Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung eines kompletten Fahrzeugtriebstranges mit der Programmiersprache Modelica. Einen besonderen Schwerpunkt bildet dabei die Erstellung des Modells eines 6-Gang-Handschaltgetriebes. Weiterhin werden Motor, Reibkupplung, Differential, Bremsen, ein einfacher Fahrer sowie die Fahrzeugumgebung in das Gesamtmodell implementiert. Bei den Einflüssen durch die Umgebung gilt die Beschränkung auf die wirkenden Kräfte in Längsrichtung. Jedes Teilmodell wird vor dem Test des Gesamtmodells einzeln auf ihre Funktionalität überprüft. Den Abschluss der Arbeit bildet der Test auf Echtzeitfähigkeit des Systems durch die Umsetzung auf ein Echtzeitsystem. This papers deals with the modelling of a whole power train especially with the construction of a model of 6-speed-manual gearbox with the programming language Modelica. Additionally an engine, a friction clutch, a differential, brakes with torsion, a simple driver and the car environment have to be modelled. The car resistances are limited to the forces of longitudinal direction. All partial models are tested before implementing to the total model. The last step of this paper will be a proving of the real-time ability of the model in order to run on real-time
test benches
Inhaltsverzeichnis
I THEORETISCHE GRUNDLAGEN
1. ALLGEMEINER AUFBAU EINES FAHRZEUGES
2. AUFBAU EINES TRIEBSTRANGES MIT 6-GANG-HANDSCHALTER
2.1 Antriebsmaschine Motor
2.2 Drehzahlwandler – Kupplung
2.2.1 Aufbau einer Reibkupplung
2.3 Drehmomentwandler – 6-Gang-Handschaltgetriebe
2.3.1 Getriebeausführungen
2.3.2 Schaltvorgang & Sperrsynchronisation
2.4 Achsgetriebe – Achsantrieb und Differentialgetriebe
2.5 Bremsen
2.6 Längsdynamik des Fahrzeuges
3. SYSTEMBESCHREIBUNG
3.1 Systembeschreibung konventionelle Art
3.2 Beschreibung als „Linear Complementary Problem“ (LCP)
3.2.1 Transformation in die LCP-Form
3.3 Diskretisierung der LCP-Form – „Time Stepping Algorithm“ (TSA)
3.4 Vergleich TSA/LCP-Form ↔ konventionelle Beschreibung
II MODELLBILDUNG
1. EINFÜHRUNG IN MODELICA
1.1 Beispielmodell (einfacher Antriebsstrang)
1.2 Bibliothek PowerTrain
1.3 Erweiterung existierender Modelle
1.4 Auswahl verschiedener Modelle
1.5 Erweiterung des Bussystems
1.6 Ankopplung an das Bussystem
1.7 Einlesen von Tabellen
2. AUFBAU DER EIGENEN BIBLIOTHEK
3. MODELL KUPPLUNG & 6-GANG-HANDSCHALTGETRIEBE
3.1 Kupplungsmodell
3.2 6-Gang-Handschaltgetriebe
3.2.1 verlustbehaftete Drehmomentwandlung LossyGear…
3.2.2 Steuerungsmodul für die Synchronisationseinrichtungen
3.2.3 Parameter des Getriebes
3.2.4 Test des Getriebes
4. MODELL ACHSGETRIEBE – DIFFERENTIAL, BREMSEN UND RÄDER
4.1 Differential
4.2 Torsionselement
4.3 Bremsen
4.4 Räder
4.5 Test Achsgetriebe
5. MODELL LÄNGSDYNAMIK DES FAHRZEUGS
5.1 Steigungswiderstand
5.2 Rollwiderstand
5.3 Luftwiderstand
5.4 Beschleunigungswiderstand
5.5 Gesamtwiderstandsmodell
5.6 Fahrwiderstandsmodelle von PowerTrain
6. MODELL EINES EINFACHEN MOTORS
6.1 Motormodell myEngine1
6.1.1 BaseEngine
6.1.2 Governor
6.2 Motormodell myEngine2
7. FAHRERMODELL
8. TEST DES GESAMTMODELLS
III ECHTZEITTEST
IV ZUSAMMENFASSUNG
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Studienarbeit ist die Modellierung eines vollständigen Fahrzeugtriebstrangs in der objektorientierten Sprache Modelica. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung eines Modells für ein 6-Gang-Handschaltgetriebe sowie der Untersuchung seiner Echtzeitfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Modellierungsansätzen.
- Modellierung eines 6-Gang-Handschaltgetriebes unter Berücksichtigung von Synchronisationselementen.
- Implementierung eines Antriebsstrangmodells (Motor, Kupplung, Differential, Bremsen, Räder).
- Vergleich zwischen konventionellen Systemgleichungen und der "Linear Complementary Problem" (LCP) Formulierung.
- Entwicklung und Simulation der Fahrzeuglängsdynamik mittels Fahrwiderstandsmodellen.
- Validierung der Komponenten und des Gesamtsystems hinsichtlich Funktionalität und Echtzeiteignung.
Auszug aus dem Buch
3.1 Systembeschreibung konventionelle Art
In diesem Abschnitt werden Systemgleichungen für alle möglichen Kombinationen mit deren Zustandsübergangsbedingungen der Kupplung aufgestellt. Die Kupplung besitzt die Zustände „geschlossen“ und „offen“ sowie den Zustandsübergang „schleifend“. Im geschlossenen Zustand kann die Kupplung ein beliebiges Moment bis zum maximalen Rutschmoment Mkupp,max übertragen. Dabei gilt nach Anwendung des Drallsatzes folgende Differentialgleichung:
ω_motor * Θ_Clutch = M_motor - M_coupling [9]
Da die Kupplung teilweise am Motor befestigt ist, ergibt sich die Kupplungsträgheit Θ_Clutch bei geschlossener Kupplung aus den Trägheiten der Motorschwungscheibe Θ_MotorFlywheel sowie der Mitnehmerscheibe Θ_DrivingPlate der Kupplung.
Θ_Clutch = Θ_MotorFlywheel + Θ_DrivingPlate [10]
Das Moment M_coupling bezeichnet das Kopplungsmoment zwischen Getriebe und Kupplung und entspricht dem bei Torsion an der entsprechenden Welle auftretenden Moment. Bildet man den Signalfluss für die obige Differentialgleichung beispielsweise in Simulink als Modell nach, wie nachfolgend am Beispiel eines Antriebstrangmodells von Prof. Gühmann (siehe Literatur [3]), so ergibt sich das folgende System:
Zusammenfassung der Kapitel
I THEORETISCHE GRUNDLAGEN: Beschreibt den Aufbau von Fahrzeugtriebsträngen, die mathematische Modellierung von Systemzuständen (konventionell vs. LCP) und die Grundlagen der Fahrzeuglängsdynamik.
II MODELLBILDUNG: Detaillierte Darstellung der Implementierung der Antriebsstrang-Komponenten in Modelica, inklusive Aufbau der eigenen Bibliothek, Modellierung von Kupplung, Getriebe, Achsgetriebe, Widerständen und Motoren.
III ECHTZEITTEST: Zusammenfassende Betrachtung der Echtzeitfähigkeit des entwickelten Simulationsmodells auf einem dedizierten Testsystem.
IV ZUSAMMENFASSUNG: Fazit zur durchgeführten Modellierung, den gewonnenen Erkenntnissen zur Simulation in Dymola und Ausblick auf künftige Optimierungen.
Schlüsselwörter
Modelica, Dymola, 6-Gang-Handschaltgetriebe, Antriebsstrang, Echtzeitfähigkeit, LCP, Time Stepping Algorithm, Kupplungsmodell, Fahrzeuglängsdynamik, Synchronisation, Fahrwiderstand, Simulationsumgebung, Hardware-in-the-Loop, Systemmodellierung, Differentialgetriebe.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der detaillierten Modellierung eines kompletten Fahrzeugtriebstrangs in der objektorientierten Sprache Modelica, mit speziellem Fokus auf ein 6-Gang-Handschaltgetriebe.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die mathematische Abbildung mechanischer Systeme, die Modellierung von reibungsbehafteten Komponenten wie Kupplungen und Getrieben sowie die Berücksichtigung von Fahrwiderständen zur Simulation der Längsdynamik.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist die Erstellung eines effizienten Simulationsmodells für den Antriebsstrang, das insbesondere hinsichtlich seiner Eignung für Echtzeitanwendungen und Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulationen validiert werden soll.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden zwei unterschiedliche Modellierungsansätze verglichen: einerseits die konventionelle Beschreibung durch Differentialgleichungen für verschiedene Schaltzustände und andererseits die Beschreibung als „Linear Complementary Problem“ (LCP) zur Vermeidung komplexer Zustandsübergangslogik.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil erfolgt die praktische Umsetzung der Teilmodelle (Motor, Kupplung, Getriebe, Differential, Bremse, Räder) in der Simulationsumgebung Dymola sowie deren Zusammenführung und Validierung in einem Gesamtfahrzeugmodell.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den Schlüsselwörtern zählen Modelica, Dymola, 6-Gang-Handschaltgetriebe, Antriebsstrang, Echtzeitfähigkeit, LCP, Zeitdiskretisierung (TSA) und Fahrzeuglängsdynamik.
Warum wird zwischen verschiedenen Modellierungsansätzen unterschieden?
Konventionelle Modelle erfordern bei Zustandsänderungen oft eine aufwendige Neuinitialisierung der Variablen, was bei Echtzeitsimulationen problematisch sein kann; der LCP-Ansatz zielt darauf ab, diese Problematik durch ein einheitliches System von Gleichungen zu umgehen.
Welche Rolle spielt die Bibliothek "PowerTrain"?
Sie dient als Basis-Bibliothek für 1-dimensionale mechanische Fahrzeugkomponenten, die für diese Arbeit erweitert und angepasst wurde, um spezifische Funktionen wie das 6-Gang-Handschaltgetriebe und zusätzliche Bussignale zu ermöglichen.
Wie wurde das Problem des Gangwechsels gelöst?
Durch ein Steuerungsmodul (Synchro_Module) wird basierend auf dem gewählten Gang das entsprechende Synchronisationselement angesteuert, welches die Verbindung zwischen Hauptwelle und Losrad bei Drehzahlgleichheit herstellt.
- Arbeit zitieren
- Bernhard Wede (Autor:in), 2007, Modellierung eines 6-Gang-Schaltgetriebes mit Hilfe der Modellierungssprache Modelica, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/145414
