Mechanik und Mechatronik
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Fahrzeugdynamik und Fahrdynamikregelung

Modell – Analyse – Optimierung – Regelung

In der modernen Fahrzeugentwicklung ist die Simulation der Fahrzeugsystemdynamik eines virtuellen Prototyps, häufig unter Verwendung eines Mehrkörpersystemprogramms, unverzichtbar geworden. Die Erstellung eines mathematisch/physikalischen Simulationsmodells erfordert viel Erfahrung und fahrzeugspezifisches Grundwissen, um einerseits dem realen System gerecht zu werden, und andererseits das dynamische Verhalten des Fahrzeugs und seiner Komponenten richtig analysieren zu können. Dabei gehen konstruktive Auslegung und mathematische Systemanalyse Hand in Hand.

Die numerische Auswertung des Modells ermöglicht beispielsweise eine zielführende Optimierung des (dynamischen) Systemverhaltens, die Minimierung von Bauteilbelastungen, die Erhöhung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit oder die optimale Ausnutzung der eingesetzten Energieressourcen. Nicht immer sind diese Ziele allein durch Optimierung geeigneter Systemparameter zu erreichen. In diesem Fall helfen die Fahrzeug(teil)modelle Sollgrößen oder gewünschte Systemzustände festzulegen, um die nun zum Einsatz kommende Regelung der Fahr(zeug)dynamik oder des Verhaltens von Teilkomponenten auszulegen und erfolgreich einzusetzen.

Die Forschungsgruppe Fahrzeugdynamik möchte Sie gern auf diesem Weg leiten oder begleiten, und hat dabei ihre Kompetenz durch die Mitherausgabe der angesehenen internationalen Zeitschrift "Vehicle System Dynamics" wissenschaftlich und durch zahlreiche Firmenkooperationen praktisch unter Beweis gestellt. Einige Projekte und Forschungsschwerpunkte der letzten Jahre:

Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge

  • Fahrdynamik und Fahrdynamikregelung (ESP, ABS, 4WS, 4WD)
  • "Validiertes mechatronisches Fahrzeug", Fahrermodell, hybride Antriebe und Verbrauchssimulation (MAGNA STEYR FT)
  • Modulare Koordination von aktiven Fahrwerkregelsystemen, Fahrsicherheit bei Radlastschwankungen, Modelle zur Bewertung des Fahrverhaltens (Daimler)
  • Integrative Fahrdynamikregelung und Fahrzustandsbeobachtung (Porsche)
  • Aktive Aggregatlagerung (Audi)
  • Offroad-Fahrzeuge, Lenksysteme (MAN)

Schienenfahrzeuge

  • Neue Fahrwerkkonzepte bei Straßenbahnen (Bombardier)
  • Flexibler Wagenkasten, Weichenüberfahrt von Straßenbahnen (Siemens AG)
  • Gelenktes Fahrwerk, Knickwinkelregelung

Motorrad, Fahrrad, Kurvenneiger

  • Fahrdynamik und Regelung eines dreirädrigen Kurvenneigers (BMW)
  • Fahrermodellierung und Fahrdynamikregelung für Motorräder (KTM Motorrad)
  • Fahrstabilität von Fahrrädern (KTM Fahrrad)

Flugzeug

  • Simulation des Landemanövers; Shimmy- und Gearwalkschwingungen des Fahrwerks

 

Reifen und Fahrer – (fast) unberechenbar, aber entscheidend

Reifen – Wovon hängt die geglückte Auslegung eines ESP/ABS Systems ab? Die aktive Fahrsicherheit? Der Fahrkomfort? Was ermöglicht einen Kurvendrift, die schnellste Rundenzeit, das größte Fahrvergnügen? Der Reifen und sein Modell in der Simulation stellen den Kontakt mit der Fahrbahn her und bestimmen über die übertragenen Kräfte und Momente entscheidend das dynamische Verhalten des Fahrzeugsystems und die Qualität der Berechnung. Hochwertige Reifenmodelle unterstützen heute die virtuelle Fahrzeug- und Komponentenentwicklung, doch hängt der Erfolg nicht nur vom Verständnis der dynamischen Vorgänge ab, sondern auch von einer funktionsfähigen Kette Reifenhersteller, Reifenmodellersteller, Anbieter von Simulationsprogrammen und Anwender.

Zu diesem Zweck hat die Forschungsgruppe Fahrzeugdynamik den sog. Tire Model Performance Test (TMPT) ins Leben gerufen und geleitet. Über mehrere Jahre bemühten sich die Teilnehmer (Michelin, Continental, FTire, Delt-Tyre/TNO, Adams, Simpack, LMS, Daimler, Bosch, MAGNA STEYR u.a.), das Verhalten des Reifens zuverlässiger berechenbar zu machen.

Fahrer – Was ist schwerer erlernbar, Autofahren oder Radfahren? Welchen Anteil hat das Fahrkönnen eines Motorradfahrers bei einem Unfall? Warum kann der Fahrer seinen Pkw beim "Elchtest" zum Kippen bringen? – Der Mensch als Fahrer besitzt die Fähigkeit zu antizipieren, vorherzusehen, vorauszuschauen, zu regeln, zu kompensieren. Er lernt aus Erfahrung, und kann sich an unterschiedliche Fahrsituationen und Fahrzeug(typen) anpassen. Er besitzt individuelles Fahrkönnen, psychische und physiologische Eigenheiten.

Und dennoch – die Entwicklung von Modellen des Fahrers erlaubt die Kombination von Fahrer, Fahrzeug und Umgebung als Gesamtsystem zu betrachten. Schließlich kann das Verständnis der gegenseitigen Beeinflussungen und Abhängigkeiten der drei Komponenten untereinander Antworten auf obige Fragen geben.

Die Forschungsgruppe Fahrzeugdynamik hat neben dem Fahrzeug also auch den Fahrer im Visier und ist obigen Antworten auf der Spur. Die Wichtigkeit der Beschäftigung mit dem Fahrer belegt jede Unfallstatistik. Ein virtueller Prototyp fährt nicht ohne virtuellen Testfahrer, und Fahrdynamikregelsysteme wie Fahrerassistenzsysteme müssen auf den Fahrer Rücksicht nehmen.

Literatur:

P. Lugner, M. Plöchl eds. 
Tire Model Performance Test (TMPT), Vehicle System Dynamics, 2007

M. Plöchl, J. Edelmann
Driver models in automobile dynamics application, Vehicle System Dynamics, 2007

Tire Model Performance Tests (TMPT): tmpt.tuwien.ac.at

Kontakt

Manfred Plöchl, Johannes Edelmann

TU Wien
Institut für Mechanik und Mechatronik
Forschungsgruppe Fahrzeugdynamik
Getreidemarkt 9
1060 Wien