Investigation of off-highway drivetrain dynamic response to various ground conditions with detailed tire modeling methods

• Untersuchung des dynamischen Verhaltens eines Off-Highway-Antriebsstrangs unter verschiedenen Bodenbedingungen mithilfe detaillierter Methoden der Reifenmodellierung

Yang, Jianing; Jacobs, Georg (Thesis advisor); Corves, Burkhard (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Off-Highway-Fahrzeuge fahren auf rauem Boden, was zu unerwünschten dynamischen Schwingungen im Antriebsstrang führt. Diese dynamischen Schwingungen können den Fahrkomfort beeinträchtigen, die Effizienz des Antriebsstrangs reduzieren und die Zuverlässigkeit der Antriebsstrangkomponenten verringern. Daher ist es wichtig, die Eigenschaften der dynamischen Schwingungen des Off-Highway-Antriebsstrangs zu erkennen, die durch die externe Anregung (d. h. durch Reifen-Boden-Interaktion) verursacht werden. Zu diesem Zweck ist insbesondere ein umfassendes Verständnis der Reifendynamik erforderlich, da der Reifen das einzige Bauteil zwischen Fahrzeug und Boden ist. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Bodenbedingungen—Low-µ-Boden und Bodenunebenheiten—auf die Dynamik des Off-Highway-Antriebsstrangs zu untersuchen. Diese Untersuchung wird hauptsächlich mithilfe von Simulationstechniken durchgeführt. Daher wird eine geeignete Modellierungsmethode benötigt; sie bestimmt das untergeordnete Ziel dieser Arbeit, nämlich ein geeignetes Reifen-Modell zu erstellen, das die notwendigen Eigenschaften des Off-Highway-Reifens abbildet. Um das Schwingungsverhalten des Antriebsstrangs zu untersuchen, das durch die Reifen-Boden-Interaktion verursacht wird, wird ein Modell des gesamten Fahrzeugs erstellt. Dieses Gesamtes-Fahrzeug-Modell besteht aus drei Teilen: aus dem Torsionsantriebsstrang-Modell, dem Fahrzeugkarosserie-Modell und dem Reifen-Modell. Das Torsionsantriebsstrang-Modell kann Antriebsstrangschwingungen mittlerer bis niedriger Frequenz nachbilden. Das Fahrzeugkarosserie-Modell kann Starrkörperbewegungen in Längs-, Vertikal- und Drehrichtung abbilden. Das Reifen-Modell hat zwei Hauptfunktionen: 1) als dynamische Kopplungskomponente zwischen dem Torsionsantriebsstrang-Modell und dem Fahrzeugkarosserie-Modell zu wirken; 2) die Anregung, die durch die Reifen-Boden-Interaktion verursacht wird, korrekt zu simulieren. Bei der Modellierung des Reifens wird das Konzept des Starr-Ring-Modells verwendet. Außerdem wird eine Methode zum Bestimmen der erforderlichen Eigenschaften des Off-Highway-Reifens vorgeschlagen. Diese benötigten Reifeneigenschaften sind unter anderem die Modalinformationen, die vertikale Steifigkeit, die Umhüllungseigenschaft und das Reifenschlupfverhalten. Daher werden drei andere Modellierung eines Reifens mit unterschiedlichen Funktionen verwendet. Die dabei erhaltenen Reifeninformationen werden zur Parametrisierung des Starr-Ring-Modells verwendet, das im Modell des gesamten Fahrzeugs verwendet wird. Durch Simulationen mit dem Modell des gesamten Fahrzeugs werden die Auswirkungen typischer Bodenanregungen auf den Antriebsstrang untersucht. Wenn das Fahrzeug über einen Low-µ-Boden fährt, erzeugt der Reifen möglicherweise keine ausreichende Zugkraft mehr und beginnt zu rutschen. Dieses Gleiten zwischen Reifen und Boden verändert die Begrenzungen des Antriebsstrangs, so dass sich die Eigenform des Antriebsstrangs verändert. Nach der Rückkehr des Reifens auf den High-µ-Boden tritt eine plötzliche Änderung der Zugkraft auf, was zu einer Stoßbelastung im Antriebsstrang führt. Wenn das Fahrzeug über unebenen Boden fährt, wirkt der Reifen als Polster zwischen Fahrzeug und Boden. Die resultierende variierende Reifenlast ist die eigentliche Ursache für Veränderungen der Reifenzugkraft. Im Ergebnis erfolgt eine Drehmomentschwingung im Antriebsstrang. In dieser Drehmomentschwingung sind die Schwingungsfrequenzen der vertikalen Fahrzeugbewegungen enthalten.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung [411710]