Echtzeitfähiges Mehrkörpersimulationsmodell einer PKW-Synchronisierung

Im Buch wird die spezielle Modellbildung mechanischer Systeme, die in Echtzeit simuliert werden können am Beispiel einer PKW-Doppelkegelsynchronisierung beschrieben. Das echtzeitfähige Synchronisierungs-modell ermöglicht eine physikalische Beschreibung der Schaltvorgänge in Fahrsimulationen. Des Weiteren eröffnet es die Möglichkeit das Schaltgefühl an einem Schaltdemonstrator-Prüfstand erprobbar zu machen, da es die Schaltkraft in Echtzeit als direkte Reaktion auf die Aktion am Schalthebel bereitstellen kann.

Simulationen mit der Methode der Mehrkörpersysteme und der Finite Elemente Methode sind Standard in der Entwicklung. Die Modelle hierfür sind aufgrund der komplexen Bauteilgeometrien und zahlreichen Kontakte umfangreich, was lange Berechnungszeiten zur Folge hat. Das im Buch beschriebene Mehrkörpermodell grenzt sich von diesen Simulationen ab, weil es in Echtzeit berechnet werden kann.

Die Erstellung echtzeitfähiger Simulationsmodelle ist eine anspruchsvolle Ingenieursaufgabe. Echtzeitfähige Modelle müssen das Systemverhalten in kürzerer Zeit rechnen als es in der Realität an Zeit benötigt und ausnahmslos stabil laufen. Dies erfordert Modelle, die das technische System so detailliert wie nötig abbilden und dennoch so wenig wie möglich Rechenzeit erfordern.

Die Komponentenerprobung erlangt einen immer höheren Stellenwert im Entwicklungsprozess um die Entwicklungszeiten zu verkürzen. Hierbei werden die Komponenten oft unter Echtzeitbedingungen an „Hardware in the Loop“-Prüfstanden (HiL) erprobt. Aufgrund der Echtzeitfähigkeit kann das Modell an HiL-Prüfständen eingesetzt werden.

Das echtzeitfähige Synchronisierungsmodell wird mit der Methode der starren Mehrkörpersysteme in Kombination mit einer Mehrskalensimulation aufgebaut. Die Methode der Mehrkörpersysteme eignet sich zur Beschreibung technischer Systeme, die große Bewegungen ausführen. Die Mehrskalensimulation mit der Finite Elemente Methode eignet sich zur Analyse der Kontaktvorgänge. Zahlreiche Stöße beim Schaltvorgang in der Synchronisierung sind hoch belastet. Eine Übertragung der Finite Elemente Ergebnisse hoch belasteter Stöße von elastischen Körpern in die Stoßberechnung im starren Mehrkörpersystem kann nicht mit der Stoßzahl erfolgen, da die klassischen Stoßtheorien für den unbelasteten Stoß gelten. Aus diesem Grund wird im Buch ein Kollisionskoeffizient vorgeschlagen, der die Energieverluste beim belasteten Stoß zusammenfasst.

Im Buch werden gezielte Anpassungen bestehender Verfahren zur Penetrationserkennung für die Anwendung bei einer Synchronisierung vorgestellt. Die benötigte Rechenzeit des Synchronisierungsmodells lässt sich so deutlich verkürzen. Da die Penetrationserkennung im Synchronisierungsmodell den größten Teil der Rechenzeit in Anspruch nimmt, sind die Anpassungen entscheidend für das Erreichen der Echtzeitfähigkeit.

Das Modell muss mit der Zeitschrittweite des HiL-Prüfstands realitätsnahe Ergebnisse liefern. Durch analytische Untersuchungen werden die Anforderungen der Synchronisierung an die erforderliche Zeitschrittweite ermittelt. Zur Problemlösung wird im echtzeitfähigen Synchronisierungsmodell ein Multirate Verfahren angewendet. Es werden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit des Synchronisierungsmodells vorgestellt. Unter anderem wird ein komplexes Modell der Vorsynchronisierung mit nichtlinearer Kontur gezeigt und ein Reibungskoeffizienten-Modell für kegelige Carbon-Reibbeläge vorgeschlagen.

Die Ergebnisse des Synchronisierungsmodells werden durch einen Vergleich mit Messaufzeichnungen von Prüfstandsversuchen verifiziert. Der Nachweis der Echtzeitfähigkeit wird durch Anwendung des echtzeitfähigen Synchronisierungsmodells am HiL-Prüfstand bei der Erprobung eines Getriebesteuergeräts erbracht.