Exploring new fields of virtual load prediction by accurate tire simulation for large deformations and flexible rim support

摘要

Innerhalb der letzten 10 Jahre ist in der Automobilindustrie ein deutlicher Trend festzustellen, Niederquerschnittsreifen mit immer kleinerem Querschnittsverhältnis zu verwenden. Auch der Einsatz von Reifen mit Notlaufeigenschaften steigt in der Grundausstattung weiter an. In verschiedenen jüngeren Publikationen wurde der Einfluss dieser Reifentypen auf die dynamischen Lasteinträge in das Fahrzeug untersucht. Diese Untersuchungen beinhalteten auch vergleichende Radkraftmessungen über entsprechende Messräder. Es wurde dabei nachgewiesen, dass die Verwendung von Niederquerschnittsreifen - besonders in Kombination als Run-Flat-Reifen - zu signifikant höheren Lasteinträgen in das Fahrwerk führen. Diese Reifentypen verfügen typischerweise über größere Steifigkei-ten der Seitenwand, während simultan wegen der niedrigeren Seitenwandhöhen die relativen Deformationen der Seitenwand größer werden. Die größeren Seitenwanddeformationen triggem wegen der verstärkten Seitenwand bei Run-Flat-Reifen im Bereich des Gürtelanschlusses dann wieder größere Nichtlinearitäten des Seitenwandverhaltens [1-3]. Abhängig vom Fahrzeugtyp, Reifeneigenschaften und Fahrmanöver können diese Reifendeformationen so groß werden, dass Gürtel und/oder die Seitenwand Kontakt mit dem Felgenhorn bekommen. Die Methode der "virtuellen Teststrecke", d.h. die Simulation von Gesamtfahrzeugen auf digitalisierten Teststrecken, hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Bestandteil des Fahrzeugentwicklungsprozesses entwickelt. Eines der wichtigsten Subsysteme des Gesamtfahrzeugmodells in der virtuellen Lastdatenermittlung stellt das Reifenmodell dar. Die Vorhersagegenauigkeit des Reifenmodells ist wesentlich für die Gesamtgenauigkeit der virtuellen Methode. Die beschriebenen Trends in Bezug auf Verwendung neuer Reifenkonzepte wie Run-Flat-Reifen erfordern demnach zwingend eine Anpassung und Verbesserung der entsprechenden Reifenmodelle. Schon 2007 begann Fraunhofer LBF zusammen mit Honda R&D in Japan den Einfluss von Niederquerschnitts- und Run-Flat-Reifen auf die Vorhersagegenauigkeit der Fahrzeugsimulation im Bereich der Lastdatenermittlung für Betriebsfestigkeitsaussagen zu untersuchen [3-5]. Diese Untersuchungen waren der Startpunkt einer nun schon 4 Jahre andauernden gemeinsamen Entwicklungsaktivität zur Erweiterung der Nutzbarkeit der virtuellen Lastdatenermittlung auf Anwendungsbereiche bei denen sehr große Reifendeformationen bis hin zum Felgenkontakt und der damit verbunden entsprechende Nichtlinearitäten des Reifens eine zentrale Rolle spielen. Ein wesentlicher Bestandteil dieser gemeinsamen Entwicklungsaktivitäten war die Entwicklung eines erweiterten Reifenmodells für die Anwendung im Bereich sehr großer Reifendeformationen bis hin zu Anwendungen im Bereich von missbrauchsnahen Sonderereignissen. Das Modell basiert auf dem fraunhofereigenen Reifenmodell CDTire. Im ersten Kapitel werden verschiedene nichtlineare Erweiterungen der Gürtel- und Seitenwandteilmodelle beschrieben, die notwendig waren, um sehr große Reifendeformationen adäquat abzubilden. Diese Erweiterungen umfassen auch einsprechende Kontaktmodelle zur Berücksichtigung von Gürtel/Seitenwand- bzw. Seitenwand/Felgenkontakts. Zur Validierung und Parametrierung dieser Modellerweiterungen entwickelte und realisierte das Fraunhofer LBF einen speziellen Flachbahnprüfstand mit Hilfe dessen dynamische Schwellenüberfahrten für sehr große Schwellen realisiert werden können. Damit ist es möglich dynamisch sehr große Reifendeformationen bis hin zum Felgenkontakt zur untersuchen. Dieser Prüfstand wird in Kapitel 2 beschrieben. Das dritte Kapitel widmet sich der Verbindung des neuen Reifenmodells mit einer flexiblen Felge. Während die auf das Fahrwerk wirkenden Einflüsse über die an der Radnabe akkumulierten Kräfte mittels spezieller Messräder relativ einfach zu messen sind, können die lokal auf das Felgenhorn einwirkenden Kräfte wesentlich schwieriger ermittelt werden - sowohl durch Messungen wie auch durch numerische Simulation. Fraunhofer LBF entwickelte eine Methode zur Ermittlung lokaler Schnittkräfte zwischen Reifen und Felge und zur Einbindung flexibler Felgenmodelle in das MKS-Gesamtfahrzeugmodell (LMSVirtuaI.Lab Motion - [6]). Ein wesentlicher Punkt dabei ist die Fähigkeit des Reifenmodells lokale Reifen/Felgenschnittkräfte am Felgenhorn zu detektieren. Die zweite zentrale Herausforderung ist die Kombination des Reifenmodells mit dem FEM-Modell der flexiblen Felge (welches im MKS-Gesamtmodell eingebettet ist). Die entwickelte Methode kann zur virtuellen Ermittlung lokaler transienter Felgenkräfte benutzt werden, die ihrerseits wieder Grundlage für eine CAE basierte Schädigungsbewertung der Felge darstellen. Dabei können transiente Lastfälle, wie extreme Borsteinüberfahrten bis hin zu missbrauchsähnlichen Sonderereignissen, aber auch komplette Betriebsfestigkeitsteststrecken, im Gesamtfahrzeugkontext untersucht werden.%During the past ten years, there has been a significant trend in automotive design using low aspect ratio tires and increasingly run-flat tires as well. In recent publications, the influence of those tire types on the dynamic loads - transferred from the road through the wheel into the car - have been examined pretty extensively, including comparative wheel force transducer measurements as well as computational results. It can be shown that the loads to the vehicle tend to increase when using low aspect ratio tires and particularly when using run-flat tires. These tires provide higher stiffnesses while simultaneously introducing larger nonlinearities in the sidewall behavior [1-3]. Depending on manufacturer and the combination of vehicle size and wheel properties, these deformations can be so large that the tire belt and/or sidewall have contact with the rim crown (protected by the tire sidewall). The full vehicle simulation on virtual proving grounds is well established and important for the vehicle product development process. One of the most important subsystems in the virtual load assessment process, using full vehicle simulation is the tire model. The precision of that is essential for the overall accuracy of the virtual method. So the tendencies described above strongly require adaptations and improvements in the field of tire modeling. In 2007, Fraunhofer LBF together with Honda R&D started to examine the influences of low aspect ratio and run flat tires for the accuracy of full vehicle simulation results for durability relevant scenarios [3-5]. Those activities were the starting point for a four years joint activity to extend the usability of the virtual load prediction method by full vehicle simulation to application for which strong nonlinearities in the tire (large very transient deformation), but also in the vehicle model itself occur. As a part of that joint development, this paper summarizes the activities of Fraunhofer LBF to develop a dedicated tire model, which can accurately handle very large deformations of the tire up to misuse-like applications. The model is based on the LBF tire model CDTire. In the first chapter several nonlinear extensions of the belt and sidewall model will be described which have been implemented to capture the large deformation behavior. These model extensions are also taking into account the belt-to-sidewall and sidewall-to-rim contact. To validate and to parameterize these model extensions, Fraunhofer LBF built a dedicated flat track test rig, which can be used to realize"roll-over-cleat" experiments using huge obstacles, so that belt-to-sidewall and sidewall-to-rim contact can be forced. This test rig will be described in chapter 2. The third chapter is dealing with the interface of the new tire model to a flexible rim. While the load transfer from road via tire into the vehicle is relatively easy to detect, for example by using wheel force transducers, the local forces acting on the rim flanges as well as on the wheel well (when e.g. passing a curb) are much more difficult to detect (in measurement as well as in simulation). LBF developed a method to detect local tire-to-rim interface forces and manage flexible rim simulation in Multi-Body-Simulation (LMS Virtual. Lab Motion - [6]). One key issue of the overall method is the capability of the tire model to predict local rim forces on the rim flanges in a suitable way. The second key issue is to combine the tire with a model of a flexible rim (which is embedded in a full vehicle MBS model). This method can be used to perform virtual load prediction of local, transient rim forces, which are the basis for CAE based fatigue life prediction of wheels applying typical durability test track and abuse load events.