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Entwicklung von Regelstrategien für Luftfederdämpfer zur Optimierung der Fahrdynamik unter Beachtung von Sicherheit und Komfort

Puff, Matthias :
Entwicklung von Regelstrategien für Luftfederdämpfer zur Optimierung der Fahrdynamik unter Beachtung von Sicherheit und Komfort.
TU Darmstadt / Fluidsystemtechnik
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung von Regelstrategien für Luftfederdämpfer zur Optimierung der Fahrdynamik unter Beachtung von Sicherheit und Komfort
Language: German
Abstract:

In dieser Dissertation werden die Ergebnisse des Forschungsvorhabens „Entwicklung von Regelstrategien für Luftfederdämpfer zur Optimierung der Fahrdynamik“ dargestellt. Allgemein ist bekannt, dass über Luftfederdämpfer (LFD) mittels eines Verstellventils eine Spreizung der Steifigkeit bis um den Faktor 20 möglich [23] ist. Bisher wurden keine Untersuchungen zur Beeinflussung der Fahrdynamik über LFD veröffentlicht. In dieser Arbeit wird das zur Verfügung stehende Potential der Steifigkeitserhöhung eines Luftfederdämpfers gezielt zur Beeinflussung der Fahrdynamik genutzt. Ein virtuelles, luftgefedertes und luftgedämpftes Versuchsfahrzeug wird in der objektorientierten Sprache Modelica abgebildet. Bis auf das Reifenmodell und die kennlinienbasierte Achselastokinematik wird das gesamte Fahrzeug über rein physikalische Modelle beschrieben und ist somit universell parametrisierbar, d.h. auf verschiedene Fahrzeugplattformen anwendbar. Die nach der Modellbildung entwickelten Regelstrategien basieren auf der Aufteilung des Wankmoments zwischen Vorder- und Hinterachse. Mit Hilfe eines Lenkwinkelsprungs wird gezeigt, dass im Zeitraum 1s bis 5s nach dem Sprung eine gezielte Beeinflussung des Eigenlenkverhaltens zwischen Untersteuern und agil möglich ist. Es wird deutlich, dass eine trägheitsbedingte Totzeit der Größenordnung 1s bei einer LFD-Regelung vorliegt. Auch wird gezeigt, dass der mögliche Arbeitsbereich einer Regelung im Querbeschleunigungsbereich zwischen 0.4g und 0.8g und somit unterhalb des Arbeitsbereichs des ESP liegt. In weiteren Closed-Loop- Fahrversuchen (z.B. Ausweichversuch, Rundkurs auf einer Grand-Prix-Strecke) wird deutlich, dass mit Hilfe der LFD-Regelung die Möglichkeit besteht, das Eigenlenkverhalten des Fahrzeugs derart zu beeinflussen, dass bei gleicher Fahrzeuggeschwindigkeit geringere Lenkwinkel und gleichzeitig geringere Regelabweichungen zur Sollbahn erreicht werden können. Es werden die Beeinflussung von Fahrsicherheit und Fahrkomfort durch die Fahrdynamik- regelung untersucht. Als Fahrmanöver wird hierfür ein Ausweichversuch mit realer Fahrbahn als Fußpunktanregung gewählt. Wie zu erwarten zeigt sich, dass Sicherheit und Komfort bei kleinen LFD-Ventilflächen negativ beeinflusst werden. Im Rahmen einer Optimierung werden Bypassventile in den Luftfederdämpfer integriert, um den Zielkonflikt der Abstimmung zwischen Dynamik, Sicherheit und Komfort zu mildern. Abschließend wird anhand von Versuchen an einem Hardware-in-the-Loop Prüfstand die Echtzeitfähigkeit der Regelung in Verbindung mit einem realen Federbein aufgezeigt. Die den Versuchsaufbau beinhaltende gesamte Mess-, Regel- und Aktuatorikkette dient gleichzeitig als Vorbereitung für einen Wechsel vom Prüfstand in ein Versuchsfahrzeug.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis describes the development of control strategies for air spring dampers with the aim to optimize the vehicle dynamics. It is assumed that air spring dampers are able to reach a stiffness ratio of 20 [23]. Until today there are no investigations known concerning influence the vehicle dynamics by means of controlled air spring dampers. For detailed investigations a virtual vehicle with air spring damper struts is modelled in the object oriented language Modelica. Therefor a physical approach is used. Only for the tire behavior and the elastokinematics of the axle mathematical models are used. The developed control strategies for air spring dampers are dividing the roll momentum between front and rear axis. By means of a steering angle step it is shown that there is a possibility to influence the vehicle dynamics between 1 till 5 seconds after the maneuver starts. The reaction time of 1 second in the beginning is caused by the inertia around the roll axis. It is also shown that the effective range of using the air spring damper control lays between 0.4 and 0.8g lateral accerlation and so it doesn´t interference with a electronic stability control (e.g. ESP). In further closed loop road trials (single lane change, Grand-Prix course) the advantages of the contolled vehicle are analyzed. Here it is possible to improve the self steering behavior which leads to a reduction in steering angle and offset to the setpoint course at comparable velocities. Also the influence of safety and comfort is investigated. Here a single lane change maneuver with real road excitation is used. In fact for high stiffnesses of the air sping damper the vehicle properties safety and comfort are changed for the worse. For solving this conflict of aims between dynamics, safety and comfort a optimization with bypass valves in the air spring damper is investigated. For verify the control strategies at realistic conditions and investigate its real time behavior experiments at a Hardware-in-the-Loop test rig are made. The assembly of the test rig contains the whole measurements, control hardware and actuator components. In that way these investigations can be considered as preparations for a change into a real test vehicle.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Fluidsystemtechnik
Date Deposited: 15 Mar 2011 17:12
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24803
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Pelz, Prof. Dr.- Peter and Winner, Prof. Dr. Hermann
Refereed: 11 January 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2480
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