Beurteilung der Fahrzeug-Längsdynamik · * Studienarbeit im Labor Antriebstechnik von Herrn...

* Studienarbeit im Labor Antriebstechnik von Herrn Benjamin Biehler

Beurteilung der Fahrzeug-Längsdynamik *• Simulationsprogramm zur Beurteilung der Längsdynamik von Fahrzeugen

• Ermittlung der Fahrleistungen von Fahrzeugen wie z.B.- Beschleunigungszeiten des Fahrzeuges

- mit Durchschalten der Gänge- in den einzelnen Gängen

- Geschwindigkeiten in den einzelnen Gängen- Anfahrvorgänge bei verschiedenen Fahrbahnzuständen- dynamische Lasten im Triebstrang- Beurteilung einer Fahrgeschwindigkeitsregelung (Tempomat)- Kraftstoffverbrauch des Fahrzeuges

Fachbereich MaschinenbauProf. Dr.-Ing. Schmitt

Umfang des Simulationsprogrammes• Modellierung der Motorcharakteristik über das Drehmoment-

Drehzahlverhalten unter Berücksichtigung des Schleppmomentes(Motorreibung) und Integration einer Leerlaufregelung

• Abbildung des Triebstranges mit Motor, Kupplung, Schaltgetriebe, Antriebswellen, Differentialgetriebe, Seitenwellen, Räder

• Abbildung der Karosserie mittels träger Masse, Luftwiderstand, Rollwiderstand und dynamischer Achslastverteilung

• Berücksichtigung einer ortsabhängigen in Längsrichtung geneigten Fahrbahn

• Berücksichtigung von ortsabhängigen Fahrbahnreibwerten

• Integration einer Fahrgeschwindigkeitsregelung

• Ermittlung der Kraftstoffverbrauchsdaten über Verbrauchs-Kennfeld während der Simulation

• Parametrierung verschiedener Fahrzeuge mittels Variablenliste


Modellstruktur des Simulationsprogrammes

MotorLeerlauf-regler Kupplung Getriebe Kardan-

welleAchs-

getriebe

Seiten-wellen

Seiten-wellen

Rad

Rad

Karosserie

Fahrgeschwindig-keitsregler

Fahrmanagement

Vortriebskraft

Vortriebskraft

Fahrgeschwindigkeit

GangwahlGaspedal Kupplungs-pedal

Drehzahl

LLR-Sollwert

FGR-Sollwert

Kraftstoff-Verbrauchsdaten


Realisierte Programmstruktur mit ITI-Sim

Pedalwert-geber

Differential

Untersetzung Differential

Steifigkeit Kardanwelle Trägheit

Seitenwelle rechts

Trägheit Seitenwelle links

Steifigkeit Seitenwelle rechts

Steifigkeit Seitenwelle links

Trägheit Differential

Differenz-winkel

Verlust- moment

Wirkungsgrad

Weg-Höhen-Profil

5-Gang-Getriebe

Rad-Straße-Kontakt links

Rad-Straße

Karosserie

Schaltkupplung

Leerlauf-Regler

Verbrauchsdaten

Motor

Fahrge-schwindig-keitsregler

FGR

Schaltlogik

Rad-Straße-Kontakt rechts

Rad-Straße

Fahrzeug-geschwindigkeit

Gangwahl

Nutz-moment

PWG-Schaltreduzierung

Kupplung

Fahrzeuggeschw indigkeit

Fahrzeug-geschw indigkeit

Weg Steigung

Antriebs-kraft

Dreh-zahl

Dreh-zahl

PWG

dynamischeAchslast-verteilung


Makro Motor• Modellierung mittels individuellen Fahrverhalten-Kennfeldes unter Berücksichtigung des Schleppmomentes

• Drehmomentkurven (Nutzmoment) eines Motors- relativ leicht aus einschlägiger Literatur beschaffbar

• Schleppmoment- schwierig zu erhalten, hier aus verschiedenen Literaturstellen ermittelt

Nutz- und Schleppdrehmoment

-100-50

050

100150200250

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Drehzahl [1/min]

Dre

hmom

ent [

Nm

]

Nutzmoment

Schleppmoment

max. Drehmomentkurve


Makro Motor• zur dynamischen Motornachbildung, d.h. fließender Übergang zwischen Zug- und Schiebebetrieb, wird folgende Lösung gewählt

- Fahrverhalten-Kennfeld wird nach oben nicht durch die max. Drehmomentkurve begrenzt, sondern es wird noch das Schleppmoment addiert

- anschließend wird in einem weiteren Modul das Schleppmoment wieder subtrahiert

S ch wu n g ra d

Dre h za h la u fn e h m e r S ch wu n g ra d

M o to r-d re h m o m e n t Nu tzm o m e n t +

-

Fa h rve rh a l te n -K e n n fe l d

S ch le p p -M i tte ld ru ck

Dre h za h l -No rm ie re r

Dru ck-M o m e n t-Wa n d le r

P WG +L L R+FG R +

+

+

B e g re n ze r (=1 )

Fa h r- u n d S ch a l t-P WG -V e rh a l te n -V e rkn ü p fu n g

+

+

Dre h za h l -sig n a l

A u sg a n gNu tzm o m e n t E in g a n g

P WG

E i n g a n gL e e rl a u fre g le r

E i n g a n g Fa h r-g e sch w.-Re g l e r

E in g a n g P WG -S ch a l tre d u zi e ru n g

Motornachbildung für Zug-/Schiebebetrieb


Fahrverhalten-Kennfeld - BMW 325e (5/85 bis11/86)

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

0 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,1 Drehzahl n/n_max

Dreh

mom

ent [

Nm]

0

0,025

0,05

0,075

0,1

0,125

0,150,175

0,2

0,25

0,3

0,4

0,5

0,60,7

0,8

0,9

1

Pedalwert-stellung

Fahrverhalten-Kennfeld - BMW 325e (5/85 bis 11/86)nmin = 550 min-1 ; nmax = 4800 min-1

PWG = 0

PWG = 1

0.2

0.4

0.6


Fahrwiderstände am Fahrzeug

Luftwiderstand:

Steigungswiderstand:

Rollwiderstand:

Gesamtwiderstand:

2relLwL vρAc

21F ⋅⋅⋅⋅=

sinβ⋅⋅= gmFSt

gmvfFRo ⋅⋅= )(

RoStLW FFFF ++=

cw LuftwiderstandsbeiwertA QuerschnittsflächeρL Luftdichtevrel rel. Anströmgeschwindigkeitm Fahrzeugmasseβ Steigungswinkel f(v) Rollwiderstandsbeiwert


Dynamische Achslasten• Massenkräfte erzeugen beim Antreiben und Bremsen dynamische Achslastverlagerungen ∆F

• Änderungen der Vertikalkräfte bei Beschleunigung, Bremsung: lhxm

lhFF ss

Bz ⋅⋅=⋅=∆ &&

• Achslasten bei Beschleunigung (Einfluss des Steigungswinkel vernachlässigt)

- vorn:

- hinten:

zH

zv FllGF ∆−⋅=

zV

zH FllGF ∆+⋅=


Antriebskraft des Fahrzeuges (Heckantrieb)

zHAntrieb FF ⋅= µ µ: Kraftschlussbeiwert (Reibwert)

Reibbeiwert in Abhängigkeit vom Schlupf für Beton

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Schlupf (lam da)

Rei

bbei

wer

t (m

y)

Schlupf λ

Rei

bbei

wer

t µ

Rad

Fahrzeug

vv

Schlupf−

= Radv : λ

Kräftebilanz am Fahrzeug

∑ ⋅−−−−== xmFFFFF RoStLAntrieb &&0


T räghei t Rad rechts

Drehzahl-aufnehm er Rad rechts

Radum fangs-geschwindigkei t rechts

Schlupf-berechnung rechs

Reibbeiwert-Berechnung rechts

Radm om ent rechts

Kraft-M om ent-Wandler rechts

Kraft-Erzeugungrechts

EingangFahrgeschwindigkei t1

EingangAchslastvertei lung1

Fahrzeug-m asse

Aufnehm er Fahrzeug

M otorkraft

Luftwiderstandskraft Luftwiderstands-krafterzeugung

Sum m ation Radkräfte

+

+

Steigung

Steigungs-widerstand

Steigungs-widerstands-kraft

Achslastvertei lung

Rol lwiderstands-beiwert

Rol lwider-standskraft

Rol lwiderstands-krafterzeugung

Geschwindigkei t

Beschleunigung

Fahrzeug-Weg

EingangSteigung

Makro: Rad-Straße-Kontakt

Makro: Karosserie


Technische Daten des Testfahrzeuges

Drehmoment- und LeistungsdiagrammBMW 325e

0

50

100

150

200

250

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Drehzahl [1/min]

Dreh

mom

ent [

Nm

]

0

20

40

60

80

100

Leis

tung

[kW

]

• Fahrzeug: BMW 325e

• Baujahr: 1986

• Motor: Wassergekühlter Reihen-Sechszylinder-Otto-Motor mit obenliegender Nockenwelleund 2 Ventilen pro Zylinder, Bosch-Motronik, G-Kat

• Hubraum: 2693cm3

• Leistung: 90 kW (122 PS) bei 4250 min-1

• Drehmoment: 230 Nm bei 3250 min-1


Triebstrangsimulation: Beschleunigung mit Durchschalten

0

1000

2000

3000

4000

5000U/min

0

1

2

3

4

5-

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200km/h

0 5 10 15 20

s

Drehzahl - Motor1Gangwahl - Fahrer1Fahrzeug-Geschwindigkeit - Fahrzeug

Einkuppeln 1. Gang

Einlegen 2. Gang

Einlegen 3. Gang

Einlegen 4. Gang

Leerlauf Gas geben

Drehzahl

Fahrzeuggeschwindigkeit

Gangwahl

Schaltdrehzahl: n = 4750 min-1


-100

-50

0

50

100

150

200

250-

0 5 10 15 20

s

Nutzmoment - Motor1Leistung - 3Fahrzeug-Geschwindigkeit - Fahrzeug

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1-

0 5 10 15 20

s

Schlupf (rechts) - Rad-Straße-Kontakt rechts

Triebstrangsimulation: Beschleunigung mit Durchschalten

Radschlupf

Motormoment (Nm)

Fahrzeuggeschwindigkeit (km/h)

Motorleistung (kW)


-4

-2

0

2

4

6m/s²

0

40

80

120

160

200km/h

0

100

200

300

400

500m

0

0.04

0.08

0.12

0.16

0.2-

0 5 10 15 20

s

Fahrzeug-Beschleunigung - FahrzeugFahrzeug-Geschwindigkeit - FahrzeugFahrweg - FahrzeugVerbrauchte Menge - 3

Triebstrangsimulation: Beschleunigung mit DurchschaltenErgebnisse: Beschleunigungszeit 0-100km/h: 9.5s

Verbrauchte Kraftstoffmenge: 0.0705 LiterVerbrauch bei 100 km/h im 3. Gang: 31.03 Liter/100km (Volllast)

Beschleunigung

Fahrweg

Fahrzeug-geschwindigkeit

Verbrauchte Kraftstoffmenge

Liter


Triebstrangsimulation: Steigungsfahrt mit Fahrgeschwindigkeitsregler (Tempomat)

0

5

10

15

20-

0 200 400 600 800 1000 1200

m

Signalausgang - Weg-Höhen-Profil / Fahrweg - Fahrzeug

• Startgeschwindigkeit: 100 km/h• FGR-Sollwert: 100 km/h• gewählter Gang: 4• Höhenprofil der Strecke: siehe Abbildung

Höhenprofil der Fahrstrecke

m

Beginn der SteigungsfahrtFahrstrecke (m)

Höh

e (m

)Fachbereich Maschinenbau

Prof. Dr.-Ing. Schmitt

99.7

99.8

99.9

100

100.1

100.2

100.3km/h

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6-

0 200 400 600 800 1000 1200

m

Fahrzeug-Geschwindigkeit - Fahrzeug / Fahrweg - FahrzeugFGR-Reglersignal - Fahrge- schwindig- keitsregler / Fahrweg - Fahrzeug


FGR-Stellsignal: Stellgröße 0 bis 1

Fahrzeuggeschwindigkeit

Einschalten des Fahrgeschwindig-keitsreglers

Beginn der SteigungsfahrtFahrstrecke (m)

km/h FGR-Stellsignal


0

5

10

15

20-

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2-

0

0.025

0.05

0.075

0.1-

0 200 400 600 800 1000 1200

m

Verbrauch/Strecke - 3 / Fahrweg - FahrzeugSteigung - Steigung / Fahrweg - FahrzeugVerbrauchte Menge - 3 / Fahrweg - Fahrzeug


Liter/100km Liter

Verbrauch / Strecke

Steigung der Strecke

Verbrauchte Kraftstoffmenge

Fahrstrecke (m)


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