Investigation of off-highway drivetrain dynamic response to various ground conditions with detailed tire modeling methods

Yang, Jianing; Corves, Burkhard; Jacobs, Georg

doi:39574

Investigation of off-highway drivetrain dynamic response to various ground conditions with detailed tire modeling methods = Untersuchung des dynamischen Verhaltens eines Off-Highway-Antriebsstrangs unter verschiedenen Bodenbedingungen mithilfe detaillierter Methoden der Reifenmodellierung

Yang, Jianing^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jianing Yang

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (x, 121 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jacobs, Georg (Thesis advisor)^RWTH* ; Corves, Burkhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-07-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-08838
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/796186/files/796186.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (411710)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Off-Highway-Fahrzeuge fahren auf rauem Boden, was zu unerwünschten dynamischen Schwingungen im Antriebsstrang führt. Diese dynamischen Schwingungen können den Fahrkomfort beeinträchtigen, die Effizienz des Antriebsstrangs reduzieren und die Zuverlässigkeit der Antriebsstrangkomponenten verringern. Daher ist es wichtig, die Eigenschaften der dynamischen Schwingungen des Off-Highway-Antriebsstrangs zu erkennen, die durch die externe Anregung (d. h. durch Reifen-Boden-Interaktion) verursacht werden. Zu diesem Zweck ist insbesondere ein umfassendes Verständnis der Reifendynamik erforderlich, da der Reifen das einzige Bauteil zwischen Fahrzeug und Boden ist. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Bodenbedingungen—Low-µ-Boden und Bodenunebenheiten—auf die Dynamik des Off-Highway-Antriebsstrangs zu untersuchen. Diese Untersuchung wird hauptsächlich mithilfe von Simulationstechniken durchgeführt. Daher wird eine geeignete Modellierungsmethode benötigt; sie bestimmt das untergeordnete Ziel dieser Arbeit, nämlich ein geeignetes Reifen-Modell zu erstellen, das die notwendigen Eigenschaften des Off-Highway-Reifens abbildet. Um das Schwingungsverhalten des Antriebsstrangs zu untersuchen, das durch die Reifen-Boden-Interaktion verursacht wird, wird ein Modell des gesamten Fahrzeugs erstellt. Dieses Gesamtes-Fahrzeug-Modell besteht aus drei Teilen: aus dem Torsionsantriebsstrang-Modell, dem Fahrzeugkarosserie-Modell und dem Reifen-Modell. Das Torsionsantriebsstrang-Modell kann Antriebsstrangschwingungen mittlerer bis niedriger Frequenz nachbilden. Das Fahrzeugkarosserie-Modell kann Starrkörperbewegungen in Längs-, Vertikal- und Drehrichtung abbilden. Das Reifen-Modell hat zwei Hauptfunktionen: 1) als dynamische Kopplungskomponente zwischen dem Torsionsantriebsstrang-Modell und dem Fahrzeugkarosserie-Modell zu wirken; 2) die Anregung, die durch die Reifen-Boden-Interaktion verursacht wird, korrekt zu simulieren. Bei der Modellierung des Reifens wird das Konzept des Starr-Ring-Modells verwendet. Außerdem wird eine Methode zum Bestimmen der erforderlichen Eigenschaften des Off-Highway-Reifens vorgeschlagen. Diese benötigten Reifeneigenschaften sind unter anderem die Modalinformationen, die vertikale Steifigkeit, die Umhüllungseigenschaft und das Reifenschlupfverhalten. Daher werden drei andere Modellierung eines Reifens mit unterschiedlichen Funktionen verwendet. Die dabei erhaltenen Reifeninformationen werden zur Parametrisierung des Starr-Ring-Modells verwendet, das im Modell des gesamten Fahrzeugs verwendet wird. Durch Simulationen mit dem Modell des gesamten Fahrzeugs werden die Auswirkungen typischer Bodenanregungen auf den Antriebsstrang untersucht. Wenn das Fahrzeug über einen Low-µ-Boden fährt, erzeugt der Reifen möglicherweise keine ausreichende Zugkraft mehr und beginnt zu rutschen. Dieses Gleiten zwischen Reifen und Boden verändert die Begrenzungen des Antriebsstrangs, so dass sich die Eigenform des Antriebsstrangs verändert. Nach der Rückkehr des Reifens auf den High-µ-Boden tritt eine plötzliche Änderung der Zugkraft auf, was zu einer Stoßbelastung im Antriebsstrang führt. Wenn das Fahrzeug über unebenen Boden fährt, wirkt der Reifen als Polster zwischen Fahrzeug und Boden. Die resultierende variierende Reifenlast ist die eigentliche Ursache für Veränderungen der Reifenzugkraft. Im Ergebnis erfolgt eine Drehmomentschwingung im Antriebsstrang. In dieser Drehmomentschwingung sind die Schwingungsfrequenzen der vertikalen Fahrzeugbewegungen enthalten.

Off-highway vehicles need to drive on the ground under harsh conditions, which causes unwanted dynamic oscillations in the drivetrain. These dynamic oscillations can affect driving comfort, lower drivetrain efficiency and decrease the reliability of drivetrain components. Therefore, it is critical to identify the characteristics of off-highway drivetrain dynamic oscillations caused by this external excitation (i.e., by tire-ground interaction). To this end, a comprehensive understanding of tire dynamics is also essential, since the tire serves as the only component between the vehicle and the ground. In this work, the primary objective is to investigate the influence of ground conditions—low-µ ground and ground unevenness—on off-highway drivetrain dynamics. The investigation is conducted primarily through simulation techniques, thus a suitable modeling method is needed, which dictates the secondary objective in this work: to build a proper tire model that can reflect needed properties of the target off-highway tire. A complete vehicle model is established to investigate drivetrain oscillations caused by the tire-ground interaction. This complete vehicle model consists of three parts: the torsional drivetrain model, the vehicle body model and the tire model. The torsional drivetrain model can replicate drivetrain oscillations of middle-to-low frequencies. The vehicle body model can reflect rigid body motions in longitudinal, vertical and rotational directions. The tire model, which is the key part of the complete vehicle model in this study, has two major functions: 1) acting as a dynamically coupling component between the torsional drivetrain model and the vehicle body model and 2) correctly simulating the excitation induced by the tire-ground interaction. The concept of the rigid ring model is used to model the tire. In addition, a method to determine the required characteristics of the target off-highway tire is proposed. These necessary tire characteristics include tire modal information, overall vertical stiffness, enveloping property and tire slip behavior. Therefore, three other tire models of different features are used. With the assistance of these three models and available data for the reference tire, the needed characteristics of the target tire are obtained. Thereafter, the obtained tire information is used to parameterize the rigid ring model that is used in the complete vehicle model. Through simulations with the complete vehicle model, the effects of typical ground excitations on the drivetrain are investigated. When the vehicle drives over low-µ ground, the tire may be unable to produce enough traction force and begins to slide. This sliding between tire and ground changes the drivetrain boundary condition, resulting in migration of the drivetrain eigen-frequency and variation of the mode shape. After the tire returns to high-µ ground, a sudden change of the traction force occurs, causing a shock load to the drivetrain. When an off-highway vehicle drives over ground with irregularities, the tire acts as a cushion between the vehicle and the ground. The resulting varying tire normal force can be seen as the root cause for variations of the tire traction force. As a result, torque oscillation occurs inside the drivetrain. This torque oscillation contains the vibration frequencies of the vehicle vertical (pitch and bounce) motions.

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