Beispiele mechatronischer Systeme

9.2 Funktionsentwicklung und Applikation in der MSG-Entwicklung xiii
9.2.2 Problembeschreibung und Motivation
Das Fahrverhalten eines Fahrzeugs muss je nach Fahrzeugvariante einen hohen Komfort, eine
sportliche Fahrweise oder eine Kombination aus beiden Kriterien zulassen. Die Entwicklung
von direkteinspritzenden, turboaufgeladenen DIESEL- und OTTO-Motoren hat dazu geführt,
dass selbst kleine Motoren ein enormes Beschleunigungspotential bieten. Dadurch entwickeln
sie schon bei niedrigen Drehzahlen in kürzester Zeit ein hohes Antriebsmoment. Dieser
schnelle Momentenaufbau führt unweigerlich zu Antriebsstrangschwingungen, die in Bezug
auf das Fahrverhalten den Komfort maßgeblich beeinflussen.
Drehzahl [1/min]
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
Drehzahl
Moment
0 2 4 6 8
Zeit [s]
150
100
50
0
Moment [Nm]
Beschleunigung [m/s 2 ]
4
2
0
−2
−4
0 2 4 6 8
Zeit [s]
Bild 9.12 Lastwechselschwingungen aufgrund eines doppelten Momentensprungs;
links: Motordrehzahl; rechts: Fahrzeuglängsbeschleunigung
Die gemessenen Reaktionen eines Fahrzeugs auf Lastwechsel zeigt beispielhaft Bild 9.12. Bei
einer positiven Momentenforderung (Tip-In) beginnt das Fahrzeug zu beschleunigen (zum
Zeitpunkt t = 2s). Der sprunghafte Anstieg des Motormoments führt zu Schwingungen im
Antriebsstrang. Diese sind im Motordrehzahlsignal (links) und in der Längsbeschleunigung
(rechts) deutlich erkennbar. In gleicher Weise führt eine schnelle Momentenreduktion (Back-
Out) ebenfalls zu Schwingungen (ab etwa t = 5s). Diese nehmen in Abhängigkeit von der gewählten
Getriebeübersetzung in der Regel eine Frequenz zwischen 2 Hz und 8 Hz an und werden
als Ruckelschwingungen bezeichnet. In dem genannten Frequenzbereich liegen auch die
Eigenfrequenzen einiger Organe des Menschen (wie z.B. die des Magens, vgl. [DZ86], [HE07]),
welche angeregt werden und in Resonanz geraten können, weshalb von Fahrzeuginsassen das
Ruckeln besonders unangenehm empfunden und als komfortmindernd bewertet wird. Die
VDI-Richtlinie 2057 [VDI02] gibt für den sitzenden Menschen die in Bild 9.13 gezeigte frequenzgewichtete
Empfindlichkeitsverteilung an.
Neben der Schwingungsfrequenz sind beim Ruckeln auch die Amplituden und Dämpfungen
von der Getriebeübersetzung abhängig. In Bild 9.14 sind die mittels Fast FOURIER Transformation
(FFT) ausgewerteten Reaktionen der Motordrehzahl auf Momentensprünge exemplarisch
für alle Gänge eines Fahrzeugs dargestellt. Um die Vergleichbarkeit der Frequenzspektren zu
gewährleisten, sind dafür konstante Radmomente verwendet worden. Es zeigt sich, dass die
Schwingungsneigung bei höheren Gängen sinkt, obwohl das Motormoment mit dem Gang ansteigt.
Bedingt durch die größeren Schwingungsamplituden und die niedrigen Frequenzen hat
das Ruckeln in den unteren Gängen einen wesentlich größeren Einfluss auf den Fahrkomfort.
Das in Bild 9.14 dargestellte Amplitudenverhalten macht deutlich, dass im ersten Gang, anders
als in höheren, bereits geringe Momentengradienten zu Antriebsstrangschwingungen führen
können. Zudem treten im Antriebsstrang unterschiedlichste Schwingungsphänomene auf. Sie