Seminaraufgabe SoSe 2021: Einspurmodell Gruppe G

Autoren: Jan Henrik Steltenkamp, Marcel Lawniczak

Einleitung

In dem Fach Systems Design Engineering (SDE) des Masterstudiengangs Business and Systems Engineering (BSE) wird das methodische Vorgehen bei der Entwicklung komplexerer technischer Systeme anhand der Erarbeitung eines Einspurmodells vermittelt. Das Vorgehen soll anhand des V-Modells ablaufen und so soll ein Fahrzeugmodell von dem ersten Entwurf bis zum lauffähigen Zustand entwickelt werden. Dieses Modell wird mit MATLAB Simulink realisiert.

Die detaillierte Aufgabenstellung finden Sie hier: [1]

Inhalt

In diesem Artikel wird die Herangehensweise, die Umsetzung und das Ergebnis der Erstellung des Einspurmodells beschrieben.

Grundlagen

Das Einspurmodell dient zur Bestimmung vieler Größen bei einer Kurvenfahrt eines Fahrzeugs bei geringen Lenkwinkeln.

Mit dem Einspurmodell wird das querdynamische Fahrverhalten eines Fahrzeugs bei Kurvenfahrt beschrieben. Hiermit können Fahrmanöver mit kleinen Lenkwinkeln ( <2°) realitätsnah beschrieben werden. Dabei wird von der Vereinfachung ausgegangen, dass der Fahrzeugschwerpunkt auf Höhe der Fahrbahn liegt. Außerdem wird angenommen, dass sich pro Fahrzeugachse nur ein Reifen in der Mitte der Achse befindet. Bei Geradeausfahrt führt dies zu der namensgebenden „einen Spur“ des Fahrzeugs. Das Einspurmodell ermöglicht so diverse Fahrmanöver zu simulieren und auszuwerten.

Quelle: [2]

Anforderungsdefinition

In der Anforderungsdefinition werden die Anforderungen für das zu entwickelnde Einspurmodell festgelegt.

Die Anforderungsdefinition stellt den ersten Schritt in dem Entwicklungsprozess nach V-Modell dar. Dabei werden grundlegende Anforderungen an das zu entwickelnde Einspurmodell festgelegt. Diese Anforderungen werden anschließend strukturiert in ein Lastenheft eingetragen, welches die Grundlage für spätere Entwicklungsschritte darstellt.

Das Lastenheft finden sie hier: [3]

funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systemplan zeigt den groben Aufbau des linearen Einspurmodells anhand der festgelegten Anforderungen aus dem Lastenheft.

Der funktionale Systemplan zeigt den groben Aufbau des linearen Einspurmodells anhand der festgelegten Anforderungen aus dem Lastenheft. Dieser wurde zu Beginn des Kurses vorgegeben. Der Systemplan wurde zusätzlich noch einmal auf das erstelle Simulink Modell angepasst.

Den funktionalen Systemplan finden sie hier: [4]

technischer Systementwurf

Der technische Systemplan zeigt eine detaillierte Darstellung des Einspurmodells auf Grundlage des Lastenhefts. Allein die Berechnung innerhalb der einzelnen Komponenten sind noch nicht einbezogen.

Der technische Systementwurf baut unmittelbar auf den funktionalen Systementwurf auf. Dabei wird in dem technischen Systemplan eine detaillierte Darstellung des Einspurmodells auf Grundlage des Lastenhefts modelliert. Die eigentliche Berechnung der einzelnen Kennwerte findet in dem technischen Systemplan jedoch noch nicht statt. Die Anordnung der Module , sowie der Komponenten, welche sich innerhalb der Module befinden, ist in diesem Systemplan enthalten. Außerdem werden Ein- und Ausgänge der Komponenten und der Module Berücksichtigt.

Den technischen Systemplan finden sie hier: [5]

Komponentenspezifikation

In der Komponentenspezifikation werden die Formeln für die Berechnungen innerhalb der Komponenten sowie die Eingänge und Ausgänge jeder Komponente aufgelistet. Wichtig ist hierbei der Abgleich mit dem Lastenheft, damit keine Anforderungen im Model unbearbeitet bleiben. Die Formeln für die Berechnung der Komponenten haben wir aus [6] entnommen.

In der Komponentenspezifikation werden die Formeln für die Berechnungen innerhalb der Komponenten sowie die Eingänge und Ausgänge jeder Komponente aufgelistet. Wichtig ist hierbei der Abgleich mit dem Lastenheft, damit keine Anforderungen im Model unbearbeitet bleibt. Um die Komponentenspezifikation zu erstellen, werden die benötigten Formeln aus den Grundlagen der Fahrzeugdynamik so umgestellt und angewendet, dass die für das Einspurmodell benötigten Kenngrößen errechnet werden können.

Die Komponentenspezifikation finden sie hier: [7]

Fahrzeugmodell

Nachdem in der Komponentenspezifikation die Eingänge, Ausgänge und Formeln für die Komponenten des Models festgelegt sind, wird der technische Systementwurf um die Berechnungen innerhalb der Komponenten erweitert und bildet so das geforderte Fahrzeugmodell.

Das funktionsfähige Fahrzeugmodell finden sie hier: [8]

Aus dem Modell sind die Übersicht und das Modul "Modell" als Beispiel dargestellt.

Abb. 1: Übersicht Fahrzeugmodell

Abb. 2: Modulübersicht "Modell"

Mit dem gezeigten Modell wird die folgende Antwort simuliert bei einer sprunghaften Lenkwinkeländerung auf 2°.

Abb. 3: graphische Darstellung der Simulation zu einer sprunghaften Lenkwinkeländerung auf 2°

Zusammenfassung

Das vorgestellte Modell kann die Fahrzeugfahrt für eine geradeaus Fahrt, für eine sprunghafte Lenkwinkeländerung und eine Fahrt bei sinusförmiger Lenkwinkeländerung simulieren. Da es sich hier um ein Einspurmodell handelt, können nur kleine Lenkwinkel simuliert werden. Die Anforderungen, welche im Lastenheft formuliert sind, sind erfüllt und die Meilensteine wurden eingehalten.

Ausblick

Was kann/muss noch verbessert werden?

Literaturverzeichnis

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