Charakterisierung von Lenksystemen mit Hilfe eines Lenksystemprüfstands

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst der aktuelle Stand der Technik bei Prüfeinrichtungen für Lenksysteme ermittelt. Die bei Lieferanten eingesetzten Prüfeinrichtungen dienen meist dem Nachweis der Betriebsfestigkeit und sind auf bestimmte Fahrmanöver wie Parkierenausgelegt. Andere Prüfeinrichtungen stammen beispielsweise aus der Schwingungstechnikund decken wiederum Prüfbereiche wie die Kleinsignalanregung ab. Anhand dieser Recherche werden die Vor- und Nachteile der Konzepte erläutert und daraus die Anforderungen für eine Prüfeinrichtung für Lenksysteme definiert. Als Ergebnis dieser Konzeptarbeit wird in dieser Arbeit ein Prüfstand für Lenksysteme mit zwei Linearmotoren und einem Schrittmotor aufgebaut. Die Komponenten werden mit einem Fahrzeug- und Umgebungsmodell gekoppelt und über eine zentrale Echtzeitumgebung gesteuert. Mit dieser Entwicklungsumgebung ist es möglich eine große Bandbreite an Testmöglichkeiten darzustellen. Die Testreihen teilen sich in die Bereiche Charakterisierung durch Systemtests, Charakterisierung des Übertragungsverhaltens und Charakterisierung durch Fahrmanöver auf. Grundlage für diese Testreihen stellen u.a. die in der Lenksystementwicklung standardisierten Fahrzeugtests (z.B. Weave-Test) dar. Die Testreihen mit erweiterter Sensorik zur Ermittlung des Übertragungsverhaltens bieten die Möglichkeit in verschiedenen Konfigurationen den Einfluss von Lenksystemkomponenten zu ermitteln. Durch den entwickelten Testkatalog steht eine neue Testmethodik zur Verfügung, mit welcher eine umfangreiche Charakterisierung von Lenksystemen durchgeführt werden kann. Unter anderem wird zum Nachweis der Leistungsfähigkeit von Lenksystemen eine Wirkungsgradmessung durchgeführt, welche die Charakteristik des Lenksystems über den gesamten Betriebsbereich zeigt. Weiterhin ergeben sich neue Erkenntnisse in Bezug auf den Lasteinfluss und die Zahnstangengeschwindigkeit auf die Durchschiebkraft. An Hand von einem konventionellen hydraulischen und zwei elektromechanischen Lenksystemen mit unterschiedlichen Regelungskonzepten wird eine Charakterisierung im Vergleich aufgezeigt und die verschiedenen Systemeigenschaften dargestellt und analysiert. Die Analyse ergibt wichtige Erkenntnisse in Bezug auf das Übertragungsverhalten der Lenksystemkonzepte und des Einflusses des Regelungskonzeptes. Es zeigt sich, dass das Übertragungsverhalten eines elektromechanischen Lenksystems im Bereich bis ca. 10 - 15 Hz durch das Regelungskonzept an ein konventionelles hydraulisches Lenksystem angenähert werden kann. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit können zukünftig die Systemeigenschaften eines Lenksystems vor allem in Bezug auf das Übertragungsverhalten detailliert ermittelt und optimiert werden. Weiterhin wird die Möglichkeit geschaffen Fahrzeugtests in die teil-virtuelle Welt auf einen Lenksystemprüfstand zu verlagern. Es können die Systemeigenschaften auf Gesamtfahrzeugebene ermittelt und standardisierte Testreihen aus der Lenksystementwicklung unter robusten Testbedingungen durchgeführt werden.

In this study the current state of the art in testing equipment for steering systems is investigated firstly. The test equipment used by suppliers mostly used for the proof of endurance strength and are designed for specific driving conditions such as parking. Other test equipment for example coming from the vibration control and cover up test fields as the small-signal excitation. Based on this research, the advantages and disadvantages of the concepts are explained and the requirements for a testing device for steering systems are defined. As a result of this concept work a test bench for steering systems with two linear motors and a step motor is configured in this work. The components are coupled to a vehicle and environment model and controlled by a central real-time environment. With this development environment it is possible to describe a wide range of testing capabilities. The tests series are divided into the fields of characterization in system testing, characterization of the transfer behavior and characterization by driving maneuvers. Among others standardized vehicle tests (e.g. Weave-Test) in the steering system development provide the basis for these test series. The test series with an extended sensor setting for measuring the transfer characteristics of the steering system offer the possibility in various configurations to determine the influence of the steering system components. With the developed test catalog a new test method is available, which allows to conduct an extensive characterization of steering systems. Among others for the detection of the performance of steering systems an efficiency measurement is carried out, which shows the characteristic of the steering system over the whole operating range. Furthermore new findings in relation to the load influence and the rack velocity on the system friction have been resulted. On the basis of a conventional hydraulic and two electric steering systems with different controller concepts a characterization in comparison is presented and the various system characteristics are illustrated and analyzed. The analysis reveals important insights regarding the transfer behavior of the steering system concepts and the influence of the controller concept. It turns out, that the transfer behavior of an electric power steering system in the range up to 10 - 15 Hz can be approximated by the controller concept to a conventional hydraulic steering system. In future with the results of this work the system characteristics of a steering system can be determined and optimized in detail especially with focus on the transfer behavior. Furthermore the possibility is created to transfer vehicle tests to the semi- virtual world on a steering system test bench. The system characteristics at vehicle level can be investigated and standardized tests from the steering system development can be executed under robust testing conditions.