Modellierung eines entkoppelten, elektrohydraulischen Bremssystems. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Mit der Entwicklung von Elektro- und Hybridfahrzeugen und der Verschärfung der Umweltschutzbestimmungen kommen vermehrt entkoppelte, elektrohydraulische Bremssysteme zum Einsatz. Eine präzise Modellierung dieser Bremssysteme bietet eine Simulationsumgebung für viele nachfolgende Entwicklungsarbeiten wie Energierückgewinnung und Fahrsicherheitssystem. In dieser Arbeit wird ein Modell eines elektrohydraulischen entkoppelten Bremssystems mit der Software Simcenter Amesim erstellt. Ein im Fachgebiet Fahrzeugtechnik vorhandener HiL-Prüfstand liefert die Messdaten für eine anschließende Validierung. Bei der Modellbildung wird das Amesim-Modell vollständig parametrisiert. Diese physikalische Parameter werden einerseits aus vorhandener Forschung über den Prüfstand und andererseits durch Berechnung und iterative Methoden ermittelt. Anschließend wird eine geeignete Regelung für das erstellte physikalische Modell entworfen und weiter mit Anti-Windup-Methode und Integral-Reset-Methode durch visuelle Programmiersprache optimiert. Daher wird das Amesim-Modell simuliert und mithilfe der Messdaten untersucht, um die vorher geschätzte Parameter zu verbessern. Zur Validierung werden Bremsbefehle in Form von Rechteck- und Sinussignal verwendet und die Ergebnisse der Simulation mit den erhaltenen Messdaten des Hardware-in-the-loop Prüfstandes verglichen. Die Validierung wird durch mathematische Bewertung und grafische Darstellung durchgeführt.
Modellbasierte und experimentelle Analyse des Reifenprofileinflusses auf die Resuspension von Feinstaubpartikeln. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Neben abgasbedingten Emissionen rücken abgasferne Emissionen immer mehr in den Fokus des öffentlichen Interesses. Ein nicht unerheblicher Teil dieser Emissionen findet seinen Ursprung im Reifen-Fahrbahn-Kontakt. Hier ist neben der Entstehung von Reifen- und Fahrbahnabrieb auch die Aufwirbelung, die sog. Resuspension, von bereits abgelagertem Straßenstaub relevant. Die strömungstechnischen Begebenheiten die dazu beitragen, diese Emissionen an die Umgebungsluft abzugeben, sind weitgehend unerforscht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich einerseits mit der Untersuchung dieser Thematik am neu geschaffenen Viertelfahrzeug-Strömungsprüfstand, andererseits auch mit den Möglichkeiten der Modellierung des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes mittels CFD-Simulation. Am Strömungsprüfstand soll mittels Particle Image Velocimetry (kurz PIV) ein Verständnis für die Effekte und Phänomene im Bereich des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes die zur Resuspension von Fahrbahnpartikeln führen, geschaffen werden. Mithilfe der Simulation sollen danach verschiedene Ansätze zur Modellierung des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes geprüft und in einer engeren Auswahl mit den Ergebnissen der Untersuchungen am Prüfstand verglichen werden.
Grundlegende Untersuchungen zu den Partikelemissionen von Trommelbremsen im Vergleich zu Scheibenbremsen. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Bei Bremsvorgängen mit einem Bremssystem eines Kraftfahrzeugs wird infolge von tribologischen Wirkmechanismen zwischen Reibbelag sowie Bremsscheibe respektive Trommel kinetische in thermische Energie umgewandelt. Infolgedessen wird partikelförmiger Bremsstaub nahezu ungehindert in die Umwelt emittiert und stellt für den menschlichen Organismus eine potenzielle Gefahrenquelle dar. Hinsichtlich zukünftiger möglicher gesetzlicher Reglementierungen besteht ein Interesse darin, Kenntnisse über die Minderungspotentiale von Bremssystemen bezüglich ihrer Partikelemission zu generieren, um die Entwicklung bevorstehender Kraftfahrzeuge zu optimieren und die Feinstaubbelastung zu minimieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen grundlegende Untersuchungen von Trommelbremssystemen im Vergleich zu Scheibenbremssystemen hinsichtlich ihrer Emission von Bremsenfeinstaub durchgeführt werden. Dazu werden innerhalb einer Literaturrecherche bereits bestehende Sammeleinrichtungen für Bremsstaub von Trommelbremsen aufgezeigt. Daraufhin soll der Einfluss unterschiedlicher Parameter mit Hilfe von variierenden Fahrkollektiven, unterschiedlichen Reibbelagszusammensetzungen und Geometrien, Rekuperation sowie Korrosion auf die Partikelemission beider Bremssysteme untersucht werden. Das Ziel liegt darin, ein Verständnis über die Unterschiede zwischen Trommel- und Scheibenbremssystemen bezüglich ihres Einlaufverhaltens sowie der spezifischen chemischen und physikalischen Eigenschaften ihrer emittierten Bremsstaubpartikel zu erhalten. Die Arbeit umfasst die Entwicklung einer Versuchsmethodik zur Herleitung von Maßnahmen zur Vergleichbarkeit des Einlaufzustands sowie weiterer Untersuchungen unter variierenden Prüfbedingungen von Trommel- und Scheibenbremssystemen. Diese beinhaltet die Ableitung eines geeigneten Versuchsaufbaus zur Erfassung von Partikelemissionen und ihre Abscheidung sowie die Definition geeigneter Fahrkollektive und Messmethoden anhand von Vorversuchen. Die Versuchsdurchführung setzt sich aus der Analyse der emittierten Bremsstaubpartikel, welche die Untersuchung der Partikelanzahl, der Partikelmasse und ihre Größenvertei-lung umfasst, sowie der Betrachtung der Partikelabscheidung innerhalb des vorhandenen Probenahmesystems zusammen. Weitere Aspekte der Auswertung sind chemische Analysen der verwendeten Bremssysteme und ihrer Partikelemissionen sowie die Betrachtung der Initialemissionen mit Hilfe von PIV-Aufnahmen. Den Abschluss dieser Arbeit bildet neben dem generellen Vergleich beider Bremssysteme, eine Anleitung hinsichtlich der zukünftigen Unter-suchung von Trommelbremssystemen.
Vorhersage der vom Fahrzeug verursachten Emissionen in einer Simulationsumgebung. - Ilmenau. - 150 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Kraftfahrzeuge emittieren während des Fahrbetriebs Feinstaub in die Umwelt. Die luftgetragene Partikelfracht setzt sich in der Regel anteilig aus verbrennungsmotorischen Partikeln und Abriebpartikeln der Reibungsbremse sowie des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes zusammen. In Abhängigkeit vom aerodynamischen Durchmesser können die Partikel über die Atemwege unterschiedlich tief in den menschlichen Organismus eindringen und zu gesundheitlichen Schäden führen. Diese Eigenschaften sowie ein umwelttechnisches Gefährdungspotential macht sie zu einem wesentlichen Bestandteil wissenschaftlicher Untersuchungen und gesetzlicher Regelungen. Zur Erfassung gesamtheitlicher Emissionen im Realbetrieb unter Beachtung von Vorgaben genormter Prüfzyklen (RDE), werden unterschiedliche, für den mobilen Anwendungsfall optimierte Messsysteme und Peripherie benötigt. Aufgrund der offenen Bauweise des Reifens und der Bremsanlage müssen zusätzlich fahrzeugspezifische, komplexe Probenahmesysteme entwickelt werden, was wiederum einen hohen Zeit- und Kostenaufwand bedeutet. Nicht zuletzt unterliegen RDE-Zyklen verschiedensten Einflussfaktoren, die zum Teil nur schwer kontrollier- und abschätzbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen deshalb die Gesamtemissionen eines Kraftfahrzeuges in einer Simulationsumgebung vorhergesagt werden. Die Grundlage bildet dabei die Implementierung eines RDE-Zyklus, die Parametrisierung eines Versuchsfahrzeugs sowie die Modellierung eines realitätsnahen Fahrers innerhalb des virtuellen Testszenarios. Mittels durch Prüfstands- und Realversuche zu ermittelnder Kennfelder erfolgt die Prädiktion von Partikelemissionen unter wechselnden Rahmenbedingungen, unter anderem der virtuellen Verkehrslage. Zur Validierung der Simulation werden die Ergebnisse zum einen mit realen Messwerten verglichen und zum anderen im Hinblick auf aktuelle Grenzwerte interpretiert.
Entwicklung eines transienten Partikeldepositions- und Resuspensionsmodells für CFD-Simulationen. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
In den letzten Jahren lösten die Umweltprobleme eine heftige Debatte in Deutschland aus und das Kraftfahrzeug steht als Emittent von Feinstaub im Fokus dieser Debatte. Während die Grenzwerte für die Exhaust Emissionen immer weiter verschärft werden, unterliegen die Non-Exhaust Emissionen bislang keiner strengen gesetzlichen Beschränkung. Die vorliegende Arbeit entwickelte die physikalischen Modelle für die Partikelablagerung und die Partikelaufwirbelung. Diese physikalischen Modelle bestimmten, wie viele Energie des Partikels beim Aufprall verloren geht und ob sich das Partikel beim Aufprall ablagert, oder unter welcher Bedingung die Partikel wieder resuspendieren. Und mithilfe der UDF wurden die entwickelten physikalischen Modelle in ANSYS Fluent eingebunden. Schlussendlich wurden diese Modelle in ein CFD-Modell eines Corner-Modul Prüfstandes implementiert. Somit konnte untersucht werden, welcher Anteil der Bremsstaubemissionen tatsächlich den Radkasten verlässt bzw. wo sich dieser auf der Felge ablagert. Außerdem konnte eine Aussage darüber getroffen werden, wie viele Partikel durch die reifeninduzierte Turbulenz aufgewirbelt werden.
Experimentelle Parameterstudie und Potentialanalyse für einen industrialisierten FlexFuel-Sensor zur Vermessung variabler Mischungen aus motorischen Betriebsmedien. - Ilmenau. - 144 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Für den Einsatz in sogenannten "FlexFuel"- Fahrzeugen gibt es einen bereits industrialisierten Sensor. Dieser kann in flüssigen Ottokraftstoffen beliebige Ethanolbeimischungen vermessen, sodass die Verbrennungsparameter im Motorbetrieb geregelt werden können. Da Alkohole als Lösungsmittel Oberflächen angreifen und Schmiermittel verdünnen, wird die Überwachung der anderen motorischen Betriebsmedien hinsichtlich einer gewollten oder auch ungewollten Beimischung bzw. Kontamination von Alkoholen immer relevanter. Zudem ergibt sich über die Möglichkeit einer exakten Vermessung von fluiden Zweistoffsystemen Optimierungspotential der Verbrennungsthermodynamik. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob der vorliegende Sensor auch andere motorische Zweistoffsysteme als Ethanol und Ottokraftstoff vermessen kann. Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein authentischer Versuchsaufbau sowie ein Versuchsablauf entwickelt, mit dem verschiedene motorische Zweistoffsysteme unter Temperatureinfluss vermessen werden können. Zu den motorischen Betriebsmedien zählen Isooktan als Benzinersatzkraftstoff, Diesel, Ethanol, Methanol, Wasser sowie Schmieröl. Diese Medien wurden anhand ihrer realen Verwendung in authentischen Zweistoffsystemen kombiniert und mit dem vorliegenden Sensor vermessen. Auf Grund mischungsspezifische dielektrische Eigenschaften kann der Sensor anhand der Messung von komplexer Impedanz und Konduktivität auf einen Ethanolanteil im Benzin schließen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine grundlegende Eignung des Sensors für die Vermessung weitere motorische Zweistoffsysteme besteht. Es muss beachtet werden, dass manche untersuchten Zweistoffsysteme wie Methanol und Wasser eine Erweiterung des bisher gegebenen Messbereichs erfordern und der Sensor vor Ausgabe seiner Messdaten an das Motorsteuergerät eine Temperaturkorrektur durchführt. In dieser Arbeit werden erste Ansätze zur Optimierung dieser Defizite aufgezeigt und auch an einem zweiten FlexFuel-Sensor experimentell erprobt. Alle Erkenntnisse werden mit Messungen belegt und in einer Auswertung der Messdaten verifiziert. Unter Vorbehalt der inkorrekt durchgeführten Temperaturkompensation seitens der originalen Sensorelektronik konnte aus den Messdaten ein initialer Vorschlag für eine Motorsteuergerätekalibration erarbeitet werden.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung und Optimierung der verschiedenen einstellbaren Systemparameter wie Drehzahl, Konstantlast oder der Parameter der Regelung und deren Auswirkungen an einer Hybridantriebseinheit für mobile Hydraulikanwendungen. Der Fokus liegt dabei auf den Unterschieden im rein elektrischen Betrieb im Gegensatz zum herkömmlichen Betrieb mit Verbrennungsmotor. Hierfür wird ein Hybrid-Hydraulikaggregat auf einem Prüfstand betrieben, welcher die Simulation verschiedener Lastprofile ermöglicht. So können Messungen von Drucksprüngen sowie -schwingungen durchgeführt werden. Anschließend wird dieser Prüfstandsaufbau in eine Simulationsumgebung überführt, um die Möglichkeit der Abstimmung derartiger Systeme im vor der Produktion zu klären. Mit den durchgeführten Prüfstandsläufen zeigt sich, dass das System bei verschiedenen Lastprofilen auf Änderungen der Konstantlast, Aggregatdrehzahl und Regelparameter reagiert. Allerdings wird ersichtlich, dass unter keiner der angestellten Messungen ein kritischer Betrieb eintritt. So zeigen diese Ergebnisse, dass der elektrische Betrieb mobiler Hydraulikanlagen keine größeren Herausforderungen in der Abstimmung dieser mit sich bringt. Dennoch können Optimierungen beispielsweise im Einschalt- und Störverhalten am Aggregat durch die verschiedenen Parameter erzielt werden. Aus der Simulation geht hervor, dass eine grundlegende Modellierung möglich ist, aber nicht alle Parameter direkt in die Realität überführt werden können.
Künstliche neuronale Netze als Simulationstool instationärer Prozesse. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
In der Wirtschaft und Technik wird viel Wert daraufgelegt, Systeme zu verbessern und leistungsfähiger zu gestalten. Der Verbesserungsprozess wird jedoch durch die steigende Anzahl an limitierten Ressourcen und bestimmten Regelungen oder Gesetzen erschwert. Dadurch können komplexe oder unvollständige Entwicklungsverfahren entstehen. Um komplexe und nichtlineare Zusammenhänge an Prüfständen und Prüflingen offline abbilden zu können, werden in dieser Arbeit neuronale Netze als mögliches Werkzeug für eine einfache Prüfstandrohrumgebung untersucht. Hierfür werden eine Methodik zur Modellbildung inklusive Datenaufbereitung, verschiedene Netztopologien, sowie unterschiedliche Sampling Verfahren vorgestellt. Dabei wird einerseits veranschaulicht, dass sehr gute Ergebnisse mittels derartiger Modelle erreichbar sind und andererseits verdeutlicht, dass neuronale Netze instationäre Prozesse mit hoher Genauigkeit abbilden können.
Transiente Analyse der Partikel-Strömungsinteraktion in unmittelbarer Nähe des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes. - Ilmenau. - 131 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Da Kraftfahrzeuge heutzutage als Emittenten von Feinstaub immer häufiger im Fokus stehen, rücken neben den abgasbedingten Emissionen auch die Emissionen von Reifen- und Fahrbahnpartikeln in den Vordergrund. Der Ort der Aufwirbelung bzw. der Entstehung im Bereich des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes ist ein bisher wenig erforschtes Gebiet. Die vorliegende Arbeit nimmt die transienten Strömungsphänomene in diesem Bereich in den Blick. Der Fokus besteht darin ein bestehendes Modell zu einem transienten Modell zu erweitern und später auf ein komplexes Modell anzuwenden. Hierbei erfolgt die Betrachtung der Dispersion der Modellpartikel im Bereich des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes, sowie im Reifennachlauf. Die Ergebnisse der Versuche werden mittels eines Strömungsprüfstandes und Particle Image Velocimetry (PIV)-Aufnahmen validiert. Am Ende steht die Definierung eines Simulationsstandards für zukünftige transiente Simulationen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Aufgrund der stark zunehmenden, strengen Abgasrestriktionen und verschärften Gesetze, die zwecks der Umwelt und der Schonung der menschlichen Gesundheit Inkrafttreten, sind die Automobilhersteller verpflichtet, umweltfreundliche Fahrzeuge zu produzieren. Diese Situation hat den Entwicklungstrend mehr in die Richtung Elektromobilität getrieben. Neben der Emissionsfreiheit sind Elektrofahrzeuge "EVs" mit einem weiteren wichtigen Merkmal zu charakterisieren. Dieses Merkmal ist die regenerative Bremsfunktion, welche während des Bremsvorgangs einen Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs rekuperiert, die normalerweise als Hitzeenergie dissipiert. Die kinetische Energie des Fahrzeugs wird durch die Elektromotoren im Generatorbetrieb während des Bremsvorgangs in Strom regeneriert, somit wird die Batterie aufgeladen und die Reichweite geschont. Das regenerative Bremssystem ist allein allerdings bei manchen Situationen zu schwach, um das erforderliche Bremsmoment (Bedarfsbremsmoment) zu erfüllen, z.B. bei Notbremssituationen oder bei einem schwachen Batterieladezustand "SoC" etc. Deshalb ist eine Koexistenz der regenerativen Bremse mit der Reibbremse mit einer optimalen Bremsmomentverteilungsstrategie "Brake-Blending" hinsichtlich der Energieeffizienz und der Sicherheit essenziell. Der hohe Anzahl von Steuergeräten bzw. die kontinuierlich steigende Komplexität der Elektrik und Elektronik bei modernen Fahrzeugen, können Sicherheitsprobleme ans Licht bringen, denn die Funktion von elektrischen und elektronischen Systemen kann bei Ausfall oder Störung (nicht korrekte Funktion) gefährliche Situationen hervorrufen. Diese Problematik erfordert, dass jedes elektrisch und elektronisch entwickeltes System die funktionale Sicherheitsnorm DIN EN 61508 erfüllen muss, damit die Risiken minimiert werden können. In der Automobilindustrie wurde die Norm spezifisch als ISO26262 eingeführt. Diese Masterarbeit beschäftigt sich im Rahmen der Forschung und Entwicklungsprojekt "XiL for EV, EVC 1000" an der TU Ilmenau im Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik mit der Entwicklung eines "Brake-Blending" Algorithmus für ein Elektrofahrzeug "EV" vom Typ SUV mit vier Radnabenantriebsarchitektur. Die optimale Bremskraft zwischen Vorder- und Hinterachse wird gemäß der idealen Bremskraftverteilungsparabelstrategie verteilt. Zunächst wird die optimale Bremsmomentteilung "BBT" zwischen der elektrohydraulischen "EHB" und der regenerativen Bremse mit Hilfe von Verlustfunktionen hinsichtlich der Energieeffizienz und Sicherheitskompromiss definiert. Um die Elektromotoren vor dem Überhitzen bzw. vor dem Ausfall zu schützen, wurde bei hohen Fahrbahnreibwerten der Einsatz der elektrohydraulischen Bremse bevorzugt. Bei niedrigem Fahrbahnreibwert hingegen, wurde der Einsatz der regenerativen Bremse (schnellere Reaktion als die EHB) bevorzugt. Die Funktion des Brake-Blending Algorithmus wurde bei hohen und niedrigen Fahrbahnreibwerten sowie bei verschiedenen Bremspedalkräften demonstriert bzw. simuliert, zwecks der Brake-Blending Strategiedarstellung. Um die Sicherheit weiterhin bei Ausfall oder Störung der "Brake-Blending" Funktion gewährleisten zu können, wurde basierend auf einer bereits existierenden Bremssystemsicherheitsanalyse, eine Brake-Blending funktionale Sicherheitsanalysemethode gemäß der ISO 26262 Schritte realisiert. Die Analyse hat zu den ursprünglichen 91 Sicherheitsanforderung auf der elektrohydraulische Bremsregeleinheit "EHBC" Ebene noch 18 Anforderungen dazu identifiziert. Diese Anforderungen können dann jederzeit während des Entwicklungsprozesses erweitert werden. Abschließend wurde ein funktionales Sicherheitskonzept vorgeschlagen mit Rückfallebenen und Lösungen, um die Ausfall- und Störungsrisiken zu minimieren bzw. zu vermeiden. Diverse Fahrszenarien halfen am Ende dabei konkrete Gefahren in die Längsdynamik des Fahrzeugs darzustellen und wie sie durch die angewandten funktionalen Sicherheitskonzeptlösungen minimiert bzw. vermieden werden können.