Simulation zur Vorhersage von Kraftstoffverbrauch, Fahrleistung und Lebensdauer

Überblick

winEVA (Edv-Programme zur Verbrauchs-und FahrleistungsAnalyse) stellt ein Programmpaket zur Antriebstrangsimulation für Rechner unter dem Betriebssystem Windows dar. 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 Fahrzeugarten (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 (s. Bild) wie dies heute üblich ist und in einer Vielzahl von Softwareprodukten ebenfalls realisiert ist.

blockorientierte Struktur des Antriebsstrangs am Beispiel eines allradgetriebenen Fahrzeugs

 

Für Fahrzeuge mit folgenden Antriebsarten wurde dieses Systems bisher eingesetzt:

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

Es können darüber hinaus nahezu beliebige Antriebsstrangkonfigurationen modelliert werden.

Umwelt und Verkehr

Die Einbeziehung der Umwelt (Topgraphie, Krümmung, Sichtweite)  ist ein entscheidender Parameter für realistische Simulationen  (s. Bild).

Fahrzeug und Fahrstrecke im Modell

 

Auch die durch Verkehrsregeln und den Verkehr selbst bedingten Randbedingungen und Behinderungen spielen eine große Rolle. Welche Ereignisse erfasst und als Daten in die Simulation einbezogen werden, zeigt das folgende Bild.

 

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

 

Die automatische Generierung einer Simulationsstrecke aus Meßdaten (winADAM) wird bei langen Strecken wegen des sonst großen Aufwands der Eingabe von vielen Kunden gern genutzt.

Fahrerverhalten

Das Verhalten des Fahrers kann je nach Erfordernis 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. Auch wird das Fahrerverhalten dadurch beeinflusst, ob ein Ereignis vorhersehbar oder nicht vorhersehbar ist. 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 dem Fahrzeug sehr realistisch anpasst.

Verlauf der simulierten Geschwindigkeit bei verschiedenen Fahrzeugarten

Prüfstandsteuerung

Bei dem Einsatz von winEVA zur Steuerung von Prüfständen für Antriebstränge können auch gemessene Fahrzyklen realistisch und mit wenig Aufwand nachgefahren werden. winEVA gibt dazu die Fahrpedalstellung, Bremspedalstellung und die Drehzahlen und/oder Momente an den Elektromotoren des Prüfstands vor. Es konnte bei einem großen Fahrzeughersteller nachgewiesen werden, dass durch diese Prüfstandssteuerung sehr viel realistischere Ergebnisse für die Beanspruchung erzielt werden als mit herkömmlichen Prüfstandssteuerungen. Das Bild zeigt das Prinzip bei einem Getriebeprüfstand, der die mit winADAM gemessenen Verläufe mit guter Annäherung nachfährt.  

schematische Darstellung des Datenflusses bei der Prüfstandssimulation

Lösungsverfahren

Ausgehend von den Bewegungsgleichungen des Fahrzeugs werden alle wesentlichen Größen innerhalb des Triebstrangs berechnet. Es kann optional mit drehelastischen Bauteilen, Massenträgheiten und der realen Drehkraftanregung des Verbrennungsmotors gearbeitet werden, was zur Analyse von Drehschwingungen nötig ist.

Für realistische Simulationen ebenfalls bedeutsam ist das in Versuchen verifizierte Fahrermodell, das die Vorgabe eines Wunschgeschwindigkeitsverlaufs erlaubt, der für eine große Zahl von Fahrzeugen Gültigkeit hat. Weiterhin kann ein gemessener Geschwindigkeitsverlauf exakt - unter Beachtung physikalischer Grenzen - 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 Streckenintervalle kann je nach Aufgabenstellung zwischen wenigen Zentimetern und mehreren hundert Metern liegen.

Die Komponenten eines Fahrzeugs müssen sehr genau beschrieben werden und es sind dazu umfangreiche Daten erforderlich. Bei analytisch bekannten Zusammenhängen werden direkt die Gleichungen verwendet (Luftwiderstand, hydrodynamische Zusammenhänge, etc.), bei Bauteilen, deren Eigenschaften nur durch Kennfelder dargestellt werden können (Verbrauchskennfeld des Motors, Wirkungsgradkenn-felder der mechanischen Teile des Getriebes, etc.) werden diese Zusammenhänge in Matrizenform beschrieben.

Validierung

Der Vergleich von Fahrversuchen mit Simulationsergebnissen wurde von einem Kunden durchgeführt und publiziert [  ]. Das Bild zeigt für einen Fahrversuch auf dem Nürburgring die Ergebnisse für verschiedene Größen aus dem Antriebsstrang aus Messung und Rechnung. 

Ergebnisse aus Fahrversuchen am Nürburgring im Vergleich mit Simulationsergebnissen

Schnittstellen und Ergebnisdarstellungen

Stationäre Kenngrößen

Die Charakterisierung des Fahrzeugs durch folgende quasistationäre und stationäre 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

Übernahme von Messdaten aus winADAM

Es können Messdaten von dem Messdaten-Erfassungssystem winADAM (Automatisierte DA-tenerfassung im Mobilen Einsatz) übertragen und aufbereitet (Glättungsfunktionen, Filterung) werden. Sie stehen dann sofort für eine Simulation zur Verfügung. Die Datenstruktur (ASCII-Daten) ist dokumentiert, so dass der Benutzer bei Bedarf eine eigene Schnittstellen zu seinem eigenen Meßsystemen schreiben kann.

Datenübergabe für Lebensdauer-Berechnungen

Eine Datenübertragung aus dem Programm winEVA zu winLIFE ist problemlos möglich. Es kann dazu eine Größe, die bei der Simulation erhalten wurde (z.B. Drehmoment, Kraft), nach winLIFE übertragen werden und anschließend eine Lebensdauerberechnung durchgeführt werden.

Fahrzyklen aus Verkehrsflusssimulation

Die Simulation des Verkehrsflusses ist in winEVA integriert. Auf der Basis eines mikroskopischen Modells für Autobahnen können realistische Fahrzyklen generiert werden, die Grundlage für eine Simulation des Antriebsstrangs sein kann. Auf diese Weise ist es möglich, den Verkehrsfluss zu berücksichtigen.

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 FISTA-Tagung Budapest 2007: FISTA-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 abgeschlossener Projekte:

  • Vorhersage des Kraftstoffverbrauchs auf einer Teststrecke für verschiedene Pkw Antriebsstrangkonzepte (3 l-Auto) und Untersuchung des Fahrereinflusses
  • Einsparpotential durch gezieltes Management der Nebenverbraucher
  • Einsparpotential durch Motorabschaltung im Pkw
  • Einsparpotential durch Bremsenergiespeicherung
  • Einsparpotential durch Reifen mit verringertem Rollwiderstandsbeiwert
  • Simulation des Triebstrangmanagements zur Optimierung der Bremsenergiespeicherung
  • Vergleich verschiedener Getriebekonzepte im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch
  • Einfluss des Getriebwirkungsgrads auf den Kraftstoffverbrauch
  • Vergleich elektrisch angetriebener Lkw mit der Eisenbahn im Hinblick auf eine Nutzung bei der NEAT (Neue eropäische Alpentransversale)
  • Lebensdauervorhersage einer Retarderwelle auf der Basis gemessener Fahrzyklen
  • Einfluss des Schaltvorgangs bei manueller Schaltung auf die Getriebelebensdauer
  • Untersuchung neuartiger Schaltstrategien für Automatikgetriebe durch SIL (Software in the Loop-Simulation)
  • Lebensdauervorhersage von Getriebekomponenten unter realistischen Lastkollektiven
  • Untersuchung stufenloser Getriebe auf der Basis von leistungsverzweigten Hydrostaten
  • Fahrsimulation von CVT-Konzepten mit dem Ziel der Entwicklung einer Steuerstrategie
  • Simulation verschiedener Antriebsstrangkonzepte mit dem Ziel einer Getriebewahl
  • Temperaturentwicklung in Elektromotoren unter realistischen Fahrzyklen in Nutzfahrzeugen
  • Einfluss der Verkehrsdichte auf die Geschwindigkeitszyklen von Nutzfahrzeugen und deren Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch

weitere Produkte für die Antriebstranganalyse

winADAM: Erfassung von Einsatzdaten

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

Diese Grössen können nach winEVA exportiert und als Basis für eine Simulation verwendet werden.

WinLIFE: Lebensdauerberechnung in Verbindung mit finiten Elementen

winLIFE BASIS
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 Hauptspannung wesentlich ändert. Eine Ergänzung zum BASIS-Modul, die auch schwierigste Fragestellungen abdeckt.
 
winLIFE ZAHNRÄDER&LAGER
Berechnung von Zahnrädern und Lagern nach üblichen Berechnungsverfahren ohne finite Elemente.