So steigern Sie die Ergebnisqualität bei Offroad-Tests

Zur Entwicklung eines hochpräzisen Fahrzeugsimulationsmodells erfolgt zunächst eine umfassende Erprobung des Fahrzeugs auf einem Prüfgelände – ausschließlich auf Asphalt – unter definierten Fahrmanövern. Auf Basis der erfassten Daten entsteht anschließend ein „VirtualTwin“, der wesentliche Fahrzeugparameter wie Abmessungen, Gewichtsverteilung, Antriebsstrang-Spezifikationen, Aerodynamik, Chassis- und Fahrwerkscharakteristika sowie Brems- und Reifenmodelle abbildet.

In frühen Entwicklungsphasen, in denen Messdaten noch unvollständig sind oder kein physischer Prototyp zur Verfügung steht, kommt eine modellbasierte Methodik zum Einsatz: Eine KI-gestützte Optimierung in VSM passt das Modell automatisch an, basierend auf benutzerdefinierten KPIs wie Beschleunigungszeiten oder Bremswegen. Dadurch wird sichergestellt, dass auch unter eingeschränkten Testbedingungen eine belastbare Modellierung möglich ist. Diese innovative Vorgehensweise erlaubt eine effiziente und präzise Anpassung der Fahrzeugparameter anhand weniger Leistungskennwerte. Sie ist insbesondere dann von Vorteil, wenn reale Messdaten begrenzt verfügbar sind oder ein physisches Fahrzeug noch nicht existiert.

Zu den standardmäßig simulierten Testmanövern in VSM gehören:

• Beschleunigungstests
• Bremsversuche
• Rollwiderstandsmessungen
• Konstante und transiente Kurvenfahrten
• Slalomtests
• Step-Steer- und Weave-Tests

Durch den Abgleich des Simulationsmodells mit realen Testergebnissen oder definierten KPIs wird die Modellgenauigkeit weiter optimiert. Zudem kann das Fahrzeugmodell durch die Integration eines modifizierten Reifenmodells gezielt für Offroad-Anwendungen erweitert werden.

Fahrzeugmodelle werden meist zuerst für On-Road-Bedingungen erstellt, da diese einfacher reproduzierbar sind. Abhängig von der Testanforderung kann jedoch auch direkt ein Offroad-Modell entwickelt oder ein bestehendes Modell entsprechend erweitert werden. Je nach Komplexität des Off-Road-Szenarios kann entweder ein eigenständiges Modell erstellt oder ein bestehendes On-Road-Modell entsprechend angepasst werden.

Die Umstellung eines Fahrzeugsimulationsmodells auf Off-Road-Bedingungen erfolgt durch die Integration spezifischer Boden- und Reifenmodelle. Hierbei werden insbesondere die Eigenschaften der Reifenkonstruktion berücksichtigt, die durch Messungen direkt am Reifenprofil erfasst werden können. Für die Definition der Bodeneigenschaften im Gelände stehen mehrere Methoden zur Verfügung:

• Bodenvorlagen aus der VSM-Bibliothek:

Ein effizienter Ansatz ist die Verwendung vordefinierter Bodenvorlagen in VSM, die verschiedene Untergründe wie unbefestigte Straßen, Schlamm oder Sand abbilden.

• Ableitung der Bodeneigenschaften aus realen Messungen:

Alternativ können die Bodenparameter auf Basis realer Fahrzeugtests bestimmt werden. Hierzu werden Messdaten erfasst, darunter unterschiedliche Motordrehmomente und Radschlupfverhältnisse. Anschließend werden die Bodeneigenschaften so abgestimmt, dass sie mit den gemessenen Testwerten übereinstimmen.

Da sowohl die Reifenkonstruktion als auch die Fahrzeugeigenschaften unverändert bleiben, kann das Bodenmodell gezielt optimiert und an reale Bedingungen angepasst werden. Durch die schrittweise Validierung auf verschiedenen Untergründen – basierend auf realen Testdaten – entsteht ein präziser Virtueller Zwilling für den Off-Road-Bereich. Dieser kann für verschiedene Entwicklungsaktivitäten genutzt werden, darunter:

• Steuerungs- und Regelungsentwicklung
• Kalibrierung von Fahrdynamiksystemen
• Reifenauswahl und Off-Road-Performance-Optimierung

Die Simulation kann in verschiedenen Umgebungen durchgeführt werden, darunter Software-in-the-Loop (SiL), Hardware-in-the-Loop (HiL, ETB, PTTB) sowie auf Fahrsimulatoren (DiL). Dabei bleibt das Modell über alle Plattformen hinweg konsistent und ermöglicht eine nahtlose Integration in den Entwicklungsprozess.

In der Simulation von Off-Road-Fahrzeugen reduzieren viele Ingenieure die Reifenhaftung und erhöhen den Rollwiderstand, um Geländetestfälle virtuell nachzubilden – ein Ansatz, der sich bei reibungsarmen Oberflächen wie nassem oder vereistem Asphalt bewährt hat. Allerdings wird dabei die hochkomplexe Interaktion zwischen Reifen und variablen Untergründen wie Sand, Schlamm, unbefestigten Straßen oder Schnee nicht vollständig erfasst.

Im Gelände wirken zusätzliche Widerstände und veränderte Kraftwechselwirkungen auf die Reifen ein, die sowohl das stationäre als auch das instationäre Fahrverhalten erheblich beeinflussen. Diese Effekte ergeben sich aus der dynamischen Beschaffenheit natürlicher Bodenoberflächen, deren mechanische Eigenschaften sich lokal stark unterscheiden.

Für realitätsnahe Off-Road-Simulationen müssen spezialisierte Reifen- und Bodenmodelle präzise zusammenarbeiten. Entscheidend ist die Berücksichtigung physikalischer Phänomene wie:

• Bulldozer-Effekt: Bodenmaterial wird vor und neben den Reifen komprimiert und aufgeworfen, was den Widerstand beeinflusst.
• Multi-Pass-Effekt: Die Vorderräder verdichten den Untergrund, wodurch sich die Wechselwirkung der Hinterräder mit dem Boden verändert.

Durch eine detaillierte Abbildung dieser Effekte in Verbindung mit den spezifischen Bodeneigenschaften und der Reifenlaufflächengeometrie kann die Simulation den resultierenden Widerstand und die einwirkenden Kräfte für jedes Rad präzise vorhersagen – selbst bei variierenden Fahrzeuggeschwindigkeiten und Schlupfverhältnissen.

Diese präzisere Modellierung ermöglicht eine realistische Analyse und Optimierung der Fahrzeugperformance unter Off-Road-Bedingungen. Gleichzeitig reduziert sie den Bedarf an aufwendigen physischen Tests, verbessert die Entwicklungsgenauigkeit und steigert die Effizienz im Fahrzeugdesign und der Testphase.

Mit diesem Ansatz lassen sich Off-Road-Fahrzeuge gezielt optimieren – von der Fahrdynamik und Regelstrategie bis hin zur Reifen- und Fahrwerksauslegung. Dadurch wird eine fundierte, datenbasierte Entscheidungsgrundlage geschaffen, um Leistungsfähigkeit und Robustheit unter realen Off-Road-Bedingungen zu maximieren.

Bei der Simulation von Geländewagen sind die Bodeneigenschaften ein entscheidender Faktor für die präzise Bestimmung der Fahrzeugperformance in verschiedenen Fahrszenarien. Die exakte Parametrierung dieser Eigenschaften ist besonders bei instationären Lastzuständen von zentraler Bedeutung, da sie die Qualität der Simulationsergebnisse maßgeblich beeinflusst. Um diesen Prozess effizient zu gestalten, stehen verschiedene Methoden zur Verfügung:

• Nutzung vordefinierter Bodenvorlagen: VSM bietet eine breite Auswahl an vorkonfigurierten Untergründen wie unbefestigte Straßen, Schlamm oder Sand, die eine schnelle und realitätsnahe Modellierung ermöglichen.
• Ableitung aus realen Off-Road-Messungen: Hierbei werden Fahrzeugtests unter Geländebedingungen durchgeführt und wesentliche Parameter wie Motordrehmoment und Radschlupfverhältnisse analysiert. Die Bodeneigenschaften werden dann so angepasst, dass sie mit den Messdaten übereinstimmen.

Zusätzlich kann das Bodenmodell durch detaillierte Messungen der Reifen-Boden-Sinkgeometrie direkt auf dem Testgelände weiter verfeinert werden. Optional besteht die Möglichkeit, Bodenproben im Labor zu analysieren, um mechanische und tribologische Eigenschaften präzise zu bestimmen. In manchen Fällen erfolgt die Validierung sowohl des Reifen- als auch des Bodenverhaltens auf einem Prüfstand, wo die genannten Methoden unter kontrollierten Bedingungen reproduzierbar angewendet werden können. Durch die Kombination dieser Ansätze lassen sich hochpräzise Off-Road-Simulationen realisieren, die eine zuverlässige Grundlage für die Optimierung von Fahrzeug- und Reifenkonzepten bieten – ohne aufwendige und kostenintensive Tests in realer Umgebung.

Die Korrelation von Simulationsergebnissen mit realen Testmessungen ist ein entscheidender Schritt zur Validierung und Optimierung von Fahrzeugsimulationen – insbesondere für Off-Road-Anwendungen. Durch den Vergleich der simulierten Fahrzeug- und Reifenperformance mit realen Daten von Prüfgeländen oder Prüfständen stellen Ingenieure sicher, dass das Modell das tatsächliche Fahrzeugverhalten unter Geländebedingungen präzise widerspiegelt.

Dieser Prozess beinhaltet die Nachbildung realer Fahrmanöver in der virtuellen Umgebung, wobei identische Fahrereingaben auf das Simulationsmodell angewendet werden. Anschließend werden kritische Parameter wie Motordrehmoment, Raddrehmoment und Radgeschwindigkeit analysiert. Diese systematische Gegenüberstellung hilft, die Diskrepanz zwischen virtuellen und realen Tests zu minimieren und gewährleistet eine belastbare und realitätsnahe Simulation.

Sobald das Simulationsmodell präzise kalibriert ist, kann es für weiterführende Entwicklungs-aufgaben genutzt werden – beispielsweise zur Optimierung der Fahrzeugsteuerung, zur Kalibrierung unter verschiedenen Bedingungen oder zur Bewertung neuer Komponenten wie Reifen, Differenziale oder Drehmomentverteilungsstrategien. Dadurch lassen sich Entwicklungs-entscheidungen fundierter und effizienter treffen, ohne dass zeit- und kostenintensive physische Tests erforderlich sind. Die Integration dieser simulationsbasierten Validierung führt im Durchschnitt zu einer Reduzierung der Entwicklungszeit um bis zu 50 %. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Kosten für Kalibrierung, Prototypenbau und Testfahrten. Mit dem VSM-Add-on steht eine leistungsstarke und kosteneffiziente Lösung zur Verfügung, die eine präzise Off-Road-Simulation ermöglicht. Die Einarbeitungszeit für Simulationsingenieure in VSM-Geländetestfälle liegt je nach Umgebung – ob SiL, HiL, Prüfstände oder Fahrsimulatoren – zwischen zwei und vier Tagen. Durch diesen strukturierten Ansatz wird die digitale Fahrzeugentwicklung nicht nur präziser, sondern auch erheblich wirtschaftlicher.