Entwicklung einer Fahrwerkauslegungsmethode für Pkw zur Anwendung in der Konzeptphase

An den automobilen Entwicklungsprozess werden zunehmend Anforderungen hinsichtlich der Verkürzung von Entwicklungszeiten, der Verringerung von Entwicklungskosten sowie der Verlagerung der Entwicklung hin zu frühen Entwicklungsphasen gestellt. Um diese Anforderungen zukünftig erfüllen zu können, ist es notwendig, geeignete Prozesse und Entwicklungsmethoden zu erarbeiten, die bereits in frühen Entwicklungsphasen zu robusten Konzepten führen. In der vorliegenden Arbeit wird dazu eine Fahrwerkauslegungsmethode für die Konzeptphase entwickelt, mit der es entsprechend des V-Entwicklungsmodells innerhalb von zwei Auslegungsschritten möglich ist, aus Gesamtfahrzeugeigenschaftszielen für Fahrdynamik und Fahrkomfort Subsystemziele für den Reifen, die Achskinematik und Achselastokinematik sowie für die Lenkung abzuleiten. Die entwickelte Auslegungsmethode basiert auf dem Target-Cascading-Ansatz und nutzt effektive Achscharakteristika, um die Wirkzusammenhänge innerhalb des Fahrwerks während der Auslegung aufzuzeigen. Mithilfe der in dieser Arbeit entwickelten Auslegungsmethodik ist ein wichtiger Beitrag zur zielgerichteten Ableitung von Fahrwerkeigenschaften geschaffen, der eine deutliche Verkürzung der Entwicklungszeiten und der damit einhergehenden Entwicklungskosten innerhalb der frühen Entwicklungsphase des Fahrwerks ermöglicht.:Vorwort und Danksagung Kurzfassung und Abstract Nomenklatur 1. Einführung 1.1. Motivation zur Entwicklung einer Fahrwerkauslegungsmethode für die Konzeptphase 1.2. Zielstellung und Struktur der Arbeit 1.3. Eingrenzung der Aufgabenstellung 2. Wissenschaftliche Grundlagen 2.1. Konzeptphase im Automobil-Entwicklungsprozess 2.2. Arbeitsraum des Fahrzeugs eines Normalfahrers 2.2.1. Fahrgeschwindigkeiten 2.2.2. Längs- und querdynamischer Arbeitsraum 2.2.3. Vertikaldynamischer Arbeitsraum 2.3. Objektivierung des Fahrverhaltens 2.3.1. Objektivierung der Längs- und Querdynamik 2.3.2. Objektivierung der Vertikaldynamik 2.4. Stand der Technik hinsichtlich Achsauslegungsmethoden 2.4.1. Klassische Auslegungsmethoden 2.4.2. Auslegungsmethoden auf Basis von Optimierungsalgorithmen 2.4.3. Wissensbasierte und strukturelle Auslegungsmethoden 2.4.4. Mischansätze 2.5. Zusammenfassung und Diskussion 3. Identifikation und Analyse relevanter Fahrwerkeigenschaften zur Integration in die Auslegungsmethode 3.1. Untersuchung der Subsystemeigenschaften der elektromechanischen Lenkung 3.2. Untersuchung der Subsystemeigenschaften der Achsen 3.2.1. Kinematische Achseigenschaften 3.2.2. Elastokinematische Achseigenschaften 3.2.3. Dämpfungseigenschaften der Achse 3.3. Untersuchung der Subsystemeigenschaften des Reifens 3.4. Zusammenfassung 4. Aufbau eines analytisch-physikalischen Wirkkettenverständnisses zwischen Gesamtfahrzeug- und Subsystemverhalten 4.1. Ableitung von Einfachmodellen zur Beschreibung der analytischen Wirkzusammenhänge 4.1.1. Einfachmodell zur Beschreibung der querdynamischen Wirkzusammenhänge 4.1.2. Einfachmodell zur Beschreibung der längs- und vertikaldynamischen Wirkzusammenhänge 4.2. Validierung der Einfachmodelle 4.2.1. Validierung des Einfachmodells zur Beschreibung der Querdynamik 4.2.2. Validierung des Einfachmodells zur Beschreibung der Längs- und Vertikaldynamik 4.3. Zusammenfassung 5. Entwicklung einer Achsauslegungsmethode für die Konzeptphase der Fahrwerkentwicklung 5.1. Strukturierung des Auslegungsprozesses 5.1.1. Definition und Herleitung der effektiven Achscharakteristika 5.1.2. Aufbau und Eigenschaften der effektiven Achscharakteristika 5.2. Detaillierung der Auslegungsmethode 5.2.1. Definition der objektiven Gesamtfahrzeugeigenschaften 5.2.2. Auslegung in Schritt 1 5.2.3. Auslegung in Schritt 2 5.2.4. Umsetzbarkeit der abgeleiteten Subsystemeigenschaften 5.3. Erweiterung und Automatisierung der Auslegungsmethode 5.3.1. Grundprinzip des Solution-Space-Algorithmus 5.3.2. Anpassung und Integration des Solution-Space-Algorithmus in die Achsauslegungsmethode 5.4. Zusammenfassung 6. Untersuchung und Evaluation der Achsauslegungsmethode anhand einer Beispielauslegung 6.1. Zielwertdefinition auf Basis einer Wettbewerbsanalyse 6.1.1. Längsdynamik 6.1.2. Querdynamik 6.1.3. Vertikaldynamik 6.1.4. Zusammenfassung der Zielanforderungen 6.2. Beispielauslegung auf Basis der manuellen Achsauslegungsmethode 6.2.1. Auslegung in Schritt 1 6.2.2. Auslegung in Schritt 2 6.2.3. Ergebnis der Auslegung, Umsetzbarkeit und Zielerreichung 6.3. Beispielauslegung auf Basis der erweiterten automatisierten Achsauslegungsmethode 6.3.1. Auslegung in Schritt 1 6.3.2. Auslegung in Schritt 2 6.4. Vergleich zu bisherigen Methoden 6.5. Zusammenfassung 7. Zusammenfassung und Handlungsempfehlung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A.1. Konzepteigenschaften des Beispielfahrzeugs A.2. Kinematische Achseigenschaften des Beispielfahrzeugs A.3. Elastokinematische Achseigenschaften des Beispielfahrzeugs A.3.1. Einfluss der Längskraft auf die Radstellung A.3.2. Einfluss des Spinmoments auf die Radstellung A.3.3. Einfluss der Seitenkraft und des Sturzmoments auf die Radstellung A.3.4. Einfluss des Rückstellmoments auf die Radstellung A.3.5. Einfluss der Vertikalkraft auf die Radstellung A.4. Erstellung eines Allgemeinmodells zur Beschreibung des Fahrverhaltens A.5. Herleitung der verwendeten Simulationsmodelle A.5.1. Einfachmodell zur Beschreibung der Querdynamik A.5.2. Einfachmodell zur Beschreibung der Längs- und Vertikaldynamik A.6. Ableitung der Übersetzungen und Nachgiebigkeiten A.7. Vergleich des Fahrzeugverhaltens vor und nach der Auslegung mithilfe der entwickelten Auslegungsmethod