Modellierung eines Motorrades in Dymola/Modelica

Beschreibung

Vermehrt werden heute recht detaillierte und zum Teil auch animierte Modelle von Fahrzeugen allerart in der Praxis eingesetzt. Diese dienen zum einen der Unterstützung beim Fahrzeugentwurf. Immer kürzere Entwicklungszeiten von neuen Fahrzeugmodellen zwingen die Entwickler dazu, Arbeiten auf dem Prüfstand nach dem Bau eines Prototypen durch Simulationen mathematischer Modelle vor deren Konstruktion zu ersetzen. Zum anderen werden solche Modelle auch immer häufiger für Trainingszwecke eingesetzt. So wird z.B. in Schweden das Fahren auf vereister Strasse auf dem Computer am Modell geübt.

Unter den Fahrzeugmodellen erweisen sich Modelle von Motorfahrrädern als besonders heikel. Während ein vierrädriges Fahrzeug von sich aus stabil ist, gilt dies für ein zweirädriges Fahrzeug nicht. So muss der Stabilisierung des Motorrads, eine regelungstechnische Aufgabe, besondere Beachtung geschenkt werden. Die Simulation muss die Schiefstellung des Motorrads in der Kurve sowie die Gewichtsverlagerung des Fahrers unbedingt mitberücksichtigen. Solche Modelle stehen heute in Dymola/Modelica noch nicht zur Verfügung.

Aufgabenstellung

Diese Masterarbeit beinhaltet die Modellierung und Simulation von Motorrädern als kontrollierte Fahrzeuge. Grundlage für diese Arbeit sind bereits entwickelte Modelle unkontrollierter Fahrräder auf Basis der Modelica [4] Multibondgraphenbibliothek [7,8]. Viele grundlegende Erkenntnisse über die Fahrzeugdynamik von Fahrrädern [1,6] lassen sich durchaus für Motorräder übernehmen.

Die Erweiterung des Fahrradmodels zum Motorrad beinhaltet zunächst die Einbindung eines einfachen Motors. Des Weiteren sind realistische Daten von ein oder zwei Referenzmaschinen zu ermitteln und zu übertragen. Die Visualisierung des Fahrzeugs bedarf ebenfalls einer Anpassung. Die neuen Module sollen unter Verwendung der Methodologie der Bondgraphen [2] implementiert und je nach Art des Modells entweder der Bondgraphenbibliothek [3] oder der Multibondgraphenbibliothek [7,8] beigefügt werden.

Das Fahrzeug selbst soll nun auf seinen Stabilitätsbereich hin untersucht werden. Dies geschieht mit Hilfe einer Eigenwertanalyse eines linearisierten Motorradmodels. Die dazu verwendete Methodik wurde schon für Fahrräder entwickelt und kann für die Motorräder übernommen werden.

Um eine Kontrolle des Fahrzeugs zu ermöglichen ist ein einfaches Model des Fahrers zu erstellen (siehe Kapitel 11 [5]). Vornehmlich zwei Hauptkomponenten sollen Beachtung finden: Die Modellierung der seitlichen Gewichtsverlagerung und der Krafteinfluss auf den Lenker.

Dem Regler zur Fahrzeugsteuerung stehen somit vornehmlich folgende 3 Einflussgrössen zur Verfügung: Gas/Bremse, Neigung des Fahrers und Lenkkraft. Als Sensoren für den Regler bieten sich beispielsweise Neigungswinkel, Lenkwinkel, Geschwindigkeit und Fliehkraft an. Es empfiehlt sich, weitere Literatur zum Thema zu recherchieren und zu studieren.

Die kontrollierte Fahrzeugdynamik soll in einfachen Standardmanövern auf ebener Fläche erprobt werden. Beispielsweise eignen sich das Durchfahren einer 90o Kurve oder einer S-Schikane mit vorgegebenem Radius und vordefinierter Geschwindigkeit.

Sollte Zeit für fortgeschrittene Themen bleiben, so lässt sich das Motorradmodell beliebig im Detail erweitern. Komplexere Motoren können eingebaut werden, ebenso Getriebe und gefederte Aufhängungen. Von besonderem Interesse sind der Einfluss von verschiedenen Reifenmodellen und Vibrationen auf die Fahrzeugdynamik.


Referenzen

  1. Åström, K.J., R.E. Klein, and A. Lennartsson (2005), Bicycle Dynamics and Control: Adapted Bicycles for Education and Research, IEEE Control Systems Magazine, 25(4), pp. 26-47.

  2. Cellier, F.E. (1991), Continuous System Modeling, Springer-Verlag, New York.

  3. Cellier, F.E. and A. Nebot (2005), The Modelica Bond Graph Library, Proc. 4th International Modelica Conference, Hamburg, Deutschland, Vol.1, pp. 57-65.

  4. Modelica Association (2005), Modelica 3.0 Language Specification.

  5. Pacejka, H.B. (2005), Tire and Vehicle Dynamics, 2nd Edition, SAE International, Warrendale, PA.

  6. Schwab, A.L., J.P. Meijaard, and J.M. Papadopoulos (2005), Benchmark Results on the Linearized Equations of Motion of an Uncontrolled Bicycle, KSME Intl. J. Mechanical Science and Technology, 19(1), pp. 292-304.

  7. Zimmer, D. (2006), A Modelica Library for MultiBond Graphs and its Application in 3D-Mechanics, Dept. für Computational Science, ETH Zürich, Zürich, Schweiz.

  8. Zimmer, D. and F.E. Cellier (2006), The Modelica Multi-bond Graph Library, Proc. 5th International Modelica Conference, Vienna, Austria, Vol.2, pp.559-568.

English Version
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Modifiziert: 7. September 2008 -- © François Cellier