Schriftenreihe des Instituts für Fahrzeugtechnik TU Braunschweig

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Beschreibung und Bewertung von Schwingungsdämpfern für Kraftfahrzeuge

Von der Fakultät für Maschinenbau

der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung der Würde

eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation

von

Mario Lars Bergmann aus Hamburg

eingereicht am: 12. August 2011 mündliche Prüfung am: 14. November 2012

Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. F. Küçükay Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. G.-P. Ostermeyer Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. P. Eilts

2013

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Shaker Verlag Aachen 2013

Schriftenreihe des Instituts für Fahrzeugtechnik TU Braunschweig

Band 33

Mario Lars Bergmann

Beschreibung und Bewertung von

Schwingungsdämpfern für Kraftfahrzeuge

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2012

Copyright Shaker Verlag 2013

Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs- anlagen und der Übersetzung, vorbehalten.

Printed in Germany.

ISBN 978-3-8440-1960-5 ISSN 1619-6325

Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • E-Mail: info@shaker.de

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Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitar- beiter am Institut für Fahrzeugtechnik der TU Braunschweig.

Sie wurde von Herrn Prof. Dr.-Ing. Ferit Küçükay, der das Institut seit 1997 lei- tet, angeregt und betreut. Für die Möglichkeit der wissenschaftlichen Entfaltung, die damit verbundene Unterstützung und das gewährte Vertrauen in die Arbeit möchte ich mich bedanken.

Weiterhin gilt mein Dank Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Georg-Peter Ostermeyer, Lei- ter des Instituts für Dynamik und Schwingungen der Technischen Universität Braun- schweig, für die Betreuung als Mitberichterstatter sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Eilts, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Univer- sität Braunschweig, für die Übernahme des Vorsitzes im Promotionsausschuss.

Die Arbeit wurde zum Teil durch eine Zusammenarbeit mit der Volkswagen AG gefördert. Hierfür möchte ich mich besonders bei Herrn Dipl.-Ing. Jürgen Hoﬀmann, Leiter der Abteilung K-EFFG, herzlich bedanken. Stellvertretend für alle beteiligten Mitarbeitern der Volkswagen AG danke ich Herrn Dipl.-Ing. Christian Müller, Frau Dipl.-Ing. Alexandra Niersmann und Herrn Dr.-Ing. Karl-Heinz Depermann für die Unterstützung.

Meinen ehemaligen wissenschaftliche und nichtwissenschaftlichen Kollegen des In- stituts für Fahrzeugtechnik danke ich für die fachlichen Diskussionen und die kolle- giale Zusammenarbeit. Insbesondere geht mein Dank an meinen Bürokollegen Herrn M.Eng. Gerrit Knabe für die vielen anregenden Gespräche. Ebenso danke ich den Studenten, die mich bei meiner Arbeit am Institut unterstützt haben.

Für das gewissenhafte Korrekturlesen der Arbeit möchte ich mich bei Herrn Dr.-Ing.

Gunther Alvermann bedanken. Meinem Oberingenieur Herrn Dr. Dipl.-Ing. Roman Henze danke ich zudem für die fachliche und organisatorische Unterstützung.

Mein Dank gilt meinen Eltern für ihre Unterstützung. Ganz besonders dan- ke ich meiner Frau Katharina, ohne deren Unterstützung und die nicht endende Motivationskunst diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Meinen Söhnen Merlin und Nepomuk danke ich für jedes von der Arbeit ablenkende Lächeln.

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Inhaltsverzeichnis

Formelzeichen und Abkürzungen iii

1 Einleitung 1

1.1 Motivation und Zielsetzung . . . 1

1.2 Inhalt und Aufbau der Arbeit . . . 4

2 Stand der Forschung 7 2.1 Bewertung von Fahrzeugschwingungen . . . 7

2.2 Beschreibung von Dämpfern . . . 10

2.2.1 VDA-basierte Dämpferbeschreibungen . . . 15

2.2.2 Kraftbasierte Dämpferbeschreibungen . . . 20

2.2.3 Arbeit-, Dämpfung- und Druck-basierte Dämpferbeschreibun- gen . . . 24

2.2.4 Spektrale Dämpferbeschreibung . . . 26

2.2.5 Dämpferbewertung und -optimierung . . . 29

2.2.6 Fazit derzeitiger Dämpferbeschreibungen . . . 32

2.3 Dämpfereinﬂuss auf Fahrzeugschwingungen . . . 34

2.4 Modellierung von Dämpfern . . . 36

3 Komponentenversuche 41 3.1 Komponentenbeschreibung . . . 41

3.2 Versuchsaufbau . . . 42

3.3 Analyse erkennbarer Unterschiede VDA-gleicher Dämpfer . . . 46

3.4 Ansätze zur Erweiterung der Dämpferbeschreibung und -bewertung . 54 4 ¹₄-Fahrzeug-Versuche 63 4.1 Prüfstands- und Versuchsaufbau . . . 63

4.2 Komfortunterschiede . . . 65

4.3 Betriebspunktanalyse . . . 70

4.4 Kennparameterveriﬁkation . . . 75

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ii Inhaltsverzeichnis

5 Fahrversuche 79

5.1 Versuchsvorbereitung und -durchführung . . . 79

5.2 Fahrversuchsergebnisse . . . 80

6 Modellierung 87 6.1 Co-Simulation . . . 87

6.1.1 ¹₄-Fahrzeug-Modell . . . 88

6.1.2 Dämpfermodellierung . . . 89

6.1.3 Simulationsergebnisse . . . 93

6.2 Frequenzabhänge Simulation . . . 95

6.2.1 Dämpfer- und ¹₄-Fahrzeug-Modell . . . 96

6.2.2 Simulationsergebnisse . . . 98

7 Kennfeldoptimierung 105 7.1 Optimierungsparameter und -randbedingungen . . . 105

7.2 Optimiererauswahl . . . 106

7.3 Optimierungsergebnisse . . . 108

8 Anwendung der Ergebnisse 113

9 Zusammenfassung 119

Literatur 125

(9)

Formelzeichen und Abkürzungen iii

Formelzeichen und Abkürzungen

Lateinische Buchstaben

Formelzeichen Einheit Bedeutung

a ^m_s₂ Beschleunigung

a ^m

s² eﬀektive Beschleunigung

c _mm^N Federsteiﬁgkeit

d ^{N s}_m Dämpfungskonstante

f Hz Frequenz

F N Kraft

g ^m_s₂ Erdbeschleunigung

G − Vergrößerungsfunktion

h mm Hub

h m Unebenheitshöhe

k ^{N s}_m Dämpfungskonstante

K N Faktor, Kraft

m kg Masse

n ¹_s Drehzahl

n − Exponent, Häuﬁgkeit, Stützstellenanzahl

p ^kp

cm² Druck

P kp Kraft

R − Bestimmtheitsmaß

s m Weg

v ^m_s Geschwindigkeit

W J Arbeit

z m Dämpferweg, Weg

˙

z ^m_s Geschwindigkeit

¨

z ^m

s² Beschleunigung

(10)

iv Formelzeichen und Abkürzungen

Griechische Buchstaben

Formelzeichen Einheit Bedeutung

α ^◦ Winkel

Δ % Abstand

Φ m² Spektrale Dichte

λ m Amplitude

ω ¹_s Kreisfrequenz

Ω _m¹ Wegkreisfrequenz

(11)

Formelzeichen und Abkürzungen v

Indizes

Index Bedeutung

0 Bezug

1 Rad

2 Aufbau

3 Sitz-Mensch

Anf ang Anfang

Anstieg Anstieg pro Zeitintervall

d Dämpfer

D Dämpfer, Druck

dyn dynamisch

f Frequenz

ges gesamt

HDR Hochdruck

i Frequenzstützstelle konst konstant

max maximal

min minimal

N DR Niederdruck

p parallel

R Reibung

s Weg

s Serie

Sitz Einleitung über die Sitzﬂäche

(12)

vi Formelzeichen und Abkürzungen

Abkürzungen

Abkürzung Bedeutung

IfF Institut für Fahrzeugtechnik FFT Fast Fourier Transformation

GEATbx Genetic and Evolutionary Algorithms, Matlabfunktion

KP Kennparameter

min minimal

mod modiﬁziert

MKS Mehrkörpersystem

OEM Original Equipment Manufacturer

ON Objektivnote

PSD power spectral density rpm rounds per minute

RMS root mean square

V Variante

VDA Verband der Automobilindustrie