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.
Entwicklung einer Berechnungsmethodik zur Bestimmung der Methanzahl von Gasgemischen. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Am Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik wird am Motorenprüfstand ein Ottomotor mit "Compressed Natural Gas" (CNG) als Kraftstoff versorgt. CNG im Gasnetz unterliegt einer veränderlichen Zusammensetzung durch die natürliche Schwankung der Qualität oder gezielten Beimischungen. Um Einflüsse der Gasqualität oder der Verwendung von Biogas auf den Betrieb von Verbrennungsmotoren zu untersuchen, ist die Kraftstoffversorgung in der Lage, Gasgemische mit einer beliebigen Zusammensetzung aus Methan, Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid zu erzeugen. Für den Prüfstandsbetrieb ist es erforderlich die Verbrennungseigenschaften des Kraftstoffs zu bestimmen. Eine Möglichkeit zur theoretischen Bewertung verschiedener Gasgemische ist die Bestimmung der Klopffestigkeit, die durch die Methanzahl beschrieben wird. Nach einem Vergleich verschiedener Methoden zur Methanzahlberechnung ist die Berechnungsmethode nach EN 16726 in einem Berechnungstool realisiert. Als weitere relevante Parameter wurden Heizwert, Luftbedarf und laminare Flammfrontgeschwindigkeit identifiziert. Die Berechnungsmethoden dieser Eigenschaften sind ebenfalls in dem Python-Programm implementiert. Bei der abschließenden Gegenüberstellung der Berechnungsergebnisse und der Vergleichswerte, konnten die Ergebnisse der Methanzahl und der Nebenparameter plausibilisiert werden. Folglich bietet das entwickelte Programm (MNCalc) geeignete Funktionen, um im Vorfeld von Prüfstandbetrieben notwendige motorische Eigenschaften eines Gaskraftstoffs zu berechnen.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen besteht in den fortwährend verkürzten Entwicklungszeiten bei weiterhin zunehmender Diversität der Produktpaletten. In diesem Prozess gewinnen hochdynamische Fahrsimulatoren gegenüber klassischen Entwicklungsmethoden aufgrund vieler Vorteile stetig an Bedeutung. Mit dem Einsatz von Fahrsimulatoren lassen sich Messergebnisse unter reproduzierbaren Test- und Prüfbedingungen ermitteln. Gleichzeitig können durch eine Verschiebung realer Prototypentests auf einen späteren Zeitpunkt im Entwicklungsprozess Kosten und Ressourcen eingespart werden. Die Effizienz dieser Methodik hängt dabei in hohem Maße vom Realitätsgrad der Gesamtsimulation ab. Um diese zu verbessern, verwenden vor allem industrielle Simulatoren aufwändige Bewegungssysteme, welche die auf den Fahrer wirkenden Beschleunigungen möglichst realitätsnah abbilden sollen. Die Algorithmen zur Steuerung dieser Bewegungssysteme werden Motion Cueing Algorithmen genannt. Von ihnen haben sich verschiedene Konzepte etabliert. Da der empfundene Realitätsgrad der Gesamtsimulation stark von der Qualität der Bewegungssimulation abhängt, ist folglich eine Optimierung dieser Algorithmen notwendig. Dabei lassen sich mit den vorhandenen Bewegungssystemen aufgrund ihres begrenzten Arbeitsraums nicht alle in der Realität vor-kommenden Beschleunigungen abbilden. Dementsprechend werden die auftretenden Beschleunigun-gen herunterskaliert, was eine Verschlechterung des Realitätsgrades zur Folge hat. Gegenstand der Untersuchung dieser Arbeit ist eine an das Fahrverhalten des jeweiligen Probanden angepasste Skalierung. Eine weitere Optimierungsmöglichkeit der Ausnutzung des vorhandenen Bewegungsraums stellt eine Vorpositionierung des Bewegungssystems vor bestimmten Fahrmanövern dar. Ob diese Maßnahmen einen signifikanten Nutzen bringen, muss allerdings noch weiterführend gezeigt werden. Für diese Untersuchung ist eine Betrachtung der Thematiken der Fahrermodellierung und Fahrertypisierung, des Fahrerverhaltens und des individuellen Fahrstils unumgänglich. Für die Erkennung des jeweiligen Fahrertyps wurden verschiedene Konzepte beleuchtet und final ein künstliches neuronales Netz anhand verschiedener Parameter erstellt. Dieses unterscheidet zwischen den drei Fahrertypen sportlich, normal und defensiv. Das Gesamtsystem wurde in einer Simulationsumgebung anhand verschiedener Messfahrten validiert. Außerdem wurde ein Ausblick auf ein weiteres Konzept zur Verbesserung des Gierverhaltens des Fahrsimulators mit einem 6-DOF-Bewegungssystem gegeben.
Grundlegende Korrosionsuntersuchungen an Fahrzeugbremsen in Bezug auf "Non-Exhaust-Emissions". - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Scheibenbremsen sind auch in Zeiten der fortschreitenden Elektrifizierung von Fahrzeugen für den Personentransport weiterhin unverzichtbar, um den gesetzlich vorgeschriebenen Bremsweg einzuhalten. Tritt an der Bremsanlage Korrosion auf, handelt es sich um ein sicherheitskritisches Risiko, bei dem die fahrdynamischen Eigenschaften des Fahrzeuges nachteilig beeinflusst werden. Vor diesem Hintergrund soll im Zuge dieser Arbeit der Einfluss von Korrosion auf die Charakteristik des vorliegenden Bremssystems untersucht werden. Für die Messungen am Schwungmassenprüfstand wurden unterschiedliche Belastungskollektive gewählt, jeweils an die entsprechende Messaufgabe angepasst. Mit der Sektion 10 des JRC-Zyklus wurde die Emissionscharakteristik der Reibpartner im korrodierten und im Normalzustand untersucht während mit konstanten Bremsungen, in Anlehnung an die Prozedur von AKMaster, die Entwicklung des Reibwertes analysiert werden konnte. Zur Aufnahme der Messergebnisse standen sowohl optische als auch elektrische Messgeräte zur Verfügung, die die Grundlage der Analyse darstellen. Als weiterer Versuchsaspekt kamen zusätzlich Beläge mit variierender Materialzusammensetzung zur Verwendung. Die benötigte Korrosionsoberfläche wiederrum, wurde mit Hilfe einer beschleunigenden Prozedur hergestellt, die Gegenstand des zweiten Themenbereichs ist. Dafür wurden zuerst bestehende Prozeduren zur Beschleunigung eines Korrosionvorgangs recherchiert und gegenübergestellt. Aus den Erkenntnissen der Analyse wurde anschließend ein Konzept entwickelt, wie Ergebnisse aus verschiedenen Korrosionsprozeduren miteinander verglichen werden können. Im Zuge dessen wurden mehrere Bewertungsgrößen definiert und deren Aussagekraft vorab an Beispielen getestet. Anschließend konnte der Feldversuch durchgeführt und die Ergebnisse mit Hilfe der entwickelten Kenngrößen vergleichen werden. Die dort aufgetretenen Probleme wurden dokumentiert und mit möglichen Verbesserungen verknüpft. Zuletzt wurden alle gesammelten Erkenntnisse in der Definition einer optimalen Prozedur vereinigt. Anhand der Untersuchungsergebnisse gelang es, einen Bezug zwischen real und künstlich erzeugten Bedingungen herzustellen. Darüber hinaus konnte herausgestellt werden in welcher Weise Belagqualitäten mit hoher Abrasivität bei Fahrzeugen mit regenerativen Bremssystemen zukünftig an Bedeutung zunehmen.
Untersuchung von Einflussgrößen auf die Lebensdauer von Bremsenbaugruppen und Entwicklung eines Vorhersagemodells für den Bremsenverschleiß. - Ilmenau. - 140 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die vorliegende Masterarbeit mit dem Thema "Untersuchung von Einflussgrößen auf die Lebensdauer von Bremsenbaugruppen und Entwicklung eines Vorhersagemodells für den Bremsenverschleiß" wurde in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik der TU Ilmenau erarbeitet. Das Ziel war die Entwicklung eines neuartigen Vorhersagemodells für den Verschleiß von PKW-Radbremsen. Die Idee dieser Arbeit war, den Bremsbelagverschleiß in Abhängigkeit von der Bremsenergie zu untersuchen, um auf Basis der Korrelation dieser beiden Größen ein Vorhersagemodell zu entwerfen. Über diese energetische Betrachtung soll das Modell sowohl für Fahrzeuge mit konventionellem als auch elektrischem Antrieb mit Rekuperationsfunktion anwendbar sein. Um diese Thematik strukturiert anzugehen, wurden in dieser Arbeit zuerst die Zusammenhänge zwischen Bremsbelagverschleiß und deren Einflussgrößen behandelt, aktuelle Rekuperationsformen und Brakeblending-Strategien erläutert und bisherige Anwendungsformen von Verschleißvorhersagen bei verschiedenen Fahrzeugherstellern recherchiert. Darauf aufbauend beschreibt das erste Zwischenziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Vorhersagemodells auf Basis von realen Fahrversuchen, wofür Verschleißmessfahrten in Form von Dauerläufen im Straßenverkehr durchgeführt wurden. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die anschließende Industrialisierung der Entwicklung des Modells. Das bedeutet die Übertragung und Validierung des Modells auf einem Schwungmassenprüfstand, um die Modellidentifizierung aus Kosten- und Aufwandsgründen zu vereinfachen. Das Vorhersagemodell basiert auf einem Graybox-Modell, welches aus einer Funktion von Einflussparametern besteht und auf Basis von Verschleißmessungen identifiziert wurde. Für die Identifizierung wurden Fahrzyklen im Dauerlauf entworfen, welche reale Fahrsituationen abbilden, und zur Industrialisierung am Prüfstand implementiert.
Erstellung eines Reifen-Verschleißmodells. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Aufgrund der zunehmenden Diskussion über den Klimaschutz gewinnt die, durch Personenkraftwagen verursachte, Partikelemission immer weiter an Bedeutung. Weiterhin ist die Auswirkung der Partikel auf die menschliche Gesundheit ein Treiber der Diskussion. Die durch Kraftfahrzeuge verursachte Emission lässt sich motorischen und außermotorischen Quellen zuordnen. Die motorische Emission entsteht durch die Verbrennung fossiler Kraftstoffe, die bereits seit längerer Zeit durch den Gesetzgeber reglementiert wird. Allerdings kommt es aufgrund des tribologischen Wirkmechanismus zwischen Fahrbahn und Reifen auch zur Emission eines partikelförmigen Reifenstaubes, als ein wichtiger Anteil an der außermotorischen Partikelemission. Im Rahmen der Arbeit wurden Reifenverschleißmodelle aufgebaut und validiert. Dazu wurde zunächst eine Literaturrecherche zu Reibungs- und Verschleißtheorien durchgeführt, wobei die Verschleißtheorien untereinander verglichen sowie bewertet wurden. Anschließend wurden Verschleißmodelle aufgebaut, deren Eingangs- und Ausgangsgrößen an den Corner-Modul-Prüfstand des Fachgebiets Kraftfahrzeugtechnik anpasst wurden. Daraufhin erfolgte die Validierung der Verschleißmodelle anhand experimenteller Untersuchungen am Corner-Modul-Prüfstand. Anhand der Validierungsergebnisse wurden zwei Verschleißmodelle aktualisiert, sodass die Anwendbarkeit der Verschleißmodelle am Corner-Modul-Prüfstand verbessert werden konnte.
Modellfindung und Modellbildung eines Gesamtfahrzeuges zur Simulation fahrdynamischer Prozesse. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die steigende Komplexität von Fahrzeugsystemen sowie der immer weiter steigende Marktdruck haben zur Folge, dass Hersteller bzw. Firmen vermehrt von Fahrzeugsimulationen Gebrauch machen. Dadurch sind diese in der Lage, schon viel früher im Entwicklungsprozess Ergebnisse zu erzielen und gleichzeitig Kosten einzusparen. In der Simulation wird ein komplexes Fahrzeugsystem durch einfachere Fahrzeugmodelle abgebildet. Ist der Modellierungsprozess erfolgreich verlaufen, kann das Fahrzeugmodell validiert werden. Dadurch wird bestätigt, dass das erstellte Modell im betrachteten Anwendungsgebiet in der Lage dazu ist, das Verhalten des Fahrzeugs realitätsnah nachzubilden. In folgender Arbeit werden zunächst Grundlagen zum Thema Modellbildung und Simulation erarbeitet. Anschließend folgt eine kurze Betrachtung zu aktuell am Markt verfügbarer Simulationssoftware. Hierbei liegt der Fokus auf Tesis DYNA4, da dieses Programm im Anschluss zur Modellbildung eingesetzt wird. Nachdem ein Modell erstellt wurde, soll dieses validiert werden, in dem die Simulationsergebnisse mit Ergebnissen aus einem anderen Simulationsprogramm verglichen werden. Die entsprechenden Daten stammen aus Vorarbeiten des Fachgebiets und wurden bereits validiert. Diese Bachelorarbeit wird mit einem Fazit abgeschlossen, in welchem auftretende Fehler diskutiert werden und die Ergebnisse zusammengefasst werden.
Bewertung der Reifenoberfläche als Einflussgröße auf die Reifenpartikelemission. - Ilmenau. - 135 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Aufgrund tribologischer Wechselwirkungen im Reifen-Fahrbahn-Reibungssystems kommt es zur Freisetzung von partikelförmigem Reifenstaub. Durch die Verschleißmechanismen der Gummireibung ist eine Einflussnahme der Oberflächenbeschaffenheit des Reifens auf die vorhandene Partikelemission zu vermuten. Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, den Einfluss der Reifenoberfläche auf den Reifenverschleiß zu untersuchen. Dazu wird eine Versuchsreihe mit jeweils zwei gleichartigen Sommer- und Winterreifen auf einem Rollenprüfstand durchgeführt. Die Vergleichbarkeit der Prüflinge in Bezug auf die Emission von Reifenpartikeln und der Entwicklung der Oberflächenbeschaffenheit wird zunächst mittels Prüfzyklen eingeschätzt. Die mikroskopische und makroskopische Oberflächenstruktur der Reifen wird durch verschiedenartige Fahrversuche auf dem Rollenprüfstand geändert und anschließend mit verschiedenen Methoden analysiert. Darauf folgt das "Zurücksetzten" der Oberflächenbeschaffenheit eines Reifens der Reifenpaare durch definierte Fahrten im realen Straßenverkehr. Anschließend werden die Prüfläufe auf dem Rollenprüfstand wiederholt. Bei der Auswertung stellt sich heraus, dass die Beschaffenheit der Reifenoberfläche bei beiden Reifenpaaren einen Einfluss auf die Partikelemission hat.
Analyse der physikalischen Eigenschaften von Reifen- und Fahrbahnpartikel in Bezug auf die zugrundeliegenden Entstehungsmechanismen. - Ilmenau. - 134 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Heutzutage steigt die Belastung der Umwelt durch den zunehmenden Straßenverkehr immer weiter an. Um diesem Trend entgegenzuwirken, ist es wichtig, die entstehenden Emissionen genauer zu betrachten. Aufgrund zahlreich durchgeführter Studien sind Exhaust-Emissionen umfangreicher erforscht als Non-Exhaust-Emissionen. Ziel dieser Arbeit ist daher die Analyse verschiedener Fahrbahn- und Reifenpartikelproben. Diese werden an unterschiedlichen Orten durch mehrere Versuchsfahrten mit verschiedenen Fahrweisen gesammelt. Als Grundlage für die Aufnahme und Untersuchung der Partikelproben wird über bestehende Studien zu diesem Thema recherchiert. Bereits vorhandene Partikelproben werden mikroskopisch analysiert. Dabei wird der Einfluss von fahrdynamischen Einflussparametern auf Größenverteilungsdichte, Morphologie und Partikelanzahl pro Sekunde untersucht. Es lassen sich vor allem Unterschiede aufgrund verschiedener Messdauern feststellen. Mit steigender Messdauer nimmt sowohl die Größe und Länge als auch die Anzahl der emittierten Partikel pro Sekunde zu. Die gleiche Tendenz lässt sich bei höherer Außentemperatur beobachten. Eine Aufnahme von neuen Stichproben nach einem verbesserten Versuchsplan wird auf dem Verkehrslandeplatz Arnstadt-Alkersleben erprobt. Auch hier wird eine mikroskopische Analyse durchgeführt. Diese zeigt hingegen Einflüsse der Fahrdynamik, insbesondere der Fahrweise, bezüglich emittierter Partikel auf. Ebenfalls kristallisiert sich eine Abhängigkeit der Emission von der Radlastverteilung heraus. Es treten Korrelationen zwischen den genannten Ergebnissen und den Messungen der im Versuchsfahrzeug inkludierten Geräte auf. Um diese Ergebnisse zu festigen, beziehungsweise mehr Erkenntnisse zu erlangen, ist es wichtig, weitere Studien durchzuführen. Im Ausblick der Arbeit wird darüber hinaus Verbesserungspotential der Versuchs- und Auswertungsmethode aufgezeigt.
Entwicklung einer Methode zur Einbindung real gemessener Non-Exhaust Partikelemissionen in ein CFD-Modell eines Innenstadtszenarios. - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Trotz stetiger Verschärfung der Abgasgrenzwerte kommt es regelmäßig zu Überschreitungen der Tagesgrenzwerte der zulässigen Partikelkonzentrationen in der Atmosphäre. Nachdem die Feinstaubbelastung durch Abgaspartikel in den vergangenen Jahren immer weiter gesenkt werden konnte, werden zunehmend sogenannte Non-Exhaust-Emissionen als maßgebliche Feinstaubquelle verantwortlich gemacht. Das Ausbreitungsverhalten der emittierten Feinstaubpartikel wird dabei ausschlaggebend durch sogenannte Straßencanyons beeinflusst. Ziel dieser Arbeit ist es eine Methode zu entwickeln, realgemessene Non-Exhaust-Partikelemissionen in ein CFD-Modell zu überführen und das Verhalten der Partikel, innerhalb eines Straßencanyons in einem Innenstadtszenario, im Hinblick auf Dispersion und Deposition zu analysieren.