Universität Duisburg-Essen: Lehrstuhl für Mechatronik
"Sage es mir, und ich vergesse es; zeige es mir, und ich erinnere mich; lass es mich tun und ich behalte es" (Konfuzius).
Am Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Duisburg-Essen lernen die Studierenden das Gebiet der Fahrdynamik interaktiv im Umgang mit der Simulationssoftware CarMaker. Begleitend zu den Vorlesungen Fahrzeugtechnik und Fahrzeugdynamik führen die Studenten in Rechnerübungen mit CarMaker eigene virtuelle Fahrversuche durch und lernen so Schritt für Schritt, das dynamische Verhalten von Fahrzeugen zu verstehen. Außerdem werden in Studien- und Diplomarbeiten interessante Forschungsprojekte mit CarMaker behandelt.
Um die Dynamik eines Fahrzeuges möglichst umfassend zu beurteilen, werden während der Fahrzeugentwicklung neben Versuchsfahrten auf der Teststrecke auch Fahrdynamik-Simulationen am Computer durchgeführt. Diese virtuellen Fahrversuche haben den Vorteil, dass sie - frei von äußeren Einflüssen - reproduzierbare Ergebnisse liefern. Damit lassen sich die Resultate aus den virtuellen Fahrversuchen eindeutig in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrzeugparametern darstellen. Sowohl grundlegende als auch sehr komplexe fahrdynamische Zusammenhänge können somit systematisch analysiert werden.
Diese Eigenschaft macht die Fahrdynamik-Simulation nicht nur für die Fahrzeugentwicklung in der Industrie, sondern auch für die Forschung und Lehre an den Universitäten interessant. Am Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Duisburg-Essen wird die Fahrdynamiksoftware CarMaker eingesetzt, um verschiedene Forschungsprojekte zu bearbeiten und angehenden Ingenieuren das Gebiet der Fahrdynamik anschaulich zu vermitteln.
Begleitend zu den Vorlesungen Fahrzeugtechnik und Fahrzeugdynamik bietet der Lehrstuhl Rechnerübungen an, in denen die Studierenden fahrdynamische Zusammenhänge interaktiv im Umgang mit CarMaker kennenlernen. Der Einstieg in CarMaker ist dank der intuitiven Bedienbarkeit sehr leicht, so dass die Studenten bereits nach einer kurzen Einführung verschiedene Fahrversuche aufbauen können. Während und nach der Simulation verfolgen sie die virtuellen Testfahrten in der 3D-Animation von CarMaker und analysieren ausgewählte Simulationsgrößen. Ziel dieser Übungen ist es zu Anfang, das Verständnis der Studierenden für die grundlegenden fahrdynamischen Größen, wie Nicken, Gieren, Wanken oder den Schwimmwinkel, zu festigen. Darauf aufbauend lernen sie Schritt für Schritt, die dynamischen Eigenschaften von Fahrzeugen hinsichtlich Fahrstabilität, Komfort und Sicherheit zu beurteilen. Dazu werden eigene Fahrzeugmodelle, deren Abstraktionsgrad vom linearen und nichtlinearen Einspurmodell über das Zweispurmodell bis hin zu komplexen Mehrkörpermodellen reicht, über die CarMaker-eigene C-Schnittstelle in die Simulationsumgebung integriert. Das Fahrverhalten wird dann anhand von Standardmanövern (z.B. stationäre Kreisfahrt, ISO-Spurwechsel oder Lenkwinkelsprung) untersucht und bewertet. Auch Fahrzeugsicherheitssysteme wie ABS, ASR und ESP, die Studierende in Studien- und Diplomarbeiten untersuchen, werden in CarMaker eingebunden.
Insgesamt kann gesagt werden, dass die Kombination von Vorlesung und Rechnerübung eine gute Kombination von theoretischer Wissensvermittlung und praktischer Anwendung darstellt. Die Studierenden erlangen dadurch ein tiefes Verständnis über die Bedeutung der Fahrdynamik und erlernen moderne Arbeits- und Bewertungsmethoden, wie sie in der professionellen Fahrzeugentwicklung angewendet werden.
Neben der Anwendung in der Lehre wird CarMaker auch als Werkzeug für unterschiedliche Forschungsprojekte eingesetzt. So wird in einem aktuellen Projekt am Lehrstuhl für Mechatronik in Duisburg, in Kooperation mit dem Rennfahrer und Rennfahrzeugspezialisten Matthias Holle, die Fahrdynamik eines für Rennfahrten getunten Honda S2000 untersucht. Dabei werden Fahrmanöver auf einer virtuellen Teststrecke mit CarMaker simuliert und mit Messdaten abgeglichen, um in einem weiteren Schritt die Rundenzeiten des Fahrzeugs in der Simulation durch fahrdynamische Optimierungen zu senken.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Honda S2000 zunächst mit CarMaker originalgetreu abgebildet. Der Rennwagen wurde hierzu ausgemessen und die Fahrwerkskinematik mit IPG-KINEMATICS modelliert. Ebenso wurden die Motordaten des Honda S2000 in CarMaker eingespeist und mit GPS-Daten und IPG-ROAD eine virtuelle Strecke des Nürburgrings erstellt. Um das Fahrverhalten des virtuellen Honda S2000 mit dem realen Fahrzeug zu vergleichen, wurden auf dem Nürburgring Testfahrten durchgeführt. Hierzu stattete man den Honda S2000 mit unterschiedlichen Sensoren aus, welche die Messdaten für die anschließende Fahrdynamik-Analyse lieferten. Der Vergleich des Eigenlenkgradienten aus den Messdaten und der Simulation zeigte eine gute Übereinstimmung. Somit können nun mit CarMaker verschiedene Fahrzeugparameter variiert und getestet werden, um das Fahrverhalten des Honda S2000 zu optimieren.
Der wissenschaftliche Hintergrund dieses Projektes ist es, typische, die Fahrdynamik beschreibende Parameter direkt beim gewöhnlichen Fahrzeugeinsatz zu ermitteln, ohne die sonst üblichen aufwendigen Versuche (z.B. Stationäre Kreisfahrten) durchführen zu müssen. In diesem Zusammenhang werden Methoden erforscht, die es zulassen, über den Abgleich von simulierten Fahrten mit Messdaten, die bei gewöhnlichen Fahrzeugeinsätzen aufgezeichnet werden, einzelne Fahrdynamikparameter ausreichend gut zu bestimmen.
