koordinatensysteme	37
2.2.2 Komponentenzerlegung	38
2.2.3 Zusammenhang zwischen Komponentendarstellungen	39
2.2.4 Eigenschaften der Transformationsmatrix	40
2.3 Lineare Vektorfunktionen und Tensoren 2. Stufe	41
2.3.1 Beispiele für Tensoren 2. Stufe	41
2.4 Freie Bewegung des starren Körpers	43
2.4.1 Allgemeine Bewegung des starren Körpers	43
2.4.2 Relativbewegung	47
2.4.3 Wichtige Bezugssysteme	49
2.5 Drehbewegungen	51
2.5.1 Räumliche Drehung und Winkelgeschwindigkeit	51
2.5.2 Parametrisierung von Drehbewegungen	52
2.5.3 Drehzeiger und Drehtensor	53
2.5.4 Drehzeiger und Winkelgeschwindigkeit	55
2.5.5 KARDAN-Winkel	56
3 Kinematik von Mehrkörpersystemen	61
3.1 Struktur kinematischer Ketten	61
3.1.1 Topologische Modellierung	62
3.2 Gelenke in kinematischen Ketten	65
3.2.1 Gelenke in räumlichen kinematischen Ketten	65
3.2.2 Gelenke in ebenen kinematischen Ketten	67
3.2.3 Gelenke in sphärischen kinematischen Ketten	68
3.2.4 Klassifizierung von Gelenken	68
3.3 Freiheitsgrade und verallgemeinerte Koordinaten	70
3.3.1 Freiheitsgrade kinematischer Ketten	70
3.3.2 Beispiele aus der Fahrwerkskinematik	71
3.3.3 Verallgemeinerte Koordinaten	72
3.4 Grundprinzipien des Zusammenbaus kinematischer Ketten	74
3.4.1 „Sparse“-Methoden	76
3.4.2 „Vector-Loop“-Methoden	78
3.4.3 Topologische Methoden	79
3.5 Kinematik des Gesamtsystems	82
3.5.1 Grundidee	82
3.5.2 Blockschaltbilder und kinematische Netze	83
3.5.3 Relativkinematik des räumlichen Gelenkvierecks	85
3.5.4 Relative, absolute und globale Kinematik	87
4 Bewegungsgleichungen komplexer Mehrkörpersysteme	93
4.1 Fundamentalgleichung der Dynamik für Punktmassen	93
4.2 Das JOURDAINsche Prinzip	95
4.3 LAGRANGEsche Gleichungen erster Art für Punktmassen	95
4.4 LAGRANGEsche Gleichungen zweiter Art für starre Körper	97
4.5 Das d'ALEMBERTsche Prinzip	98
4.6 Computergestütztes Aufstellen der Bewegungsgleichungen	101
4.6.1 Kinematische Differentiale der Absolutkinematik	101
4.6.2 Bewegungsgleichungen	104
4.6.3 Dynamik einer räumlichen Mehrkörperschleife	106
5 Kinematik und Dynamik des Fahrzeugaufbaus	115
5.1 Fahrzeugfestes Referenzsystem	115
5.2 Kinematische Analyse des Fahrgestells	118
5.2.1 Einbindung der Radaufhängungs-Kinematik	119
5.2.2 Bewegungsgleichungen	121
6 Modellierung und Analyse von Radauf-hängungen	123
6.1 Funktion von Radaufhängungssystemen	123
6.2 Typen von Radaufhängungen	125
6.2.1 Starrachsen	126
6.2.2 Verbundlenkerachsen	128
6.2.3 Längslenkerachsen	129
6.2.4 Schräglenkerachsen	130
6.2.5 Doppelquerlenkerachsen	132
6.2.6 Radaufhängungen nach dem McPherson-Prinzip	133
6.2.7 Mehrlenkerachsen	135
6.3 Kenngrößen von Radaufhängungen	137
6.4 Eindimensionale Viertelfahrzeugmodelle	140
6.5 Räumliches Modell einer McPhersonRadaufhängung	143
6.5.1 Kinematische Analyse	144
6.5.2 Explizite Lösung	148
6.6 Räumliches Modell einer FünfpunktHinterradaufhängung	154
6.6.1 Kinematische Analyse	155
6.6.2 Implizite Lösung	158
6.6.3 Simulationsergebnisse des räumlichen Viertelfahrzeugmodells	162
7 Modellierung des Rad-Straße-Kontaktes	168
7.1 Aufbau des Reifens	169
7.2 Kraftwirkung zwischen Rad und Straße	170
7.3 Stationäre Reifenkontaktkräfte	171
7.3.1 Reifen unter Vertikallast	172
7.3.2 Rollwiderstand	173
7.3.3 Reifen unter Umfangskraft	174
7.3.4 Reifen unter Seitenkraft	188
7.3.5 Einfluss des Radsturzes auf die Reifenseitenkraft	191
7.3.6 Einfluss der Radlast auf die Radkräfte in der Lauffläche	192
7.3.7 Grundsätzliche Struktur der Radkräfte	192
7.3.8 Überlagerung von Umfangsund Seitenkräften	193
7.4 Reifenmodelle	196
7.4.1 Die Kontaktpunkt-Geometrie	197
7.4.2 Kontakt-Geschwindigkeiten	202
7.4.3 Berechnung der Schlupfgrößen	204
7.4.4 Magic Formula Modelle	204
7.4.5 Magic Formula Modelle für überlagerten Schlupf	207
7.4.6 HSRI-Reifenmodell	208
7.5 Instationäres Reifenverhalten	211
8 Modellierung des Antriebsstranges	214
8.1 Antriebskonzepte	214
8.2 Modellbildung	215
8.2.1 Bewegungen des Motorblockes	216
8.2.2 Modell des Antriebsstranges	217
8.2.3 Motorlager	218
8.2.4 Modellierung der Gleichlaufgelenke	224
8.3 Modell des Motors	226
8.4 Relativkinematik des Antriebsstranges	228
8.5 Absolutkinematik des Antriebsstranges	230
8.6 Bewegungsgleichungen	231
8.7 Diskussion von Simulationsergebnissen	232
9 Kraftkomponenten	234
9.1 Kräfte und Momente in Mehrkörpersystemen	235
9.1.1 Reaktionskräfte	236
9.1.2 Eingeprägte Kräfte	237
9.2 Betriebsbremse	238
9.3 Luftkräfte	239
9.4 Federund Dämpferkomponenten	241
9.4.1 Federelemente	241
9.4.2 Dämpferelemente	243
9.4.3 Parallel geschaltete Kraftelemente	244
9.4.4 In Reihe geschaltete Kraftelemente	244
9.5 Stabilisatoren	245
9.5.1 Passive Stabilisatoren	245
9.5.2 Aktive Stabilisatoren	248
9.6 Gummi-Verbund-Elemente	250
10 Einspurmodelle	252
10.1 Lineares Einspurmodell	252
10.1.1 Bewegungsgleichungen des linearen Einspurmodells	253
10.1.2 Stationäres Lenkverhalten und Kreisfahrt	258
10.1.3 Instationäres Lenkverhalten Fahrstabilität	262
10.2 Nichtlineares Einspurmodell	263
10.2.1 Kinetik des nichtlinearen Einspurmodells	264
10.2.2 Reifenkräfte	267
10.2.3 Antriebsund Bremsmomente	270
10.2.4 Bewegungsgleichungen	272
10.2.5 Zustandsgleichungen	273
10.3 Lineares Wankmodell	275
10.3.1 Bewegungsgleichung für das Wanken des Aufbaus	277
10.3.2 Dynamische Radlasten	280
10.3.3 Beeinflussung des Eigenlenkverhaltens	282
11 Zweispurmodelle	285
11.1 Zweispurmodell ohne Radaufhängungskinematik	285
11.1.1 Impulsund Drallsätze	288
11.1.2 Federund Dämpferkräfte	291
11.1.3 Impulsund Drallsätze der Räder	292
11.1.4 Rad-Strasse-Kontakt	293
11.1.5 Antriebsstrang	296
11.1.6 Bremssystem	298
11.1.7 Bewegungsgleichungen	298
11.2 Zweispurmodell mit kinematischen Radaufhängungen	300
11.2.1 Freiheitsgrade des Zweispurmodells	300
11.2.2 Kinematik des Fahrzeugaufbaus	302
11.2.3 Allgemeine Kinematik der Radaufhängungen	305
11.2.4 Radaufhängung mit Schräglenkern	310
11.2.5 Kinematik der Räder bei der Schräglenkeraufhängung	316
11.2.6 Radkräfte und –momente	318
11.2.7 Aufbaufedern und -dämpfer	319
11.2.8 Windkräfte	320
11.2.9 Lenkung	321
11.2.10 Stabilisator	322
11.2.11 Eingeprägte Kräfte und Momente	322
11.2.12 NEWTON-EULERsche Gleichungen	323
11.2.13 Bewegungsund Zustandsgleichungen	327
11.3 Ein einfaches Fahrermodell	327
11.3.1 Reglerkonzept	328
11.4 Parametrierung	330
12 Räumliche Gesamtfahrzeugmodelle	332
12.1 Modellierung eines Gesamtfahrzeuges	332
12.1.1 Kinematik eines heckgetriebenen Fahrzeugmodells	333
12.1.2 Kinematik frontund allradgetriebener Gesamtmodelle	344
12.1.3 Dynamik des Gesamtfahrzeugmodells	361
12.2 Simulation von Kraftfahrzeugen	362
12.2.1 Aufbau und Konzept von FASIM_C++	363
12.2.2 Modulare Struktur eines Fahrzeugmodells	366
12.2.3 Aufstellen der Bewegungsgleichungen	372
12.2.4 Numerische Integration	380
12.2.5 Behandlung von Ereignissen	383
13 Modell eines typischen komplexen Gesamtfahrzeugs	386
13.1 Modellierung des Gesamtfahrzeugs	386
13.2 Modellverifikation und -validierung	390
13.3 Parametriertes Fahrzeugmodell	400
14 Ausgewählte Anwendungen	409
14.1 Simulation eines Lenkwinkelsprungs (ISO 7401)	409
14.2 Simulation von Fahrzeugüberschlägen	412
14.2.1 Virtuelles Testgelände	416
14.2.2 Simulationsergebnisse	421
14.3 Regelung der Wankdynamik durch aktive Stabilisatoren	434
14.3.1 Passive Stabilisatoren	435
14.3.2 Steifigkeitsverteilung zwischen Vorderund Hinterachse	436
14.3.3 Regelung der Wankdynamik durch aktive Stabilisatoren	439
14.3.4 Reglerentwurf	439
14.3.5 Führungsund Störverhalten	443
14.3.6 Wankmomentenverteilung mit Fuzzy-Logik	443
14.3.7 Wirkprinzip	444
14.3.8 Potential einer Wankmomentenverteilung	446
Literaturverzeichnis	449
Kurzbiografien der Autoren	458
Stichwortverzeichnis	459

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