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Beispiele mechatronischer Systeme

xiv 9

xiv 9 Beispiele mechatronischer Systeme Wahrnehmungsstärke [-] fühlbare Schwingungen Ruckeln Vibration Empfindlichkeit Lastschlag hörbare Schwingungen Clonk Noise 0 1 10 100 1000 10000 Frequenz [Hz] Bild 9.13 Unterteilung der Schwingungsphänomene und deren Wahrnehmung nach [Que08] und [SBR01] sowie die menschliche Empfindlichkeit nach VDI-Richtlinie 2057 [VDI02] jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz werden nach fühlbaren und hörbaren Schwingungen unterschieden [HE07], [HP02]. Zu den letztgenannten gehören das Rasseln, das Klacken und Klappern sowie das Pfeifen [Exn97]. Verantwortlich für diese Geräusche sind Schwingungen belasteter und unbelasteter Bauteile, die durch Unebenheiten der Fahrbahn sowie Ungleichförmigkeiten in der Momentenübertragung des Triebstrangs angeregt werden. Die Frequenzen der hörbaren Schwingungen liegen meist in einem Wertebereich von weit über 100 Hz (vgl. Bild 9.13) und können somit nicht aktiv durch die Motorregelung beeinflusst werden, sondern lediglich durch passive Maßnahmen, wie z.B. Tilger. Amplituden [1/min] 1. Gang: 2.63 Hz 2. Gang: 3.93 Hz 3. Gang: 5.03 Hz 4. Gang: 5.82 Hz 5. Gang: 6.50 Hz 6. Gang: 7.32 Hz 0 5 10 15 20 Frequenz [Hz] Bild 9.14 Prinzipielles Verhalten von Ruckelschwingungen in Abhängigkeit vom gewählten Gang Des Weiteren zählt zu diesen hörbaren Schwingungen der (Getriebe-) Clonk, womit Anschlaggeräusche bei beginnender Verspannung spielbehafteter Bauteile (z.B. von Zahnrädern, Gelenken, Motorlagern etc.) bezeichnet werden. Der Clonk [MRE99], oft auch als Klacken oder Klackern bezeichnet, entsteht i.A. durch schnelle Lastwechsel [SBR01] und gehört somit zu den Lastwechselreaktionen. Weitere Folgen von Lastwechseln sind der Last(wechsel)schlag und das Ruckeln. Beim Lastwechsel werden Motor- und Fahrzeugmasse gegeneinander verdreht, so dass es durch die Elastizitäten des Antriebsstrangs zu Schwingungen dieser beiden Massen gegeneinander kommen kann. Die Schwingungen werden über den Rad-Straße-Kontakt auf das Gesamtfahrzeug übertragen, was zu Schwingungen der Längsbeschleunigung führt (vgl. Bild 9.12). Ruckelschwingungen gehören aufgrund ihres Frequenzspektrums zu den fühlbaren Schwingungsphänomenen und sind von den Fahrzeuginsassen deutlich spürbar. Der Last-

9.2 Funktionsentwicklung und Applikation in der MSG-Entwicklung xv schlag entsteht durch das Anschlagen des Antriebsaggregats in den Aggregatlagern aufgrund von Momentenänderungen mit hohen Gradienten [SBR01], [Ben98]. Daraus resultieren gangunabhängig Schwingungen von über 10 Hz, die allerdings schnell abklingen, weshalb durch die Insassen lediglich die erste Schwingungsperiode wahrgenommen wird. Danach dominieren die gleichfalls auftretenden Ruckelschwingungen in der Wahrnehmung. In Bezug auf das Fahrverhalten müssen beide den Komfort beeinflussenden Schwingungen gedämpft bzw. gänzlich kompensiert werden. Dafür werden im MSG Software-Funktionen eingesetzt, die den Verlauf des Antriebsmoments gezielt steuern und Restschwingungen ausregeln. Üblicherweise werden diese Funktionen für einen ausgewählten Fahrzeugtyp entwickelt und aufgrund von Kostenoptimierungen in weitere ähnliche Fahrzeugkonzepte mit folgenden oder parallelen Serienanläufen integriert. Diese Strategie eines modularen Funktionsbaukastens ermöglicht die Nutzung von Synergien sowie Effizienzen durch die einheitliche Umsetzung von Funktionsstrukturen und Bedatungen über ein gesamtes Aggregateprogramm. Bei fahrzeugspezifischen Problemen lassen sich Funktionen aufgrund der Varianten- bzw. Anforderungsvielfalt oft nicht durch eine reine Applikation optimal an das Fahrzeug anpassen, weshalb u.U. Funktionserweiterungen notwendig sind, die in diesem Beispiel anhand einer Fahrverhaltensregelung gezeigt werden. Das Bild 9.15 zeigt verschiedene Reaktionen eines Fahrzeugs mit und ohne Komfortfunktion auf einen positiven Lastwechsel anhand der Motordrehzahl und der Längsbeschleunigung. Entgegen der klassischen Regelungstechnik, in der im Allgemeinen für eine Strecke ein Regelziel, wie beispielsweise eine Geschwindigkeit von null, definiert wird, lässt sich anhand der Größen nicht automatisch auf einen optimalen Verlauf schließen. Grundsätzlich sind die gezeigten Verläufe zwar als Regelziel denkbar, würden aber in der ganzen Bandbreite von sportlich bis sehr komfortabel vom Fahrer bewertet werden. Welcher der jeweils optimale Verlauf ist, hängt von der Art des Fahrzeugs (Kompakt-, Mittel- oder Oberklasse) und letztlich vom Fahrerwunsch ab. Deshalb wird an dieser Stelle kein Gütemaß zur Bewertung der vorgestellten Strukturen verwendet, sondern lediglich anhand der Messgrößen Motordrehzahl und Fahrzeuglängsbeschleunigung gezeigt, dass Antriebsstrangschwingungen reduziert werden können. Die abschließende Bewertung kann nur subjektiv durch den Fahrer am Fahrzeug erfolgen, weil nicht nur das Ruckeln, sondern auch Schlag- und Clonk-Geräusche sowie das Ansprechverhalten bewertet werden müssen. 1800 3 Drehzahl [1/min] 1700 1600 1500 1400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Zeit [s] Beschleunigung [m/s 2 ] 2 1 ungeregelt 0 sportlich komfortabel sehr komfort. −1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Zeit [s] Bild 9.15 Exemplarische Verläufe der Motordrehzahl (links) und der Längsbeschleunigung (rechts) für verschiedene Fahrverhalten bei einem positiven Lastwechsel (Tip-In)

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