Auf der Suche nach dem perfekten Fahrwerk

Das Interesse an Steer-by-Wire-Systemen, also Lenkungen ohne mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe, hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Die Vorteile dieser Technik eröffnen neue Freiheiten bei Fahrdynamik, Innenraum- und Frontend-Design sowie hochautomatisierten Assistenzfunktionen. ZF nutzt diese Systeme für das softwaredefinierte Fahrzeug – Fahrleistung, Komfort, Qualität und Konnektivität werden erhöht.

Die vertikale Fahrzeugdynamik spielt eine entscheidende Rolle für die Fahrsicherheit und den Komfort moderner Pkw. Bei der gleichzeitigen Optimierung beider Ziele entsteht ein Interessenkonflikt. In diesem Artikel von IAV, der TU Darmstadt und Industrial Science werden zwei Komponenten vorgestellt, der sogenannte Fluid Dynamic Vibration Absorber und der Active Air Spring Damper, mit denen dieser Konflikt überwunden werden kann. Darüber hinaus ist ein digitaler Zwilling dieser Komponenten in eine Gesamtfahrzeugsimulation integriert. Die resultierende Co-Simulation ermöglicht die Bewertung in verschiedenen virtuellen Szenarien.

Daten zur Beschreibung der Funktion von Komponenten sind die Grundlage einer jeden Fahrzeugentwicklung. Funktionsdaten definieren Anforderungen an neue Komponenten und sind Voraussetzung des modellbasierten Systems Engineering. Karakun beschreibt den Effizienzgewinn anhand eines Anwendungsbeispiels des integrierten Funktionsdatenmanagements unter Einbeziehung des FDX-Standards (Functional Data eXchange).

Die Reifenentwicklung basiert maßgeblich auf dem Urteil geschulter Subjektivbewerter. Continental und die Universität Hannover haben eine Objektivierungsmethodik mit Audiokommentarfunktion zur Gleichmäßigkeit des Seitenkraftaufbaus bei Pkw entwickelt, die im Fahrversuch Bezüge zwischen empfundenen und gemessenen Fahrzeugbewegungen sichtbar macht und so subjektive Fahreindrücke entmystifiziert.

Die Realisierung eines hohen Geräuschkomforts basiert auf einer umfassenden Kenntnis der Wirkketten und der Verfügbarkeit eines umfangreichen Methodenbaukastens zur Noise-Vibration-Harshness(NVH)-gerechten Entwicklung für Fahrwerksysteme. Das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) zeigt, wie durch die Integration eines holistischen Ansatzes in den Gesamtprozess der Fahrzeugentwicklung Kosten reduziert und die Kundenzufriedenheit durch optimierte NVH-Eigenschaften gesteigert werden können.

Selbstfahrende Fahrzeuge benötigen ein hohes Maß an Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit der automatisierten Fahrfunktion. Dies gilt für die gesamte Wirkkette, beginnend beim System zur Umfeldwahrnehmung bis hin zu den Fahrwerkskomponenten, die Längs- und Querführungsvorgaben sicher und akkurat umsetzen müssen. IAV stellt in diesem Beitrag wesentliche Aspekte zur Entwicklung der Fahrwerksfunktionen aus Sicht der funktionalen Sicherheit vor und zeigt die Ergebnisse aus dem Einsatz eines Fahrerübernahmekonzepts im Versuchsbetrieb des autonomen Shuttles HEAT.

Die Brake-by-Wire-Technik wurde schon lange diskutiert und immer wieder angekündigt. Im Markt ist sie bis heute nicht. ATZextra sprach am Rande der Internationalen Münchener Fahrwerkskonferenz chassis.tech plus mit Alexander Gaedke, Programmleiter Integrated Power Brake in der Plattformentwicklung im Bereich Chassis Systems Control bei Bosch, über Marktchancen und technische Voraussetzungen dieser gerade für das automatisierte Fahren wichtigen Technik.

Mit der Adaption von Reibwerten in der Fahrdynamikregelung können beim assistierten und automatisierten Fahren Kollisionen und das Abkommen von der Fahrbahn besser verhindert werden. Im FAT-Vorhaben "Anforderungen an die Güte, Verfügbarkeit und Vorausschau einer Reibwertschätzung aus Funktionssicht" (FAT-Schriftenreihe 355) wurde an der Technischen Universität Braunschweig bei ausgewählten Fahrfunktionen untersucht, in welcher Genauigkeit und mit welcher Vorausschau der Fahrbahnzustand und der Fahrbahnreibwert bekannt sein müssen.

Der überwiegende Anteil am Feinstaub aus dem Verkehr wird mittlerweile von Reifen, Straßenbelägen und Bremsen verursacht. Der veröffentlichte Entwurf einer technischen UN-Richtlinie zur Messung des Bremsabriebs bildet die Basis für die zukünftige Limitierung. AVL konnte durch umfassende Optimierung der gesamten Messkette ein System darstellen, das in der Lage ist, wiederholbare und vergleichbare Messergebnisse zu liefern. Zusätzliche Funktionen dieser Prüfumgebung erlauben, auch das Restpotenzial für Bremsemissionen von elektrifizierten Antriebssträngen aufzuzeigen.

Jede Fahrwerksentwicklung muss sich dem Zielkonflikt zwischen Fahrkomfort und Fahrsicherheit stellen. Ersterer hängt wesentlich von den Bewegungen des Fahrzeugaufbaus ab, Letztere von den dynamischen Radlasten. Ford zeigt, wie sich dieser Zielkonflikt durch die Entwicklung aktiver Komponenten situationsabhängig auflösen lässt. Dabei kommt es nicht nur auf performante Aktuatoren an, sondern ebenso auf das präzise und unmittelbare Erkennen der Situation.

Ein sekundärer Antrieb nimmt positiven Einfluss auf sämtliche Fahrbarkeitseigenschaften, weil er den Primärantrieb über eine zweite angetriebene Achse unterstützt. Der Fahrer erlebt gesteigerte Traktion und besseres Handling. In Elektro-Pkw kommt dafür neben der Asynchronmaschine (ASM) auch eine permanentmagneterregte Synchronmaschine (PSM) in Betracht. Magna Powertrain untersucht Schleppverluste, Reaktionszeiten und Kosten dieser zwei Lösungen.

Das Testen von Software steht in einem Zielkonflikt zwischen Effizienz und Effektivität, der sich durch neue technische und gesetzliche Anforderungen immer weiter zuspitzt. Im Rahmen einer gemeinsamen Forschungsarbeit untersuchen Cariad und die Universität Duisburg-Essen, wie sich die Randbedingungen verändern und welche Auswirkungen diese Anpassungen auf Softwaretests für Fahrwerksysteme haben.

Aktive und semi-aktive Systeme bieten die Möglichkeit, die in den vorhergehenden Kapiteln diskutierten Zielkonflikte zu minimieren und den Einsatzbereich eines Fahrzeugs zu erweitern. Unterschiedliche Abstimmungen können so realisiert werden, dass ein Fahrzeug auf "Knopfdruck" z. B. sportlicher oder komfortabler geschaltet werden kann. Insbesondere können sie das Fahrzeug in kritischen Fahrmanövern stabilisieren und insgesamt die längs- und querdynamischen Fahrzeugeigenschaften verbessern.

Fahrwerkslager sind ein signifikantes Stellelement für den NVH-Komfort im Fahrzeug und stehen daher im Zentrum der Chassis-Optimierung. Aufgrund der überlagerten Anregung des elektrischen Antriebs sind bei elektrischen Achssystemen valide Simulationsmodelle der Lager im hochfrequenten Bereich erforderlich. Für ihre messtechnische Auslegung und Validierung auf Systemebene hat das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen zusammen mit Ford einen speziellen Fahrwerksprüfstand entwickelt, mit dem überlagerte Lastfälle realisiert werden können.

Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs stellt auch die Ingenieure in der Fahrwerkentwicklung vor neue Herausforderungen. Für Anbieter von Sportwagen gilt dies in besonderem Maße, da sie teils widerstrebende Parameter unter einen Hut bringen müssen. Dr. Ingo Albers, Leiter Hauptabteilung Fahrwerk- und Fahrerassistenz bei Porsche, spricht im ATZ-Interview über die Strategie des Unternehmens.

Virtuelle Prototypen von Fahrzeugen werden bei Opel immer gefragter und finden neue Anwendungen. Um den Entwicklungsprozess zu optimieren, wurden die Parametrierungs- und Validierungsprozesse industrialisiert. Wie die Eigenschaften des Fahrwerks hinsichtlich Kinematik und Elastokinematik hochpräzise in den kennfeldbasierten Modellen abgebildet werden, stellen Opel und IPG Automotive hier vor.

Die aktive mechatronische Wankstabilisierung ist ein Beispiel aus der täglichen Praxis für die Fahrwerksentwicklungsarbeit der Akustikoptimierung im Hause Schaeffler. Eine NVH-Analyse sorgt dafür, dass die Anforderungen für eine geräuschsensible Umgebung erfüllt werden.

Das Fahrwerk spielt eine ungebrochen zentrale Rolle für die Zukunft des Automobils. Endkunden wollen ein dynamisches Fahrerlebnis, ohne auf Sicherheit zu verzichten. Gleichzeitig generieren automatisierte Funktionen gesteigerte Komfortansprüche, die Automobilhersteller und -zulieferer bedienen müssen. Diese unterschiedlichen Aufgaben können einzelne Komponenten nicht mehr allein erfüllen. ZF setzt deshalb darauf, das Zusammenspiel von Fahrwerksystemen zu optimieren.

Dieses Kapitel soll die Grundlagen für den weiteren Verlauf der Arbeit darstellen. Zu Beginn wird die Wirkkette von aktiven Fahrwerksystemen mit den zugehörigen Begrifflichkeiten erläutert. Es wird auf die allgemeine Fahrdynamik und deren objektive Beschreibung, eine Auswahl relevanter Technologien von Fahrwerkregelsystemen, die Modellbildung mechatronischer Systeme und die numerischen Sensitivitätsanalyse eingegangen.

Automatisierte Fahrfunktionen können die Längs- und Querführung des Fahrzeugs übernehmen. Bei der Verantwortungsübergabe zwischen automatisiertem und manuellem Fahren spielt das Lenksystem eine Hauptrolle. Der japanische Zulieferer Jtekt hat eine Handzustandserkennung entwickelt, die auf der Schätzung des Handmoments basiert, sowie eine Funktion zur nahtlosen Verantwortungsübergabe. Beide verwenden ausschließlich Sensoren des Lenkgetriebes.

Der Wandel der Automobilindustrie hin zur Elektromobilität stellt die Entwicklung moderner Fahrwerke vor komplexe Aufgabenstellungen. Nicht nur die Integration elektrischer Hochvoltantriebe, sondern auch deren Industrialisierung in bestehende Fertigungsstrukturen sollten zentral thematisiert werden.

In diesem Kapitel werden die Zukunftstrends für die Fahrwerksysteme zusammengefasst. Der Schwerpunkt liegt dabei bei der Umweltverschmutzung durch Abgase, bei der Elektrifizierung (Hybrid- und E-Fahrzeuge), bei den Fahrerassistentsystemen, vorausschauenden und intelligenten Fahrwerken und beim autonomen Fahren.