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Analyse fahrerwirksamer Systemauslegungen und -störungen eines Fahrzeugs mit Hinterradlenkung bei gleichzeitiger Fahrerbeanspruchung durch eine Fahraufgabe

Wesp, Alexander:
Analyse fahrerwirksamer Systemauslegungen und -störungen eines Fahrzeugs mit Hinterradlenkung bei gleichzeitiger Fahrerbeanspruchung durch eine Fahraufgabe.
Verein Deutscher Ingenieure: Fortschrittberichte VDI : Reihe 12, Verkehrstechnik, Fahrzeugtechnik (741). VDI Verlag , Düsseldorf . ISBN 978-3-18-374112-0
[Book], (2011)

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Item Type: Book
Title: Analyse fahrerwirksamer Systemauslegungen und -störungen eines Fahrzeugs mit Hinterradlenkung bei gleichzeitiger Fahrerbeanspruchung durch eine Fahraufgabe
Language: German
Abstract:

Die Entwicklung leistungsfähiger Aktoren im Bereich des Fahrwerks motiviert eine (erneute) Prüfung des Einsatzes einer Hinterachslenkung im Pkw. Mit dem Einsatz einer Hinterradlenkung wird durch den Lenkwinkel der Hinterräder dem System Kraftfahrzeug ein weiterer Freiheitsgrad hinzugefügt. Im Vergleich zu einer Überlagerungslenkung (AFS) kann durch die funktionale Weiterverwendung des Freiheitsgrades an der Hinterachse die Dynamik gezielt beeinflusst werden. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Ermittlung des fahrerwirksamen Nutzens des zusätzlichen Freiheitsgrads und die Evaluation durch Normalfahrer sowie die Identifikation einer Versagensauswirkung, die eine Lenksystemstörung zur Folge haben kann. In der Literatur wurden einige Konzepte zur Nutzung des zusätzlichen Freiheitsgrades an der Hinterachse bereits vorgestellt. Die erwarteten fahrerwirksamen Vorteile wurden nicht für alle Konzepte durch Normalfahrer in Probandenversuchen validiert und publiziert. Ein in der Literatur mehrfach vermuteter Zusammenhang zwischen der Bewertung der Fahrer und dem Zeitverzug zwischen der Gierrate und Querbeschleunigung wurde bisher in Fahrversuchen nicht nachgewiesen, deshalb ist ein Ziel dieser Arbeit den Zusammenhang zwischen der fahrerindividuellen Einschätzung der Beanspruchung beim Fahren einerseits und der Gierrate und Querbeschleunigung andererseits durch eine gezielte Variation des Zeitverzugs in Probandenversuch im Fahrzeug zu untersuchen. Das zweite Ziel der Arbeit ist durch die Realisierung des Freiheitsgrades an der Hinterachse motiviert. Der Ausfall eines Aktors bedeutet im Worst-Case-Fall ein Lenkwinkel mit dem maximal möglichen Winkel des Aktors. Im Fall eines solchen Stellfehlers muss die durch den Fehler auftretende Störung der Fahrdynamik vom Fahrer beherrscht werden können. Für Überlagerungslenkungen wurden Störungsuntersuchungen bereits publiziert. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse der Störungsversuche bei Überlagerungslenkungen auf Hinterradlenkungen erscheint aufgrund der unterschiedlichen Wirkkette fraglich, insbesondere wenn eine radindividuelle Aktorik eingesetzt wird. Der Einfluss eines Zeitverzug auf die Beanspruchung des Fahrers wird durch eine gezielte Variation der Lenkübersetzung der Hinterräder in den unterschiedlichen Manövern Fahrstreifenwechsel und Makrosinus untersucht. In den Manövern wird ein Zeitverzug von -44 ms bis +81 ms zwischen der Querbeschleunigung und der Gierrate bei konstanter Gierverstärkung variiert und im Paarvergleich durch die Fahrer bewertet. Die Auswertungen von 34 Probanden zeigen, dass eine Sensitivität der Fahrer auf die dargestellten Zeitverzüge nicht nachgewiesen werden kann. Auch kann eine Reduktion der fahrerinternen Beanspruchung durch die kleineren Phasenverzüge nicht belegt werden. Durch die repräsentative Auswahl der Zeitverzüge folgt aus den Ergebnissen, dass eine Hinterradlenkung zugunsten anderer fahrdynamischer Kriterien, wie z. B. Stabilität oder geschwindigkeitsunabhängige Gierdämpfung, ausgelegt werden kann und die Auswirkungen der Zeitverzüge auf ein mögliches Fahrerurteil vernachlässigbar sind. Für die Versagensauswirkung im Fall einer Störung des hinteren Lenksystems kann aufgrund der Bewertungen von 33 Probanden in lenkwinkelinduzierten Störungsversuchen kein Unterschied zwischen Störungen der Vorderachse und beidseitigen Störlenkwinkel der Hinterachse belegt werden. Störreaktionen des hinteren Lenksystems werden im Vergleich zu betragsgleichen Störungen des vorderen Lenksystems bei 50, 100 und 150 km/h nicht kritischer bewertet. Auch kann ein Bewertungsunterschied zwischen ein- und beidseitigen Störungen des hinteren Lenksystems in den Fahrerurteilen nicht nachgewiesen werden, sodass eine Unterscheidung zwischen Ein- und Doppelaktorkonzepten, vergleichbarer Störseitenkraft, bei der Identifikation der Kontrollierbarkeit nicht notwendig erscheint. Die durchgeführten Störungsversuche erweitern den Erkenntnisraum um die Störung der Fahrzeugbewegung im Fall von Störlenkwinkeln an der Hinterachse. Mit den durchgeführten Versuchen sind Abschätzungen für maximal zulässige Stellfehler im Fahrbetrieb bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Fahrmanövern möglich. Für den Einsatz einer Hinterachslenkung müssen aufgrund der Ergebnisse keine strengeren Anforderungen an die Überwachungseinrichtungen der Hinterachslenkung als an Überlagerungslenkanlagen gestellt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The development of powerful chassis actuators is a strong motivation to reconsider of the use of a rear wheel steering in passenger cars. Adding a rear wheel steering provides the vehicle system with an additional degree of freedom. In comparison with a superposition steering system (on the front axle) the new degree of freedom can used to further influence the vehicle's dynamic. The focus of this work is, on identifying the effective benefits of the above introduced approach the one hand, and on the other, on investigating the vehicle's dynamic in case of a steering system failure. In the literature, there are proposals to use this additional degree of freedom on the rear axle. However, the expected benefits of these proposals were not validate by normal driver. In the literature the postulated relationship between driver's evaluation and the delay between yaw rate and the lateral acceleration in real driving tests has not been proven. Thus it is one objective of this work to establish the relationship between driver's individual evaluation of the exposure and the systematic variation of the delay in vehicle test with normal drivers. This work investigates the vehicle's dynamics in case of failure enabled by the additional degree of freedom on the rear axle. In the worse case the failure of one actuator leads to a maximum steering angle of the actuator. In such a case, the driver has to compensate the disturbance in the vehicle dynamic caused by the steering angle failure. Investigations of steering system failures of superposition steering systems are published. Due to the difference of the causal chain its seems questionable to transfer the published results to a rear wheel steering system, especially when wheel individual actuators are used. The systematic variation on the rear wheel steering ratio in lane-change maneuver and macro sinus weave test is used to investigate the effect on the delay on the driver's workload. In the maneuvers the delay between lateral acceleration and yaw rate is varied from -44 ms to +81 ms and constant yaw rate amplification and evaluated in pair test by the drivers. The result of 34 probands shows, that a drivers sensitivity to the delays is not detectable. A reduction of the driver individual workload caused by smaller delays is not detectable too. The choice of representative delays allows to deduce that a rear wheel steering system can be designed according to other vehicle dynamic criteria, e.g. stability or speed depended yaw damping. The effect of delays on a driver evaluation is statistically insignificant. In an evaluation with 33 normal drivers there are no significant difference between steering angles failures on both rear wheels and front wheels. Disturbances based on both rear wheels are not more critical than the corresponding disturbances on the front wheels with velocities of 50, 100 and 150 km/h. Furthermore a difference on the driver evaluations of one-sided or double-sided disturbances by the rear wheel steering system is not statistically detectable. Hence it does not seem necessary to differentiate between the one- and two actuator system (with comparable lateral forces) to identify the vehicle's controlability in steering system failures. The performed tests extends our knowledge about the disturbance of the vehicle dynamic in case of a steering angle failure on rear wheel steering system. The given tests provides viable approximations of the tolerable steering angle failures by different velocities and driving maneuvers. Based on the test's results, the control system of the rear wheels do not need adhere to stricter requirements than the control system of front wheel superposition steering systems.English
Series Name: Verein Deutscher Ingenieure: Fortschrittberichte VDI : Reihe 12, Verkehrstechnik, Fahrzeugtechnik
Number: 741
Place of Publication: Düsseldorf
Publisher: VDI Verlag
Collation: X, 135 S.
Uncontrolled Keywords: Hinterradlenkung, Allradlenkung, Gierverstärkung, Querbeschleunigung, Gierrate, Zeitverzug, Störung, Ausfallverhalten, Probandenversuch, Makrosinus, Fahrstreifenwechsel, Überlagerungslenkung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Rear Wheel Steering, All Wheel Steering, Yaw Amplification, Lateral Acceleration, Yaw Rate, Delay, Failure, Probands, Weave-Test, Lane-Change-Test, Superposition SteeringEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD)
16 Department of Mechanical Engineering > Ergonomics (IAD)
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Control Systems and Mechatronics
Date Deposited: 08 Jul 2013 07:27
Last Modified: 08 Jul 2013 07:27
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28089
Referees: Winner, Prof. Dr. Hermann and Konigorski, Prof. Dr.- Ulrich
Refereed: 12 January 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2808
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