Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss des Fahrwiderstandes auf das Emissionsverhalten trockenlaufender Reibungsbremsen. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Der Betrieb eines Kraftfahrzeugs setzt das Vorhandensein einer Bremse zur Verzögerung voraus. Primär findet hierbei das Reibsystem der Scheibenbremse Verwendung. Resultierend auf verschiedenen tribologischen Wirkmechanismen findet in diesem System die Umwandlung der kinetischen Energie des Fahrzeugs in thermische Energie und Verschleiß statt. Die entstehenden Abriebprodukte, welche sich durch ihren Größenbereich dem Feinstaub zuordnen lassen, werden durch die offene Bauweise des Bremssystems nahezu ungehindert in die Umwelt freigesetzt. Dort bergen sie ein hohes gesundheitliches Gefährdungspotenzial und stellen daher ein großes Risiko für Mensch und Umwelt dar. In Anbetracht der kontinuierlichen Reduktion verbrennungsmotorischer Emissionen rücken somit die Non-Exhaust-Emissionen, zu welchen Bremsstäube gehören, in den Fokus gesetzlicher Regelungen und demnach wissenschaftlicher Betrachtung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll der Einfluss des Fahrwiderstandes auf das Partikelemissionsverhalten von Reibungsbremsen im Gesamtfahrzeugaufbau experimentell untersucht werden. Das Ziel besteht hierbei in der Steigerung der Vergleichbarkeit von prüfzyklusbezogenen Emissionsmessungen an unterschiedlichen Prüfumgebungen. Diese Steigerung soll durch die Optimierung einer vorhandenen Widerstandssimulation erreicht werden. Anhand einer auf dem aktuellen Forschungsstand basierenden Sensitivitätsanalyse, bei welcher Unterschiede in der Abbildbarkeit und Beeinflussbarkeit des Fahrwiderstandes im Realfahrbetrieb, an einem Vier-Rollenprüfstand und an einem Schwungmassen-Bremsenprüfstand definiert werden, wird eine Methodik zur Messung des realen Fahrwiderstandes und dessen Simulation am Prüfstand entwickelt. Auf Basis standardisierter Testzyklen wird anschließend experimentell der Einfluss des Fahrwiderstandes auf Bremspartikelemissionen untersucht. Eine Beurteilung der analysierten Zusammenhänge hinsichtlich der Rolle des Fahrwiderstandes im Kontext der Partikelemissionsmessungen bildet den Abschluss.
Adaption des Strömungsmodells eines Fahrzeugradkastens auf reifenpartikelspezifische Charakteristiken. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Dank eines immensen Zeit- und Kostenaufwands seitens der Automobilindustrie, konnte in den letzten Jahrzehnten eine signifikante Verbesserung im Bereich der Abgasreinigung und damit eine Reduzierung der Emissionen erreicht werden. Diese Entwicklung führt zwangsläufig zu einem immer geringer werdenden Einsparpotenzial, was in Anbetracht der Forderungen nach immer schärferen Grenzwerten, zu einem zunehmenden Interesse in der Erforschung von Non-Exhaust-Emissions geführt hat. Während Emissionen von Verbrennungsprozessen gut erforscht wurden, steht die Forschung in diesem Bereich noch in den Anfängen. Dies betrifft insbesondere die Simulation von Feinstaub- bzw. Mikroplastikemissionen. In der vorliegenden Bachelorarbeit wurde mit einem CFD-Modell die Auswirkungen von Injektionsvarianten und Simulationsparametern auf die Ausbreitung und Verteilung von Reifenemissionen untersucht. Die Ergebnisse wurden mit PIV- und Video-Aufnahmen abgeglichen. Anschließend konnten mit den gesammelten Erkenntnissen Empfehlungen für Partikelsimulationen gegeben werden.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Aufbau einer Gesamtfahrzeugsimulation eines batterieelektrischen Fahrzeuges für eine X-in-the-Loop Integration. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Gesamtfahrzeugmodell eines batterieelektrischen SUV mit 15 Freiheitsgraden erstellt. Angetrieben wird das Fahrzeug von vier Radnabenmotoren welche von je einem Steuergerät angesteuert werden. Dabei wurde besonders auf eine hohe Detailtreue bei der Modellierung des Antriebsstrangs, der Traktionsbatterie, sowie Reifen, Radaufhängung und Chassis geachtet. Zur Plausibilisierung und Validierung des Modells wurden verschiedene Open-Loop-Fahrmanöver und Fahrzyklen durchgeführt. Neben der Betrachtung der Längs- und Querdynamik des Modells wurde im Verlauf der Arbeit auch der Fokus auf den Energiespeicher und Antriebsstrang gelegt. Dadurch konnten neben der Betrachtung der Fahrdynamik auch Rückschlüsse auf die Reichweite und den Verbrauch des Modells, sowie das Zusammen-spiel einzelner Komponenten gezogen werden. Aufbauend auf dem Gesamtfahrzeugmodell wurde ein Konzept für eine X-in-the-Loop Einbindung des Fahrzeugmodells erstellt. Dabei wurden sowohl verschiedene Vernetzungsarten und Kommunikationsprotokolle von Prüfständen verglichen, als auch Vorbereitungen zur Einbindung des Modells auf einen Echtzeitrechner getroffen. In Folge dessen konnten verschiedene Probleme und Lösungsansätze bezüglich der Interaktion mit anderen Programmen aufgezeigt werden. Zur Visualisierung des Fahrzeugmodells wurden mehrere Möglichkeiten elaboriert. In diesem Zusammenhang wurde eine Co-Simulation mit einer Software zur Durchführung von Fahrmanövern realisiert. Als Ergebnis ist ein ganzheitliches Gesamtfahrzeugmodell entstanden, welches aufgrund seiner Modularität und Stabilität einen soliden Grundstein für die Umsetzung des erarbeiteten XIL-Vernetzungskonzepts bildet.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Bedingt durch den wachsenden Konkurrenzdruck in der Automobilbranche steigt auch das Interesse der Hersteller, Entwicklungszeiten möglichst stark zu reduzieren, um sich einen Marktvorteil gegenüber Konkurrenten zu verschaffen. Daher ist seit einigen Jahren der Trend zu simultaner Entwicklung unter Einsatz sogenannter X-in-the-loop-Systeme zu beobachten. Mit deren Hilfe können einzelne Fahrzeugkomponenten oder auch neue Algorithmen zur Fahrdynamikregelung und Fahrerassistenz unter beliebigen und reproduzierbaren Umwelteinflüssen erprobt werden, ohne dass hierfür ein reales Testfahrzeug benötigt wird. Da das Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik an der TU Ilmenau seit Jahren viel Forschung und Entwicklung im Bereich solcher Regel- und Assistenzsysteme betreibt, wurde auch hier ein solches X-in-the-loop-Netzwerk aufgebaut. Herzstück sind dabei verschiedene Komponentenprüfstände zur Abbildung der Subsysteme Antrieb, Bremse, Lenkung usw. In dieser Arbeit wurde der bereits bestehende, hydraulisch aktuierte Lenkungsprüfstand hinsichtlich funktioneller und dimensioneller Anforderungen und Rahmenbedingungen analysiert und anschließend für den Einsatz einer elektromechanischen Aktuierung neu konzipiert, um wieder Teil der XiL-Umgebung am Fachgebiet zu werden. Hierzu wird zunächst eine Anforderungsliste erarbeitet sowie in Frage kommende Komponenten herausgesucht und evaluiert. Durch die Kombination dieser Einzelkomponenten entstehen mehrere Konstellationen, aus denen ein finales Konzept erarbeitet wird. Als Orientierung dienen die Ergebnisse einer Patent- und Literaturrecherche. Anschließend erfolgt die Auslegung der ausgewählten Komponenten sowie verschiedener selbstkonstruierter Bauteile entsprechend der Anforderungen. Im finalen Schritt erfolgen die gesamtheitliche konstruktive Umsetzung sowie die Ableitung technischer Zeichnungen. Weiterhin wird ein mögliches Ansteuerungs- und Regelungskonzept präsentiert, welches die Integration des neu konzipierten Prüfstands in die bestehende Xil-Umgebung vorsieht. Dafür werden zusätzliche benötigte Komponenten für die Regelung des Prüfstands bestimmt.
Entwicklung und Konstruktion eines praxistauglichen Konzepts für einen Lenkroboter für fahrdynamische Untersuchungen. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das Streben nach mehr Sicherheit und Komfort in einem Automobil steht im Fokus der stetigen Neu- und Weiterentwicklung von Fahrdynamikregel- und Fahrassistenzsystemen, die die Fahrzeuglängs und -querführung beeinflussen. Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit solcher Systeme, deren Zulassung und Einführung sind allerdings umfangreiche Tests unter standardisierten Randbedingungen notwendig. Die Einhaltung derer bedingt sehr präzise Pedalerie- und Lenkwinkeleingaben, welche von einem Menschen nicht ausreichend reproduziert werden können, weswegen diese Tests oft mit Robotern durchgeführt werden. Um solche Untersuchungen zur Fahrzeugquerdynamik auch am Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik der TU Ilmenau durchführen zu können, wird in der vorliegenden Arbeit ein praxistaugliches Konzept für einen Lenkroboter entwickelt. Dieser soll ausschließlich die Lenkung des Fahrzeugs übernehmen, weshalb für die Betätigung der Pedalerie und der Gangschaltung weiterhin ein Fahrer oder aber ein Fahrroboter notwendig ist. Der Lenkroboter soll dabei alle Anforderungen aus genormten Testverfahren erfüllen. Bei der Konstruktion wird zusätzlich darauf geachtet, dass der Roboter in einem möglichst breiten Spektrum an Fahrzeugen nutzbar ist. Zu Beginn der Arbeit werden die für die Entwicklung des Konzepts notwendigen Grundkenntnisse in Bezug auf die Lenkung eines Automobils und die Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine im Fahrzeug erläutert. Anschließend folgt eine Beschreibung und Darstellung bekannter Lenkroboter innerhalb einer Patentrecherche. Nach Abschluss der Recherche wird mit der Entwicklung, angelehnt an die VDI-Richtlinie 2221, begonnen. Zunächst werden die Anforderungen an den Lenkroboter zusammengetragen, unterschiedliche Umsetzungsmöglichkeiten für die einzelnen Baugruppen diskutiert und anschließend die Vorzugslösung ausgearbeitet. Den Abschluss bildet konstruktive Umsetzung und die Erstellung eines Zeichnungssatzes für den Lenkroboter. Daneben werden ein grundlegendes Regelungskonzept sowie ein Bedienablauf vorgestellt. Abschließend werden die Kauf- und Normteile des Lenkroboters in einer Bestellliste zusammengefasst, um eine Übersicht über die Kosten zu schaffen und einen Vergleich zu den Lenkrobotern namhafter Hersteller ziehen zu können.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Schwingungen im Fahrzeug können viele Ursachen haben und stören nicht nur den Fahrkomfort, sondern beeinträchtigen auch die Fahrsicherheit. Radaufhängungen verbinden den Fahrzeugaufbau mit den Rädern und beeinflussen somit dessen dynamisches Verhalten. Passive Radaufhängungen bestehen aus einem federnden und einem dämpfenden Element. Aufgrund der im Rahmen der Konstruktion getroffenen Abstimmung, wird somit das dynamische Verhalten festgelegt und kann nur durch Austausch der Elemente verändert werden. Aktive Radaufhängungen ermöglichen dagegen die kontinuierliche Variation der Dämpferkräfte unter Einsatz eines Aktuators mit externer Energiezufuhr und einer Regelvorgabe. Durch den gestiegenen Kundenanspruch hinsichtlich Komfort und Sicherheit, nimmt die Entwicklung aktiver Radaufhängungen in den letzten Jahren zu. Ein Großteil der bereits eingesetzten Techniken basiert dabei auf Hydraulik, wodurch Nachteile wie ein begrenztes Frequenzspektrum oder Verzögerungen beim Kraftaufbau entstehen. Elektromagnetische Aktuatoren dagegen versprechen eine höhere Effizienz und einen nicht limitierten Arbeitsbereich und sind daher Gegenstand der aktuellen Forschung. In dieser Arbeit wird zuerst der Stand der Technik (semi-)aktiver Radaufhängungen und die Grundlagen der Vertikaldynamik erläutert, ehe die Entwicklung eines numerischen Simulationsmodells für beide Arten von Aktuatoren beschrieben wird. Diese Modelle sollen in einen Fahrdynamiksimulator integriert werden können. Anschließend wird die Leistung beider Modelle unter Einsatz eines Viertelfahrzeugmodells und einer "Skyhook"-Regelstrategie bei verschiedenen Fahrzeuganregungen (Straßenunebenheiten gemäß ISO 8606, Reifenunwucht, Radlastschwankungen) mit einem passiven Modell verglichen. Dabei wird der Fahrkomfort beurteilt, indem die auf den Körper der Insassen wirkenden Beschleunigungen im Zeit- und Frequenzbereich nach ISO 2631 bewertet werden.
Development and benchmark of controllers for active electro-mechanical suspension. - Ilmenau. - 153 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In dieser Arbeit werden die Entwicklung und der Test der Leistung der Steuerungen der aktiven elektromechanischen Fahrzeugfederung durchgeführt, um die Fahrdynamik mit standardisierten Eingangssignalen von der Straße zu steuern. Um ein Mikroprofil einer Straße der Klasse C gemäß der internationalen Norm ISO8608: 1995 zu simulieren, wurde in der Matlab Simulink-Softwareumgebung ein mathematisches Modell entwickelt. Als Grundlage für die Architektur des Vertikaldynamik-Regelsystems des Fahrzeugs wurden drei grundlegende effiziente Regler entwickelt, die auf Skyhook-Algorithmen, der PID-Regelung und dem Optimal Sliding Mode Controller mit integriertem genetischen Optimierungsalgorithmus basieren. Die Leistungsbewertung der Controller erfolgt über die Co-Simulationsschnittstellen für die Co-Simulationssoftwarepakete Simcenter AMESim, IPG CarMaker und MATLAB Simulink, die gemäß den ISO-Standards standardisiert sind. Schlüsselwörter: Aktive elektromechanische Federung, Steuerungssystem, Simcenter AMESim, IPG CarMaker, Simulink, PID-Regelung, elektromechanischer Antrieb, Fahrzeugmodellierung, Fahrdynamik, Federungssystem, Skyhook-Regelung, Optimale Gleitmodusregelung, genetischer Optimierungsalgorithmus, Co-Simulation
Untersuchungen der Digitalen Infrastruktur in Thüringen und Analyse der Möglichkeiten zur Nutzung für das automatisierte Fahren. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die Automatisierung und Vernetzung von Fahrzeugen ist ein stark polarisierendes Thema. Während einige Entwickler davon überzeugt sind, dass schon in naher Zukunft vollautomatisierte Fahrzeuge die Mobilität grundlegend verändern, haben besonders deutsche Verbraucher bislang mehrheitlich Vorbehalte gegenüber automatisierten Fahrfunktionen. Diese Arbeit will deshalb objektiv über den Stand der Technik von automatisierten Fahrzeugen aufklären, wobei auch auf Möglichkeiten und Anforderungen bei der Vernetzung dieser Fahrzeuge eingegangen wird. Die deutsche Automotive-Industrie ist weltweit führend bei den Patentanmeldungen zum automatisierten Fahren, wie eine Studie des Instituts der deutschen Wirtschaft Köln aus dem Jahr 2017 beweist (Kurzbericht 55/2017). Neben der Literaturrecherche wird deshalb in dieser Arbeit eine Patentrecherche zu Patenten deutscher Unternehmen ausgewertet, die sich mit der Automatisierung und Vernetzung von Fahrzeugen beschäftigten, um daraus Technologietrends zu erarbeiten. Zur Realisierung von sowohl Automatisierung als auch Vernetzung von Fahrzeugen wird eine gut ausgebaute digitale Infrastruktur benötigt, welche neben dem Mobilfunknetz auch eine Vernetzung der Verkehrsinfrastruktur umfasst. Der Ausbaustand der digitalen Infrastruktur weißt jedoch international wie national und regional deutliche Unterschiede auf. Insbesondere beim Mobilfunk sind Deutschland als Ganzes und auch der Freistaat Thüringen im europäischen Vergleich hinsichtlich Abdeckung und Leistung weit von der Spitze entfernt. Es werden in dieser Arbeit nach einer Analyse des Ausbaustandes konkrete Maßnahmen empfohlen, um die digitale Infrastruktur besonders in Thüringen zu fördern. Zusätzlich werden auch andere Einflussfaktoren auf die Entwicklung des automatisierten und vernetzten Fahrens bewertet. Dazu gehören u. a. rechtliche, politische und gesellschaftliche Rahmenbedingungen. Es werden jeweils Handlungsempfehlungen entwickelt, die helfen sollen, Forschung und Entwicklung bezüglich hochautomatisierter Fahrzeuge zu fördern und deren zukünftigen Einsatz möglich zu machen.
Studie zur Allgemeingültigkeit und Konfidenz eines echtzeitfähigen Reibwertschätzers von Reibbremsen. - Ilmenau. - 158 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorliegende Arbeit greift den aktuellen Stand von Bremsenmodellen auf und untersucht in einer Studie auf ihre Validität bzw. Allgemeingültigkeit. Kernaspekt ist die Untersuchung und der Vergleich von verschiedenen Reibpaarungen (ECE-Belag Swimmsattelbremse, ECE-Belag Festsattelbremse, NAO-Belag Swimmsattelbremse und NAO-Belag Festsattelbremse). Die Modellierung des Reibwerts und die Implementierung des echtzeitfähigen Schätzers oder Beobachters mit dem besten Modell in X-In-The-Loop sind die Hauptaufgabe dieser Arbeit.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Reibverhaltens der Kontaktstellen Arbeitskolben/Dämpferrohr, sowie Dichtungs-Führungs-Einheit/Kolbenstange innerhalb eines Automobil-Einrohrschwingungsdämpfers unter dem Einfluss der Schmierstoffeigenschaften Oberflächenspannung und Viskosität. Ziel dabei ist es, mithilfe verschiedener Reibmessmethoden ein Vorhersage-Modell zu entwickeln, das das Reibverhalten unter Ausschluss hydrodynamischer Einflüsse bei Verwendung differenter Dämpferöle für Simulationen wiederspiegelt. Bei den getesteten Ölen handelte es sich um Standarddämpferöle, wobei jedoch nur deren Viskosität als Schmierstoffeigenschaft bekannt war. Da auch die Oberflächenspannung als Kriterium zur Benetzungsfähigkeit des jeweiligen Öls eine wesentliche Rolle bei der Untersuchung des Reibverhaltens spielt, musste die Oberflächenspannung für jeden Schmierstoff zunächst innerhalb von Experimenten ermittelt werden. Anhand dieser Ergebnisse wurden Vermutungen zum erwarteten Reibverhalten abgegeben, um sie anschließend in den Reibmessungen an einem Einzelreibstellenprüfstand überprüfen zu können. Im Anschluss an die Reibmessungen am Prüfstand konnte festgestellt werden, dass die formulierten Hypothesen über das zu erwartende Reibverhalten tatsächlich grundlegend der Realität entsprachen. Dabei stiegen die Reibkräfte mit zunehmender Oberflächenspannung der Testfluide. Schlussendlich konnte aus den gesammelten Messdaten schließlich noch eine Prognose in Form einer mathematischen Vorschrift abgegeben werden. Dazu wurde die Reibkraft als Funktion der beiden Schmierstoffeigenschaften dargestellt. Diese Arbeit ist Grundlage für die Parametrierung eines dynamischen Reibmodells für FEM-Simulationen.