Selbsterregte Gesamtfahrzeugschwingungen – Analyse in Versuch und Simulation – Erörterung von Abhilfemassnahmen

Einleitung

Aus Gründen des Fahrkomforts wird im Automobilbereich die Motor-Getriebe-Einheit durch Elastomerlager von der Karosserie entkoppelt. Diese elastische Lagerung ermöglicht dem Aggregat Bewegungen relativ zur Karosserie. Eine der Hauptanforderungen während der Konstruktion eines Automobils stellt die hohe Bauraumdichte bzw. die optimale Nutzung des Bauraums unter Beachtung des Packageplans dar, denn im Betrieb darf es nicht zu Bauteilkollisionen kommen. Ein geforderter Mindestabstand darf nicht unterschritten werden oder es müssen Freiräume für eine Montierbarkeit und Austauschbarkeit von Komponenten im Service berücksichtigt werden. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, hat sich gezeigt, dass eine rein statische Betrachtung der Konstruktionslagen nicht ausreicht. Aufgrund der Kopplung von Bauteilen durch elastische Lagerelemente, die der Verbesserung des Fahrkomforts dienen, und der Anregungen kann es zu einem Bewegungsverlauf der Bauteile kommen, der lediglich in einer dynamischen Betrachtung festgestellt werden kann. Die Resultate der dynamischen Freigangsuntersuchungen ergeben zusammen mit der statischen Geometriehülle der Bauteile aus der CAD-Konstruktion die dynamische Geometriehülle, die im weiteren Verlauf des Produktentstehungs-prozesses (PEP) dem Digital Mockup (DMU) zugeführt und dort zur Erstellung und Untersuchung des virtuellen Gesamtfahrzeugs genutzt wird.

Problembeschreibung

Einer der Gesamtfahrzeugversuche, die im Rahmen der dynamischen Bauraumuntersuchung durchgeführt wird, ist ein scharfes Anfahrmanöver. Dieses wird entweder als Kupplungssprung (Fahrzeuge mit Schaltgetriebe) oder als ein schlagartiges Durchdrücken des Fahrpedals („Kickdown“ bei Automatikgetrieben oder Elektrofahrzeugen) durchgeführt. Bei diesem scharfen Anfahrmanöver kann es, vor allem in Abhängigkeit der Fahrbahnkonditionen, zu selbsterregten Schwingungen des Antriebsstrangs und des Fahrwerks kommen.

Dieser, auch als „Power-Hop” bezeichnete, Effekt hat neben einem erhöhten Bauraumbedarf des Aggregats auch Einfluss auf die Fahrsicherheit, den Fahrkomfort und auf die Betriebsfestigkeit verschiedener Komponenten. Das Auftreten der Antriebsstrangschwingungen häuft sich bei feuchten bzw. nassen Fahrbahnkonditionen und kann sowohl bei Fahrzeugen mit manuellen wie auch automatisierten Getrieben beobachtet werden. Die genauere Betrachtung dieses Systemverhaltens mit den aufklingenden Schwingungen des Aggregats führt zu dem Schluss, dass es sich dabei um selbsterregte Schwingungen handelt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie im eingeschwungenen Zustand während einer Schwingungsperiode einer externen Energiequelle gerade so viel Energie entziehen, dass ihre Dämpfungsverluste ausgeglichen werden. Dabei schwingt das System dann in seiner Eigenfrequenz. Dieses Schwingungsphänomen tritt nicht nur bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren mit Front-Quer-Motoranordnung auf sondern wird auch bei heckgetriebenen Fahrzeugen beobachtet. Ebenso kann es bei einem vergleichbaren Aggregatlagerungskonzept bei Elektrofahrzeugen beobachtet werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind ganzheitliche Untersuchungen dieser Art der Antriebsstrangschwingung unter besonderer Berücksichtigung des Reifeneinflusses vorgenommen und die Ergebnisse bewertet worden.

Gesamtfahrzeugversuch

Anhand der Gesamtfahrzeugversuche konnten zunächst drei Anregungsarten der Aggregatschwingungen definiert werden, die sich vor allem durch den Verlauf der Radgeschwindigkeiten unterscheiden.

Basierend auf den Versuchsergebnissen im Gesamtfahrzeugversuch wurden ebenso die Bewegungsformen ermittelt, die die Anregung der ersten Triebstrangeigenfrequenz bestätigen.

Prüfstandsversuch

Ein wesentlicher Nachteil der Untersuchungen im Gesamtfahrzeug stellt die starke Beeinflussung der Resultate durch die Versuchsbedingungen dar. Um den Effekt unter definierten und konstanten Umweltbedingungen untersuchen zu können, wurde ein Längsdynamikprüfstand konzipiert und in Betrieb genommen. Dieser ermöglicht neben der Reproduzierbarkeit der Schwingungen eine getrennte Einstellung der Längs- und Vertikalkräfte sowie die Berücksichtigung verschiedener Fahrbahnoberflächen. Es konnte die Vergleichbarkeit zu Ergebnissen aus dem Gesamtfahrzeugversuch und eine Reproduzierbarkeit der Resultate am Prüfstand gezeigt werden. Ebenso konnte ein Auftreten der Aggregatschwingungen bei unterschiedlichen Radlastfunktionen und auf unterschiedlichen Fahrbahnoberflächen nachgewiesen werden. Nach der Betrachtung der Kraftschluss-Schlupf-Kurven kann davon ausgegangen werden, dass der negative Gradient nach dem maximalen Kraftschlussbeiwert einen Einfluss auf das Auftreten der Schwingungen hat.

Simulation

Unter der Berücksichtigung dieser Prüfstandsergebnisse wurde in einem längsdynamischen Ersatzmodell das Reifenverhalten als globale -Schlupf-Kennung implementiert, womit das Auftreten der Schwingungen auch in der Simulation untersucht werden konnte. Die Ergebnisse der Simulation zeigen eine qualitativ sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Fahrversuchs, auch hinsichtlich der Abbildung des Power-Hops, sodass an diesem Fahrzeugmodell ein Steueralgorithmus zur Bedämpfung der Aggregatschwingungen getestet werden konnte. Dieser derart entwickelte Algorithmus kommt in seiner prinzipiellen Form aktuell in Serienfahrzeugen zum Einsatz.

Neben virtuellen Untersuchungen zu den (semi-)aktiven Lagerungskonzepten stellt vor allem der Längsdynamikprüfstand in zukünftigen Arbeiten ein wichtiges Hilfsmittel dar. Zum einen können Bauteile wie z.B. die Lagerung variiert und der Einfluss auf das Gesamtverhalten betrachtet werden. Zum anderen kann zusammen mit dem längsdynamischen Ersatzmodell eine Software-in-the-Loop-Testumgebung für einen Eingriffsregler aufgebaut werden und die Wirksamkeit der Regelung reproduzierbar und vielfältig untersucht werden.

Darauf aufbauend ergibt sich die Möglichkeit einen integralen Regler für die Lager und den Kontrollalgorithmus zu entwickeln und zu plausibilisieren. Insbesondere auch hinsichtlich der zukünftigen Entwicklungen wie Hybridfahrzeuge und den rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.

Autor des Artikels

Prof. Dr.-Ing. Dirk Engel, Professor für mechatronische Systeme in der Fahrwerktechnik, Department Fahrzeugtechnik & Flugzeugbau, Fakultät Technik & Informatik, Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg