Simulation zur Vorhersage von Kraftstoffverbrauch, Fahrleistung und Lebensdauer

Überblick

winEVA (Edv-Programme zur Verbrauchs-und FahrleistungsAnalyse) ist ein Programmpaket zur Antriebsstrangsimulation für Rechner unter dem Betriebssystem Windows. Es kann mit Programmen zur Messwerterfassung - z.B. winADAM (Automatisierte DAtenerfassung im Mobilen Einsatz) - und Lebensdauerberechnung - z.B. winLIFE (Lebensdauer-Information durch Finite Elemente) - gekoppelt werden. Sehr unterschiedliche Fahrzeugtypen (Pkw, Lkw und Sonderfahrzeuge) können auf unterschiedlichen Fahrbahnen (Straße, Gelände) simuliert werden. Neben der reinen Computersimulation wird winEVA

  • zur Echtzeitsteuerung dynamischer Prüfstände
  • als Fahrsimulator

eingesetzt. 

Das Fahrzeugmodell

Das Fahrzeugmodell ist blockorientiert aufgebaut (siehe Abbildung), wie es heute üblich und auch in vielen Softwareprodukten realisiert ist.

Blockorientierte Struktur des Antriebsstrangs am Beispiel eines allradgetriebenen Fahrzeuges

 

Das System wurde bisher für Fahrzeuge mit folgenden Antriebsarten eingesetzt:

  • Stufengetriebe mit bis zu 20 Gängen (manuell geschaltet oder automatisiert),
  • Automatikgetriebe,
  • Serienhybrid, Parallelhybrid
  • Oberleitungsantrieb (O-Bus),
  • Elektroantrieb,
  • Stufenlose Getriebe (elektrisch, hydrostatisch)

Darüber hinaus können nahezu beliebige Antriebsstrangkonfigurationen modelliert werden.

Umwelt und Verkehr

Die Einbeziehung der Umgebung (Topgraphie, Krümmung, Sichtweite)  ist ein entscheidender Parameter für realistische Simulationen  (siehe Abbildung).

Fahrzeug und Fahrstrecke im Modell

 

Auch die Randbedingungen und Behinderungen durch Verkehrsregeln und den Verkehr selbst spielen eine wichtige Rolle. Die folgende Abbildung zeigt, welche Ereignisse erfasst werden und als Daten in die Simulation einfließen.

 

Ereignisse, die bei Fahrzeugmessungen (winADAM) erfaßt und in Simulationsrandbedingungen umgesetzt werden

 

Die automatische Generierung einer Simulationsstrecke aus Messdaten (winADAM) wird bei langen Strecken von vielen Kunden wegen des sonst hohen Eingabeaufwandes gerne genutzt.

Fahrerverhalten

Das Verhalten des Fahrers kann je nach Anforderung unterschiedlich abgebildet werden:

  • Nachfahren eines gemessenen Geschwindigkeitsverlaufs
  • Eigenständige Geschwindigkeitswahl an Hand der gemessenen Umweltdaten

Die Gangwahl des Fahrers bei manuellen Getrieben ist auch für Lkw bis 18 Gängen realisiert.

Die Aktionen des Fahrers werden durch Motivationsfaktoren beeinflusst, die personenbezogen und ereignisbezogen sind. Das Fahrerverhalten wird auch dadurch beeinflusst, ob ein Ereignis vorhersehbar ist oder nicht. Das Bild zeigt einen Fahrer mit sehr unterschiedlich motorisierten Fahrzeugen auf der selben Strecke mit einem identischen Fahrer. Es zeigt sich, dass sich das Fahrermodell sehr realistisch an das Fahrzeug anpasst.

Verlauf der simulierten Geschwindigkeit bei verschiedenen Fahrzeugarten

Prüfstandssteuerung

Durch den Einsatz von winEVA zur Steuerung von Antriebsstrangprüfstanden können gemessene Fahrzyklen realitätsnah und mit geringem Aufwand nachgefahren werden. winEVA gibt dazu die Fahrpedalstellung, die Bremspedalstellung und die Drehzahlen bzw. Momente an den Elektromotoren des Prüfstands vor. Bei einem großen Automobilhersteller konnte nachgewiesen werden, dass mit dieser Prüfstandssteuerung wesentlich realistischere Ergebnisse für die Beanspruchung erzielt werden als mit herkömmlichen Prüfstandssteuerungen. Die Abbildung zeigt das Prinzip an einem Getriebeprüfstand, der die mit winADAM gemessenen Verläufe in guter Annäherung nachfährt.

schematische Darstellung des Datenflusses bei der Prüfstandssimulation

Lösungsverfahren

Ausgehend von den Bewegungsgleichungen des Fahrzeugs werden alle wesentlichen Größen innerhalb des Antriebsstrangs berechnet. Optional können drehelastische Komponenten, Massenträgheiten und die reale Drehanregung des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden, was für die Analyse von Drehschwingungen notwendig ist.

Wichtig für realitätsnahe Simulationen ist auch das in Versuchen verifizierte Fahrermodell, das die Vorgabe eines Wunschgeschwindigkeitsverlaufs erlaubt, der für eine große Zahl von Fahrzeugen Gültigkeit hat. Darüber hinaus kann ein gemessener Geschwindigkeitsverlauf - unter Berücksichtigung physikalischer Grenzen - exakt nachgefahren werden.

Fahrer und Fahrzeugmodell greifen auf die Daten der Simulationsstrecke zu, die durch einen Geschwindigkeitsverlauf, Topographie, Reibwert, Rollwiderstandsbeiwert, Krümmung und Sichtweite für jedes einzelne Streckenintervall definiert ist. Die Länge der einzelnen Streckenabschnitte kann je nach Aufgabenstellung zwischen wenigen Zentimetern und mehreren hundert Metern betragen.

Die Komponenten eines Fahrzeuges müssen sehr genau beschrieben werden, was umfangreiche Daten erfordert. Bei analytisch bekannten Zusammenhängen werden die Gleichungen direkt verwendet (Luftwiderstand, hydrodynamische Zusammenhänge, etc.), bei Bauteilen, deren Eigenschaften nur durch Kennfelder dargestellt werden können (Verbrauchskennfeld des Motors, Wirkungsgradkennfelder der mechanischen Teile des Getriebes, etc.), werden diese Zusammenhänge in Form von Matrizen beschrieben.

Validierung

Der Vergleich von Fahrversuchen mit Simulationsergebnissen wurde von einem Kunden durchgeführt und veröffentlicht. Die Abbildung zeigt die Ergebnisse eines Fahrversuchs auf dem Nürburgring für verschiedene Variablen des Antriebsstrangs auf Basis von Messungen und Berechnungen.

Ergebnisse aus Fahrversuchen am Nürburgring im Vergleich mit Simulationsergebnissen

Grafische Oberfläche

Schnittstellen und Ergebnisdarstellungen

Stationäre Kenngrößen

Die Charakterisierung des Fahrzeugs durch die folgenden quasistationären und stationären Kenngrößen hilft bei der Beurteilung des Fahrzeugs und auch bei der Fehlersuche in den Eingabedaten.

Zugkraft- Drehzahl- und Wirkungsgraddiagramm eines Stadtbusses mit Linien gleicher Steigung
Bremskraftdiagramm als Funktion der Fahrgeschwindigkeit
Beschleunigungsdiagramm (Weg, Beschleunigung, Geschwindigkeit) als Funktion der Zeit

Zeitreihendarstellung

simulierte Größen als Funktion der Zeit

Klassierungen

Drehmoment Umdreh.-Kollektiv (Zahnrad-oder Lager)
Häufigkeitsverteilung im Motorkennfeld
Überrollungskollektiv
Prozentuale Zeitanteile der Motordrehzahl

Messdatenübernahme aus winADAM

Es können Messdaten aus dem Messdaten-Erfassungssystem winADAM (Automatisierte DAtenerfassung im Mobilen Einsatz) übernommen und aufbereitet (Glättungsfunktionen, Filterung) werden. Sie stehen dann sofort für eine Simulation zur Verfügung. Die Datenstruktur (ASCII-Daten) ist dokumentiert, so dass der Anwender bei Bedarf eine eigene Schnittstellen zu eigenen Messsystemen schreiben kann.

Datenübergabe für Lebensdauerberechnungen

Eine Datenübertragung aus dem Programm winEVA nach winLIFE ist problemlos möglich. Dazu kann eine in der Simulation ermittelte Größe (z.B. Drehmoment, Kraft) nach winLIFE übertragen und anschließend eine Lebensdauerberechnung durchgeführt werden.

Fahrzyklen aus Verkehrsflusssimulation

Die Simulation des Verkehrsflusses ist in winEVA integriert. Auf Basis eines mikroskopischen Modells für Autobahnen können realistische Fahrzyklen generiert werden, die als Grundlage für eine Antriebsstrangsimulation dienen können. Auf diese Weise kann der Verkehrsfluss berücksichtigt werden.

Veröffentlichungen

[1] Willmerding, G.: Ein Simulationsmodell für den Autobahnverkehr, Teil 1. ATZ Heft 5 1992

[2] Willmerding, G.: Ein Simulationsmodell für den Antriebsstrang, Teil 2. ATZ Heft 6 1992

[3] Willmerding, G.: Jehlicka, E.: Verbrauch-suntersuchungen an Stadtbussen; Der Nahverkehr Heft 5 1986

[4] Willmerding, G.: A simulation system to study the working conditions of vehicles and to develop fuel efficient drivetrains. publication on the FISITA-congress 1992,  Inst. of mech. Eng. 1992

[5] Willmerding, G.: Ein Simulationsmodell für Kraftfahrzeuge im Verkehrsfluß, publication on ASIM-congress TU-Berlin 1993, Fortschritte in der Simulationstechnik, 8. Symposium 1993, Band 6, ISBN 3-528-06555-9

[6] Böhm, Jehlicka, Willmerding: research of a modern freight traffic-system by using computer simulation, publication for the FISITA-congress in Peking 1994

[7] Willmerding, G; Trübswasser, F; Häckh. .: A simulation system to predict fuel consumption and emissions considering the traffic flow. 5. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 1995. Tagungsband.

[8] Häckh, Willmerding, G.: Handbuch zum Computerprogramm winLIFE. 155 Seiten, Steinbeis-TZ-Verkehrstechnik Ulm, 1.10.1997

[9] Häckh, J; Willmerding, G.: Handbuch zu winE-VA, 199 Seiten, TZ-Verkehrstechnik. 1998

[10] Willmerding, Dietzel, Körner: Rechnergestützte Entwicklung von Schaltprogrammen für Automatik-getriebe, 3. Stuttgarter Symposium Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren 1999, Seite 843 - 856, ISBN-Nr. 3-8169-1751-8

[11] Willmerding, G.; Häckh, J; Schnödeweind, K.: Fatigue Calculation using winLIFE, Vortrag auf dem  NAFEMS-Seminar Fatigue Analysis am 8.11.00 in Wiesbaden, Herausgeber: The International Association for the Engineering Analysis Community, www.nafems.de

[12] Willmerding, G; Häckh, J;  Berthold, A.: Vor-hersage von Fahrzyklen, Belastungen und Lebens-dauer auf der Basis von gemessenen Streckenda-ten, Vortrag auf der Tagung Fahrwerktech 2001 am 8. und 9. März in München; Veranstalter: TÜV München Tagungen und Kongresse, Westendstr, 122

[13] Willmerding G.: Vorhersage der Lebensdauer dynamisch belasteter Bauteile durch Kombination von Lebensdauerberechnung mit Finite Element Methode; Vortrag Nr. 14 auf der Tagung Fahrwerk-Tech 99 Adaptive Fahrwerksysteme, 4 bis 5.3.1999, München, Tagungsunterlagen TÜV-Akademie München.


[14] Willmerding, G.: Lebensdauerberechnung dynamisch belasteter Bauteile für den multiaxialen Fall in Kombination mit Mehrkörperdynamik und Finite Element Methode; Vortrag auf der MSC-Anwenderkonferenz am 21. und 22.6.1999 in Weimar, Herausgeber Mac Neal Schwendler Corporation, München

[15] Willmerding, G; Häckh, J; Berthold, A: Driving Cycle, Load and Fatigue Life Predictions based on measured Route Data; Vortrag auf der ATT-Tagung in Barcelona 2001, SAE-Paper 01ATT120


[16] Häckh, J; Willmerding, G; Kley, M; Binz, H; Körner,T.: Rechnerische Lebensdauerabschätzung von Getriebegehäusen unter Einbeziehung realer multiaxialer Belastungen; DVM-Tagung Fulda vom 5. bis 6.6.2002,VDI-Berichte N2. 1689, 2002 Seite 303 - 317


[17] Körner, T; Depping, H; Häckh, J; Willmerding, G; Klos, W.: Rechnerische Lebensdauerabschätzung unter Berücksichtigung realer Belastungskollektive für die Hauptwelle eines Nutzfahrzeuggetriebes; DVM-Tagung Fulda vom 5. bis 6.6.2002, VDI-Berichte N2. 1689, 2002 Seite 275 - 285


[18] Körner, T; Depping, H; Häckh, J; Willmerding, G.: Fatigue Life Prognosis for Transmissions based on critical Component Spectrum; World Automotive Congress FISITA 2002, Helsinki, Paper Nr.F02V091

[19] Willmerding, G.; Häckh, J.; Körner, T.: Ein durchgängiges Antriebsstrang-Simulationssystem im Entwicklungsprozess von Automatikgetrieben; Vortrag auf der Tagung: Dynamisches Gesamtverhalten von Fahrzeugantrieben, Haus der Technik, 11. bis 12.3.2003 in München.

[20] Häckh, J.; Willmerding, G.: Untersuchung der Einsatzverhältnisse unter realistischen Bedingungen durch Kombination von Messdatenerfassung und Computersimulation; Vortrag auf der VDI-Getriebetagung 2006: VDI-Getriebetagung 2006.

[21] Häckh, J.; Willmerding, G.: Load spectrum prediction for Transmissions und realistic use combining tests and computer Simulations, Vortrag auf der FISITA-Tagung Budapest 2007: FISITA-Tagung 2007.

[22] Seifert, C.;Willmerding, G.: Fatigue Life Prediction of Automotive Drive Trains By Combination of Drive Cycle Measurements and Simulation Using WinLife, Vortrag auf der NAFEMS Tagung Vancouver , Mai 2007 NAFEMS-Tagung 2007.

[23] Willmerding, G.; Häckh, J.: Ein System zur Untersuchung von Fahrzeugantrieben zur Vorhersage von Fahrleistung, Kraftstoffverbrauch und Lebensdauer unter realistischen Einsatzbedingungen, Vortrag auf der VDI-Tagung Erprobung und Simulation in der Fahrzeugentwicklung, 24.6.-25.6.2009, Würzburg Erprobung_Simulation_VDI_Würzburg_2009.

Dienstleistungen / Projekte

Wir untersuchen Ihre Antriebsstrangprobleme im Auftrag. Beispiele für durchgeführte Projekte:

  • Vorhersage des Kraftstoffverbrauchs auf einer Teststrecke für verschiedene Pkw Antriebsstrangkonzepte (3-Liter-Auto) und Untersuchung des Fahrereinflusses
  • Einsparpotenzial durch gezieltes Management von Nebenverbrauchern
  • Einsparpotenzial durch Motorabschaltung im Pkw
  • Einsparpotenzial durch Bremsenergiespeicherung
  • Einsparpotenzial durch Reifen mit reduziertem Rollwiderstandsbeiwert
  • Simulation des Antriebsstrangmanagements zur Optimierung der Bremsenergiespeicherung
  • Vergleich verschiedener Getriebekonzepte hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs
  • Einfluss des Getriebewirkungsgrades auf den Kraftstoffverbrauch
  • Vergleich von elektrisch angetriebenen Lastkraftwagen mit der Eisenbahn im Hinblick auf den Einsatz auf der NEAT (Neue Eisenbahn-Alpentransversale)
  • Lebensdauervorhersage einer Retarderwelle anhand gemessener Fahrzyklen
  • Einfluss der manuellen Schaltung auf die Lebensdauer von Getrieben
  • Untersuchung neuartiger Schaltstrategien für Automatikgetriebe mit Hilfe von SIL (Software in the Loop Simulation)
  • Lebensdauervorhersage von Getriebekomponenten unter realistischen Lastkollektiven
  • Untersuchung stufenloser Getriebe auf der Basis leistungsverzweigter Hydrostaten
  • Fahrsimulation von CVT-Konzepten zur Entwicklung einer Steuerstrategie
  • Simulation verschiedener Antriebsstrangkonzepte zur Getriebewahl
  • Temperaturentwicklung in Elektromotoren unter realistischen Fahrzyklen in Nutzfahrzeugen
  • Einfluss der Verkehrsdichte auf die Geschwindigkeitszyklen von Nutzfahrzeugen und deren Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch

Weitere Produkte für die Antriebsstranganalyse

winADAM: Erfassung von Einsatzdaten

winADAM ist ein mobiles Mess- und Analysesystem für Fahrzeuge. Es erfasst - ohne Kabelverbindung zum Messobjekt - umfangreiche Betriebsdaten wie Fahrgeschwindigkeit, Querbeschleunigung, Gierrate, Kurswinkel, geodätische Höhe, Längsneigung der Fahrbahn.

Diese Größen können nach winEVA exportiert und als Grundlage für eine Simulation verwendet werden.

winLIFE: Lebensdauerberechnung in Verbindung mit Finiten Elementen

winLIFE BASIC
Ermöglicht grundlegende Verfahren der Lebensdaueranalyse einschließlich der Anbindung an Finite-Elemente-Programme wie z.B. MSC/NASTRAN für Windows.
 
winLIFE MULTIAXIAL
Berechnung spezieller Problemstellungen, bei denen sich die Richtung der Hauptspannungen wesentlich ändert. Eine Ergänzung zum BASIC-Modul, die auch schwierigste Fragestellungen abdeckt.
 
winLIFE GEARWHEEL&BEARING
Berechnung von Zahnrädern und Lagern nach gängigen Berechnungsmethoden ohne Finite Elemente.