Studentische Abschlussarbeiten

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von aktiven Fahrsicherheit- und assistenzssystemen, eine innovative Verbesserung der Fahrdynamik sowie der Ausblick speziell auf teil-autonome bis autonome Fahrzeuge erfordern immer die präzise Kenntnisse der Fahrzustände eines Kraftfahrzeuges in allen Fahrsituationen. Zurzeit können jedoch nicht alle dieser Fahrzustände einfach und direkt messtechnisch bestimmt werden, auch mittels moderner Sensor kann es nicht zielführend erreichen. Zur Lösung dieses Problems werden eine modellbasierte Fahrzustandsschätzung entwickelt. Diese sollt auf einem nichtlinearen Zweispurmodell basieren, um die Fahrdynamik eines Autos in Fahrsituationen möglichst zu simulieren. Die Entwicklung und Validierung einer solcher Fahrzustandsschätzmethode ist die Aufgabe in dieser Masterarbeit. Dazu werden zunächst die benötigen Grundlagen aus Beobachtertechnik von Regelungstechnik und Fahrzeugdynamik von Kraftfahrzeugen beschrieben. Auf dieser Basis wird die gezielten Messmethoden durch Messalgorithmen von Kalman-Filter und Sliding-Mode entwickelt. Die Validierung des entwickelten Messmethoden wird mit den Simulationsergebnissen aus IPG Automotive-CarMaker ausgeführt. Schließlich werden die Ergebnisse diskutiert.

Sowohl durch ein aktives Fahrwerk als auch durch die Nutzung der Vertikalkräfte, die beim Ansteuern von Radnabenmotoren entstehen, kann der Fahrkomfort eines Straßenfahrzeugs verbessert werden. Hauptziel dieser Masterarbeit ist es, eine Regelstrategie zur kombinierten Anwendung der genannten Möglichkeiten zu entwickeln, was unter dem Begriff "Ride Blending" festgehalten wird. Anschließend wird die Funktionalität durch die Auswertung verschiedener Simulationen bestätigt. Hierfür wird die Regelstrategie in Simulink implementiert und mit Hilfe von CarMaker simuliert. Wohingegen die Kräfte eines aktiven Fahrwerks lediglich durch die verbauten Aktoren bestimmt werden, spielt bei den entstehenden Kräften durch die Radnabenmotoren die Fahrwerkskinematik eine große Rolle. Durch das schnelle Ansprechverhalten der Elektromotoren im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor, beschränkt sich die Nutzung der Regelung auf Elektrofahrzeuge.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung eines Hybridaggregats bestehend aus einem Zweizylinder-Ottomotor, einem Elektromotor/Generator und zwei Hydraulikpumpen. Dabei werden die Funktionalität und das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten untersucht. Hierfür wird das Aggregat in einem klimatisierten Motorprüfstand aufgebaut und angeschlossen. Es werden Messungen durchgeführt und analysiert, bei welchen der Verbrennungsmotor die Leistung bereitstellt und die E-Maschine als Generator arbeitet als auch Messreihen, bei welchen die E-Maschine für die Leistungsbereitstellung verantwortlich ist und die Hydraulikpumpe antreibt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der Leistungsübertragung zwischen Verbrennungskraftmaschine und E-Maschine. Untersucht wird dabei das Verhalten der verbauten Magnetkupplung unter verschiedenen Last- und Lastwechselbedingungen. Bei der Bewertung der Einsatzfähigkeit der Magnetkupplungen zwischen Elektromotor und Verbrennungsmotor sowie zwischen dem Elektromotor und den Hydraulikpumpen wird sich vor allem auf den auftretenden Schlupf und Drehzahlschwingungen konzentriert.

Im Rahmen dieser Arbeit ließ sich eine Berechnungsgrundlage für ein Turboladermodell unter Berücksichtigung des Waste-Gate erstellen. Dafür erfolgte die Vermessung des Turboladers eines bivalenten Ottomotors der Audi AG an einem 400 kW Heißgasprüfstand im Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik der TU Ilmenau. Als ein zusätzlicher Parameter wurde die Waste-Gate Stellung genutzt, um das Verhalten des Turboladers unter Einwirkung des Bypassventils zu analysieren. Dafür erfolgten Kennfeldvermessungen bei sechs verschiedenen Waste-Gate Positionen. Um eine gute Datenauflösung zu gewährleisten sind den Kennfeldaufnahmen verschiedene theoretische und praktische Vorversuche bezüglich des Waste-Gates vorangegangen. Dabei wurde zum einen das geometrische Verhalten analysiert, was zunächst zu dem Ergebnis führte, dass die Waste-Gate Öffnungsfläche beim Öffnen progressiv verläuft. Die anschließende strömungsmechanische Untersuchung am Heißgasprüfstand führte zu dem Ergebnis, dass die Änderung der Prozessgrößen beim Öffnen des Waste-Gates degressiv verlaufen. Diese Ergebnisse konnten sich mit Simulationsergebnissen aus [16] decken. Ausgehend von den damit gewonnenen Erkenntnissen, ließ sich ein geeigneter Messplan erstellen, welcher bei geringen Waste-Gate Öffnungswinkeln mehr Kennfelder vorgesehen hat. Die Messergebnisse konnten die Überlegungen aus der Vorbetrachtung schließlich bestätigen, da in den Daten der Kennfeldvermessungen ebenfalls ein degressiver Einfluss des Waste-Gate zu erkennen war. Zuletzt wurde eine Einführung in modell- und simulationsbasierte Methoden gegeben. Es erfolgte die Wahl eines geeigneten Modellierungsansatzes für das Turboladerodell und die Erstellung verschiedener Ansätze für ein Modell des Verdichtermassenstroms. Zusammenfassend ließ sich eine umfangreiche Datenbasis für aufbauende Modelle aufnehmen und auch im Bereich der Modellerstellung bereits erste Überlegungen und Zusammenhänge treffen.

Der Trend, verstärkt X-in-the-Loop-Verfahren im Entwicklungsprozess von Fahrzeugen zu nutzen, besteht seit Jahren. X-in-the-Loop bietet viele Vorteile gegenüber dem Einsatz von Prototypen. So lassen sich unter anderem Kosten senken, Ressourcen einsparen und Entwicklungszeiten deutlich verringern. Außerdem sind die Randbedingungen flexibel festlegbar und eine hohe Reproduzierbarkeit gegeben. Diese Faktoren bieten die optimalen Voraussetzungen für den Einsatz von Fahrsimulatoren zum Untersuchen von Mensch-Maschine-Schnittstellen. Das Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik der TU Ilmenau besitzt einen Fahrsimulator zur Forschung an Systemen bestehend aus Fahrer und Fahrzeug. Ausgestattet mit einer Motion-Plattform und einem Mock-Up mit aktivem Lenkrad, Lautsprechern etc., ist die Simulation von Fahrzeug und Fahrsituation bereits auf einem hohen Niveau. Zur Verbesserung des Fahrgefühls soll nun eine aktive Pedalerie ergänzt werden. Diese ermöglicht ein variables haptisches Feedback und dient als Grundlage für die weitere Forschung an der Mensch-Maschine-Schnittstelle Pedal und des Pedalgefühls. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Einbindung der aktiven Pedalerie in den Fahrsimulator und dem X-in-the-Loop-Netzwerk der TU Ilmenau. Zu Beginn wird der Systemaufbau beschrieben, der durch die Installation der mechatronischen Komponenten erstellt wurde. Zur Steuerung und Überwachung der Pedalerie folgt die Vorstellung eines Konzepts zur softwareseitigen Einbindung. Dabei wird die Kommunikation zwischen den Netzwerkteilnehmern betrachtet. Umsetzung findet diese durch die Realisierung des Datenaustauschs zwischen Host-Rechner und Pedalmechatronik. Außerdem wird durch die Verknüpfung mit dem Echtzeitrechensystem die Möglichkeit der Prüfstandsvernetzung geschaffen. Mit der Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche zur Steuerung und Überwachung der Pedalerie wird die Integration abgeschlossen. Die Funktionalität, der in den Fahrsimulator integrierten aktiven Pedalerie, wird im folgenden Schritt durch Probandenversuche verifiziert. Abschließend wird ein Konzept zur Erforschung des Pedalgefühls mit der aktiven Pedalerie in Verbindung mit weiteren Prüfständen, unter anderem dem Bremsenprüfstand, diskutiert.