Development of a prediction method for the steering rack forces occurring during the 'parking maneuver' for the virtual steering design

Autor: Neumann, Dominic
Přispěvatelé: Schramm, Dieter (Akademische Betreuung), Schramm, Dieter
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Popis: In dieser Arbeit wird eine Methode zur Prognose der resultierenden Zahnstangenkräfte für das Manöver „Parkieren im Stand“ entwickelt. Die bei diesem Manöver auftretenden Kräfte bestimmen die Wahl des Lenkkonzepts, die mechanische Dimensionierung der Zahnstange sowie die Auslegung des Power Packs. Dazu müssen bereits in der frühen Entwicklungsphase exakte, virtuelle Prognosen der auftretenden Zahnstangenkraft erstellt werden. Mit Hilfe von Fahrzeug-, Achskomponenten- und Reifenmessungen werden die Wirkzusammenhänge beim Manöver „Parkieren im Stand“ mit verschiedenen Einflüssen aufgezeigt. Dazu zählen die Untersuchung des Einflusses der Radlast, des Reifenfülldrucks, des Achskonzepts, der Achskomponenten, der Reifenart und -dimension sowie der der Bodendruckverteilung. Durch die Industrialisierung eines Reifenprüfstands mit einer neuen Messprozedur wird die Messstreuung von Reifenmessungen von ± 18 % auf ± 3 % reduziert. Damit kann zuverlässig der Reifen aus einem Portfolio identifiziert werden, welcher die höchsten Zahnstangenkräfte im Fahrzeug erzeugt. Mit einer Erweiterung der Prüfspezifikation zur Vermessung von Reifenkräften und -momenten mit radbezogenem Sturzwinkel sowie weiteren Messungen der Reifeneigenschaften, wird eine Korrelation zwischen Reifenverhalten und Zahnstangenkraft gezeigt. Bei Erkenntnisübertrag der Reproduzierbarkeitsuntersuchungen auf Gesamtfahrzeugebene lässt sich die Messstreuung von ± 8 % auf ± 1,5 % reduzieren. Die Arbeit umfasst zudem die virtuelle Nachbildung der Prüfstandssituationen. Mittels simulativer Analyse werden Modell-Optimierungspotentiale einzelner Komponenten quantifiziert. Durch eine parkierspezifische Parametrierung der Reifenmodelle, reproduzierbareren Bedatungsgrößen sowie Modellerweiterungen werden Verbesserungen der Modellgüten des FTires, des SupERRB Tires und des MF-Swifts erzielt. Ein Reifenmodellbenchmark gibt darüber Aufschluss, welches Reifenmodell sich am besten für eine Prognose eignet. Mit der Entwicklung eines dreidimensionalen Reibungselementes, wird Kugelgelenkreibung in die virtuellen Achsmodelle integriert, wodurch die Simulationsgüte weiter gesteigert wird. Durch die gewonnenen Erkenntnisse sowie Modellierungs- und Methodenverbesserungen, wird eine neue Methode illustriert, die eine Verbesserung der Prognose der Zahnstangenkraft gegenüber der bestehenden Methode aufweist. So wird die durchschnittliche Abweichung der Prognose von 10,5 % auf 3,1 % reduziert. Abschließend wird ein vereinfachtes, mathematisches Modell entwickelt, mit Hilfe dessen die Zahnstangenkraft, ohne komplexes MKS- und Reifenmodell, simuliert werden kann. Die Ergebnisse zeigen eine geringe Abweichung gegenüber Messungen auf.
In this work, a method is developed for predicting the resulting rack forces for the "static parking maneuver". The forces occurring during this maneuver determine the choice of the steering concept, the mechanical dimensioning of the steering rack, and the design of the power pack. For this purpose, an exact virtual forecast of the occurring rack force must be made in the early development phase. Using vehicle, axle component and tire measurements, the cause-effect relationships during the parking maneuver are shown with various influences. These include the investigation of the influence of wheel load, tire inflation pressure, axle concept, axle components, tire type and dimension and ground pressure distribution. The industrialization of a tire test rig with a new measurement procedure reduces the scatter of tire measurements from ± 18% to ± 3%. This enables the reliable identification of the tire from a portfolio that generates the highest rack forces in the vehicle. With an extension of the test specification to measure tire forces and torques with wheel-related camber angle, as well as further measurements of tire properties, a correlation between tire behavior and rack force is demonstrated. With knowledge transfer of the reproducibility tests to the overall vehicle level, the measurement scatter can be reduced from ± 8 % to ± 1.5 %. The work also includes the virtual replication of the test bench situations. Using simulative analysis, model optimization potentials of individual components are quantified. Improvements in the model performance of the FTire, SupERRB Tire and MF-Swift are achieved through parking-specific parameterization of the tire models, more reproducible parameterization input variables and model extensions. A tire model benchmark provides information which tire model is best suited for a prediction of the steering rack forces during parking. With the development of a three-dimensional friction element, ball joint friction is integrated into the virtual axle models, further increasing the simulation quality. Based on the knowledge gained, as well as modeling and method improvements, a new method is illustrated that shows an improvement in the prediction of the steering rack force compared to the existing method. Thus, the average forecast deviation is reduced from 10.5 % to 3.1 %. Finally, a simplified mathematical model is developed that can be used to simulate the steering rack force, without a complex MBS and tire model. The results show a small deviation compared to measurements.
Databáze: OpenAIRE
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