Experimentelle Identifizierung des Rades

Aug 27, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16015 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Da die Radinteraktion mit bestimmten Geländefällen (Asphalt, Beton) bekannt und gut beschrieben ist, wenn es sich um geradlinige Bewegungen sowie rutschfeste und rutschige Kurvenbedingungen handelt, muss der Fall von radgelenkten Fahrzeugen analysiert werden. Der Seitenschlupf für verschiedene Anstellwinkel muss untersucht werden. Das Hauptinteresse der im Projekt dargestellten Forschung ist die Berechnung des Energiebedarfs von Radfahrzeugen mit Kompaktlader unter verschiedenen Geländebedingungen. Bestimmte Fälle von vollelektrischen Fahrzeugen mit einzelnen Elektromotoren pro Rad erfordern eine genaue Bewertung der Längs- und Querkräfte, um die vollständig kontrollierte Kurvenfahrt durchzuführen. Der von den Autoren entworfene und entwickelte Versuchsstand ermöglicht das Testen der Rad-Oberflächen-Interaktion für verschiedene Geländebedingungen und unterschiedliche Fahrtrichtungen. Testdaten wurden für trockenen und nassen Sand- und Granitbelag erfasst. Traktions- und Seitenkräfte wurden erfasst und verwendet, um die Parameter des Rad-Boden-Wechselwirkungsmodells für nicht angetriebene Räder zu identifizieren. Ergebnisse in Form von Zeitreihen, einschließlich Längs- und Querkräften, zeigen den Zusammenhang zwischen Anstellwinkel, Last und Oberflächenbedingungen im Hinblick auf das Stick-and-Slip-Phänomen, das für Berechnungen der Kompaktlenkungsdynamik wesentlich ist. Die Messergebnisse werden dann zur Berechnung der Längs- und Querkraftkoeffizienten als Funktion des Anstellwinkels und der Vertikallast verwendet. Die Tests wurden in natürlicher Umgebung durchgeführt und unterliegen daher veränderlichen Bedingungen. Zur Eliminierung dieses Einflusses werden mehrere Läufe verwendet. Die beschriebenen Experimente sind Teil des Projekts, das die Verallgemeinerung der Ergebnisse mithilfe eines testvalidierten FEM-Modells umfasst. Die beschriebene Arbeit zielt nicht darauf ab, neue Boden-Reifen-Interaktionsmodelle zu entwickeln, sondern konzentriert sich auf eine numerisch effiziente Methode zur Berechnung des Traktionsaufwands für verschiedene Bedingungen, einschließlich Passivmodus – nicht angetriebenes Rad.

Geländefahrzeuge, insbesondere unbemannte und autonome Maschinen, werden optimiert, um Abmessungen und Gewicht zu minimieren. Infolgedessen werden bei der Konstruktion kleiner, mittlerer und schwerer unbemannter Fahrzeuge weniger komplexe Getriebe- und Lenksysteme verwendet. Die gebräuchlichste Lösung sind elastische Federung und Kufenlenkung mit elektrischen oder hydraulischen Fahrmotoren. Bei Geländefahrzeugen mit Elektroantrieb ist das Volumen des Energiespeichers ein entscheidender Parameter. Bei elektrischen Antriebssystemen mit hoher Überlastfähigkeit ist es wichtig, das mittlere Dauerdrehmoment und die Leistung sowie die maximalen Leistungsparameter zu ermitteln, um das Kraftwerk, das Energiespeichersystem und die Antriebsmotoren richtig abzustimmen. Eine ordnungsgemäße Analyse des Stromverbrauchs in verschiedenen Geländen und eine genaue Missionsdefinition ermöglichen die Optimierung des Batteriesystems, wodurch modular aufgebaute Batterien verwendet werden können, die entsprechend den Missionsanforderungen konfiguriert werden. Um den Energiebedarf abzuschätzen, ist es wichtig, eine universelle und schnelle numerische Methode zur Vorhersage des Energieverbrauchs zu entwickeln.

Die in diesem Dokument beschriebene Arbeit ist Teil des Projekts, das sich auf die Entwicklung einer universellen Methodik für den Entwurf, die Optimierung und die Analyse moderner Antriebssysteme für verschiedene Fahrzeugtypen und Geländebedingungen konzentriert. Da das Verhalten und die Leistung von Fahrzeugen auf der Straße gut beschrieben sind, mangelt es an zugänglichem Wissen über die Leistung verschiedener Fahrzeugtypen im Gelände. Methoden zur Bewertung der Traktionsleistung basieren einerseits auf komplexen und oft unzureichenden theoretischen Modellen und andererseits auf experimentellen Tests bestimmter Fahrzeugtypen. Die in diesem Artikel vorgeschlagene Methodik ist eine Kombination aus experimentellen, theoretischen und numerischen Methoden, die eine schnelle Berechnung des Traktionsaufwands mit akzeptabler Genauigkeit ermöglicht. Der wichtigste Aspekt der Forschung war die Vorhersage der Quer- und Längskräfte für nicht angetriebene Räder. Wie in früheren Untersuchungen für Kettenfahrzeuge beobachtet wurde, besteht die Möglichkeit, Energie aus dem internen Gleis zurückzugewinnen, und – wie in weiteren Untersuchungen untersucht wird – für Radfahrzeuge. Der einfachste und anspruchsvollste Motor in Bezug auf das von Elektromotoren erzeugte Drehmoment wird der Nulldrehungsmotor sein. Bei verschiedenen und vollständig kontrollierten Kurven ist es wichtig, die Widerstandskräfte für nicht angetriebene Räder für verschiedene Anstellwinkel zu untersuchen und den möglichen Energierückgewinnungsgrad zu berechnen.

Die Dynamik von Radfahrzeugen unter Straßenbedingungen wurde umfassend beschrieben und es werden verschiedene Modelle zur Beschreibung des Rad-Straßen-Verhaltens vorgeschlagen. Das wichtigste Phänomen ist der Stick-Slip-Mechanismus, der mithilfe verschiedener Reibungsmodelle1 berücksichtigt wurde. Modelle werden auch zur Beurteilung der Reifenverformung in verschiedenen Fällen verwendet: vertikale Belastung im stationären Zustand, Längs- und Querkraft (Querkraft). Analytische und numerische Modellierungsmethoden vernachlässigen in den meisten Fällen die Radverformung unter der Seitenlast, obwohl sie zum Anstieg des Rollwiderstands beiträgt2. Um genauere Ergebnisse zu erzielen, können empirische Modelle, FEM-Methoden und Feder-Dämpfer-Radmodelle eingesetzt werden3. Als komplexerer Ansatz basierte die Reifen-Boden-Interaktion hauptsächlich auf experimentellen Bodenparametertests. Der Kegeltest wurde zur Messung der Scher-, Zug- und Dehnungsfestigkeit des Bodens verwendet4,5. Die Bodentesttechnologie wurde erstmals von Bekker6 eingeführt. Die Bekker-Methode basierte auf zwei Tests: Plattensinktest und Schertest. Zur Messung der Einsenkung wurden Platten mit normalisierten Abmessungen und zur Messung der Scherung Scherringe oder -platten verwendet. Als Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen Druck und Bodenverformung berechnet, wie er durch das Absinken angezeigt wird

Dabei ist \(\sigma\) der Normaldruck, kc, kϕ, n sind Bodeneigenschaftenparameter, z ist die Bodensinkung, B ist die Reifenbreite, ϕ ist der freie Scherwinkel des Bodenwiderstands, τ ist die Scherspannung , kKohäsion ist die Bodenkohäsion, j ist die Scherverschiebung.

Das auf dem Bekker7-Modell basierende Verfahren war die erste komplexe Methode zur Spannungsberechnung im Reifen-Boden-Kontaktbereich und darunter. Die Bekker-Gleichung ermöglicht die Berechnung des Normaldrucks als Funktion der Sinkung (Gleichung 1), die modifizierte Coulomb-Gleichung (Gleichung 2) wird zur Berechnung der Scherspannung unter Berücksichtigung von Parametern wie Scherverschiebung, Kohäsion und Bodenscherverformung verwendet8.

Das Bekker-Modell und andere frühe Ansätze vernachlässigen den Einfluss der Reifenverformung auf die Radoberflächendynamik aufgrund der Annahme der Radsteifigkeit. Neu entwickelte Modelle ermöglichen die Berücksichtigung der Reifenverformung (Schmid9). Die moderne Forschung konzentriert sich auf die Finite-Elemente-Analyse.

Hydraulische und elektrische Antriebssysteme ermöglichen den individuellen Antrieb jedes Rades, sodass eine präzise Drehmomentverteilung möglich ist. Es gibt verschiedene Ansätze für Rad-Boden-Tests unter Verwendung eines Radprüfstands10,11. Zu den analysierten Untersuchungen gehören Antriebsradprüfstände12 mit Anstellwinkelsteuerung unter Laborbedingungen. Es werden auch Fälle mit blockierten und nicht angetriebenen Rädern beschrieben und getestet12,13. Ziel der Forschung ist es, die effizienteste Methode zur elektrischen Fortbewegung im Gelände zu finden, die im Fahrzeugsteuergerät implementiert werden kann. Wie von Flippo und Miller14 beschrieben, besteht die Notwendigkeit, einzelne Radständer zu testen – insbesondere im Fall der in diesem Artikel beschriebenen Forschung, die auf einem Rad in voller Größe basiert. Die Verbesserung der Berechnungsmethoden für Widerstandslasten ist für die Konstruktion von UGV von wesentlicher Bedeutung, um die Steuerungssysteme und die Genauigkeit zu optimieren und gleichzeitig den Energiebedarf für den Antrieb von Fahrzeugen zu minimieren15.

Die im Papier beschriebene Methode ist Teil des Projekts, das sich auf die Bereitstellung eines genauen Modells des Traktionsaufwands für verschiedene Fahrzeugkonfigurationen konzentriert. Es gibt zwei Datenbanken mit den Straßenbedingungen und der Fahrzeugkonfiguration. Zu den Straßenbedingungen gehören die Art des Geländes, der geforderte Weg, die Geschwindigkeit und die Leistung des Fahrzeugs. Die Fahrzeugkonfiguration umfasst Masse, Lenkmechanismus, Anzahl der Räder und deren Design. Basierend auf einer vorläufigen Analyse würde das Modell ausgewählt werden. Für einfache Fälle der Leistung auf der Straße wird ein theoretisches Modell ausgewählt. Für Geländebedingungen im Gelände wird ein Modell angewendet, das auf experimentellen Tests und FEM-Analysen basiert. Für verschiedene Bedingungen und unterschiedliche Radkonfigurationen werden Traktionskräfte berechnet. Modelldaten werden mit den Feldtestergebnissen validiert (Abb. 1).

Modell der Bodenreifeninteraktion.

Basierend auf den Ergebnissen von Feldtests und numerischen Analysen werden der Rollwiderstand und das Drehmoment des Fahrzeugs, insbesondere bei Fahrzeugen mit Kompaktladerlenkung, berechnet. Da sich die Autoren auf die vereinfachte Gestaltung unbemannter Fahrzeuge konzentrieren, wird auch das Skid-Steering berücksichtigt. Dadurch können die Vorteile des elektrischen Antriebssystems genutzt werden: einzeln angetriebene Räder, Nulldrehungsfähigkeit, hohes Überlastverhältnis.

Als Repräsentation jedes Rades während der Tests wurde der Laborstand konzipiert und zur Simulation unterschiedlicher Geometrie- und Straßenbedingungen genutzt. Die Radbewegung erfolgte durch ein externes Antriebssystem. Bei den vorgestellten Tests gab es keinen Elektromotor, der das Rad antreibt. Die Konstruktion besteht aus zwei Grundelementen: Schiene und Rahmen. Die Schiene ist dafür verantwortlich, die richtige Richtung der Radbewegung aufrechtzuerhalten, und der Rahmen überträgt die Last über Kraftwandler vom Rad auf den Boden. Die Wandler sind mit den Stangen verbunden, wodurch zwei Lastmessrichtungen isoliert werden können: Längsrichtung und Querrichtung, definiert im Rahmenkoordinationssystem. Es ist möglich, das Rad in der vertikalen Achse zu drehen, um unterschiedliche Antriebsrichtungen zu erreichen (Abb. 2).

Experimenteller Stand.

Der Versuchsstand ermöglicht die Konfiguration verschiedener Radleistungsparameter für unterschiedliche und spezifische Bodenbedingungen. Der Anstellwinkel (Winkel zwischen der vertikalen Radsymmetrieebene und der Bewegungsrichtung) kann von 0° auf 90° geändert werden. Weitere Parameter, die geändert werden könnten, sind: Radlast, Reifendruck. Das Stativ ist eine mobile Konstruktion und kann im Feld zur Messung der Kräfte unter natürlichen Bedingungen eingesetzt werden. Das einzigartige Design des Ständers ermöglicht die Messung der Längs- und Querkraft im Koordinatensystem des sich bewegenden Wagens. Zum Testen wurde das Offroad-Gewinderad der Größe 20 × 10,00–8″ verwendet. In Abb. 4 sind die Radgeometrie während des Schleuderlenkmanövers und die gemessenen Kräfte dargestellt.

Basierend auf der direkten Messung ist es möglich, Kräfte zu berechnen, die mit der Geometrie des Rads zusammenhängen. Flong- und Flat-Kräfte sind die Projektion der aus Flong und Flat resultierenden F-Kraft auf das Radkoordinatensystem. Flong-Wheel- und Flat-Wheel-Kräfte können mithilfe der Park-Transformation abgeleitet werden, wobei davon ausgegangen wird, dass die x-Achse die Seitenkräfte in einem am Rahmen befestigten Koordinatensystem definiert.

Bezogen auf Abb. 3 können die gesamten Längs- und Querkräfte bezogen auf die geometrischen Achsen des Rads wie folgt ausgedrückt werden:

Geometrisches Modell des Rades, Draufsicht. x–y – Koordinatenachsen beziehen sich auf die Bewegungsrichtung, xwheel–ywheel – Koordinatenachsen beziehen sich auf die Radgeometrie, Flong – gemessene Längskraft bezogen auf die Bewegungsrichtung, Flat – gemessene Querkraft bezogen auf die Bewegungsrichtung, F – die Resultierende Kraft bezogen auf die Koordinatenachsen der Bewegungsrichtung, Flong-Rad – Längskomponente der Kraft bezogen auf geometrische Radachsen, Flaches Rad – seitliche Komponente der Kraft bezogen auf geometrische Radachsen, αw – Schräglaufwinkel (zwischen Bewegungsrichtung und Radkoordinatensystem) 16.

Für den in Abb. 4 dargestellten Fall hat die Kraft des Flachrads für das gewählte Koordinatensystem einen negativen Wert. Im Falle des maximalen Raddrehwinkels, αw = 90°, ist die xRad-Achse parallel zur y-Achse und die yRad-Achse wird folglich parallel zur x-Achse sein, also:

Längs- und Querkräfte bezogen auf die Radgeometrie für αw = 0° für Granitoberfläche.

Resultierende Längskraft Flong Rad, ist für die Erzeugung des Traktionsdrehmoments verantwortlich. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Flong-Rad eine Zugkraftkraft darstellt. Jedes Rad erzeugt eine Widerstandskraft, die durch den durch das Drehmoment verursachten Schlupf entsteht, der es einem Fahrzeug mit Kompaktlenkung ermöglicht, die Kurve auszuführen.

Es wurden Tests für 4 Anstellwinkel αw = 0°, 30°, 60° und 90° durchgeführt. Der Druck im Reifen betrug 0,15 MPa und die vertikale Radlast betrug 80 kg. Das Rad wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/s auf der Schnee- und Granitoberfläche angetrieben. Die Ergebnisse für stationäre Bedingungen sind in den folgenden Diagrammen dargestellt.

Auf den Feigen. In den Abbildungen 4 und 5 sind die am wenigsten anspruchsvollen Fälle dargestellt. Der Angriffswinkel ist gleich 0, sodass die Seitenkräfte das Minimum erreichen sollten. Es konnten Schwankungen der Längskräfte beobachtet werden, die durch Oberflächenfehler verursacht wurden. Weitere Experimente sind in den Abbildungen dargestellt. Die Abbildungen 6, 7, 8, 9 und 10 zeigen den Anstieg der Seitenkraft aufgrund der Erhöhung des Anstellwinkels. Bei 90° gibt es einen großen Beitrag der Längskraft und die Querkraft ist gleich 0. Die Abbildungen 8 und 10 zeigen die Rohdaten der Experimente. Wie beobachtet werden konnte, gibt es periodische Stick-Slip-Phänomene, die weiter untersucht werden müssen.

Längs- und Querkräfte bezogen auf die Radgeometrie für αw = 0°. Auf der linken Wellenform: loser Schnee; auf der rechten Wellenform: verdichteter Schnee.

Längs- und Querkräfte bezogen auf die Radgeometrie αw = 30°. Auf der Wellenform oben links: trockener Granit; oben rechts Wellenform: nasser Granit. Auf der Wellenform unten links: loser Schnee; auf der Wellenform unten rechts: verdichteter Schnee.

Längs- und Querkräfte bezogen auf die Radgeometrie für αw = 60°. Auf der Wellenform oben links: trockener Granit; oben rechts Wellenform: nasser Granit. Auf der Wellenform unten links: loser Schnee; auf der Wellenform unten rechts: verdichteter Schnee.

Längs- und Querkräfte bezogen auf die Radgeometrie für αw = 60°. Auf der linken Seite Wellenform-Rohdaten für trockenen Granit; auf der rechten Wellenform Rohdaten für den nassen Granit.

Längs- und Querkräfte bezogen auf die Radgeometrie für αw = 90°. Auf der Wellenform oben links: trockener Granit; oben rechts Wellenform: nasser Granit. Auf der Wellenform unten links: loser Schnee; auf der Wellenform unten rechts: verdichteter Schnee.

Längs- und Querkräfte bezogen auf die Radgeometrie für αw = 90. Auf der linken Wellenform Rohdaten für den losen Schnee; auf der rechten Wellenform Rohdaten für verdichteten Schnee.

Der in früheren Arbeiten und diesem Artikel vorgeschlagene Ansatz führt zu einem empirischen Modell zur Berechnung des Traktionsaufwands für skidgelenkte Fahrzeuge. Das Modell ermöglicht die Berechnung des Giermoments für radgelenkte Fahrzeuge auf verschiedenen Oberflächen und unter verschiedenen Geländebedingungen. Der erste Schritt war die Berechnung der Widerstandskräfte, die es ermöglichen, die Traktionskraft für jedes Rad zu berechnen.

Eingabeparameter für das Modell sind16.

Schräglaufwinkel,

Normalkraft (Radaufstandslast),

Raddruck,

Bodenmuster.

Ausgabeparameter des Modells.

Längskraft – Beitrag zum Traktionswiderstand des Fahrzeugs,

Seitenkraft – Beitrag zum Traktionswiderstand des Fahrzeugs,

Radlängskraft – erzeugt Traktionswiderstand für jedes Rad,

Seitliche Radkraft – erzeugt ein Biegemoment für das Rad und Belastungen für das Aufhängungssystem.

Das Modell basiert auf experimentell abgeleiteten Lastmustern für Lasten, die auf jedes Fahrzeugrad wirken. Die Abbildungen 11, 12, 13 und 14 zeigen gemittelte Testergebnisse in Abhängigkeit vom Schräglaufwinkel für durchgeführte Testbedingungen.

Werte der Längs- und Querkräfte in Abhängigkeit vom Gleitwinkel (Angriffswinkel) – trockener Granit.

Werte der berechneten Längs- und Querkräfte in Abhängigkeit vom Gleitwinkel (Angriffswinkel) – nasser Granit.

Werte der Längs- und Querkräfte in Abhängigkeit vom Gleitwinkel (Angriffswinkel) – loser Schnee.

Werte der berechneten Längs- und Querkräfte in Abhängigkeit vom Gleitwinkel (Angriffswinkel) – verdichteter Schnee.

Der resultierende Traktionswiderstand könnte wie in Gleichung (1) dargestellt abgeleitet werden. (7)

Dabei ist ft der Traktionswiderstandskoeffizient, pt der Reifendruckkoeffizient und gm die Radlast.

Um die Ergebnisse zu verallgemeinern, werden zwei Koeffizienten eingeführt: der Längs- und der Querwiderstandskoeffizient (Gl. 8, 9).

Dabei ist G das Fahrzeuggewicht (mg).

Die im Artikel vorgestellte Methode ist Teil des Projekts, das sich auf die ungefähre Berechnung der Traktionskräfte für unbemannte Fahrzeuge im Fall des Modus ohne angetriebene Räder konzentriert.

Die Tests wurden unter natürlichen Bedingungen durchgeführt und wurden durch Schneediskontinuität, geometrische Unvollkommenheiten der Fahrbahn und Wetterbedingungen beeinflusst. Es wird empfohlen, den Test auf zwei getrennte Arten durchzuführen: in einer vollständig kontrollierten Laborumgebung und vor Ort mit einem Fahrzeug mit vier bis sechs Rädern. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Gestaltung der Laboranlage und des Testfahrzeugs konzentrieren.

Zur Verallgemeinerung des Modells wird ein mit Versuchsergebnissen validiertes FEM-Modell verwendet. Die präsentierten Ergebnisse sind Beiträge zum allgemeinen Rad-Boden-Interaktionsmodell, das von den Autoren entwickelt wurde.

Die Methodik zielt nicht darauf ab, neue Boden-Reifen-Interaktionsmodelle zu entwickeln, sondern konzentriert sich auf eine numerisch effiziente Methode zur Berechnung des Traktionsaufwands.

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Diese Forschung wurde vom National Center of Research and Development finanziert. Projektnummer DOBR-BIO/083/13431/2013.

Abteilung für Angewandte Mechanik, Schlesische Technische Universität, Fakultät für Maschinenbau, Akademicka 2A, 44-100, Gliwice, Polen

Tomasz Czapla

Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, Schlesische Technische Universität, Fakultät für Elektrotechnik, Akademicka 2A, 44-100, Gliwice, Polen

Marcin Fice & Roman Niestrój

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TC hat den Laborstand entworfen und die Testmethodik formuliert, RN war für die Datenerfassungssoftware und Systemeinrichtung verantwortlich, MF war für die Datenerfassung und Ergebnisdiskussion verantwortlich. Die Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt. Die Beiträge der Autoren sind gleich.

Korrespondent ist Tomasz Czapla.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Czapla, T., Fice, M. & Niestrój, R. Experimentelle Identifizierung von Radoberflächenmodellparametern: verschiedene Geländebedingungen. Sci Rep 12, 16015 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19829-7

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Eingegangen: 03. Dezember 2021

Angenommen: 05. September 2022

Veröffentlicht: 26. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19829-7

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