Studentische Abschlussarbeiten

Die verstärkten Umweltschutzmaßnahmen der letzten Jahre haben die Untersuchung von Feinstaubquellen kontinuierlich vorangetrieben. Trotz dieser Bemühungen ist jedoch eine Stagnation bei der Reduktion der Feinstaubwerte, vor allem im Verkehrswesen, zu erkennen. Dies lässt sich zum einen auf das Fehlen einheitlicher Messverfahren und repräsentativer Messergebnisse im non-exhaust Bereich zurückführen. Die vorliegende Masterarbeit greift an diesem Problem an und beschreibt die Entwicklung eines repräsentativen und mobilen Feinstaubmesssystems für Bremsen- und Reifenemissionen. Dabei wird nach einer Analyse der Partikelentstehung und deren Verbreitung eine mögliche Probenahmestrategie vorgestellt, welche das Potenzial hat dieses Ziel zu erreichen. Es wird durch Anwendung des konstruktiven Entwicklungsprozesses ein Lösungsvorschlag erstellt, welcher anschließend durch eine umfangreiche Computersimulation validiert wird. Um das Messystem für den realen Fahrbetrieb nutzbar zu machen wird es hinsichtlich der Transport- und Probenahmeeffizienz ausgelegt. Abschließend wird das mobile Messsystem im Fahrversuch mit charakteristischen Fahrmanövern getestet, um die Grundlage für eine weiterführende Entwicklung zu legen. Dabei konnten erste repräsentative Messungen aufgenommen werden, welche einen direkten Zusammenhang zwischen der Belastung am Reifen, der Geschwindigkeit und der Partikelkonzentration erkennen lassen.

Die Reibung im Automobil-Schwingungsdämpfer ist eine Störgröße, deren Zusammenhänge noch nicht eindeutig bekannt sind. Um die Reibung möglichst genau zu beschrieben und die Zusammenhänge zu verstehen sind Untersuchungen und Simulationen für jede einzelne Reibstelle notwendig. In der vorliegenden Arbeit sind für die Simulation des dynamischen Reibverhaltens der Kolbenstangen-Führungsbuchse eines Automobil-Schwingungsdämpfers fünf Schritte notwendig. Im ersten Schritt wird ein Prüfstand entwickelt, mit dem das Reibverhalten unter Einfluss einer Lateralkraft experimentell bestimmt werden kann. Dazu steht eine Prüfstandsumgebung zur Verfügung, an welche die neuen Bauteile angepasst werden müssen. Der zweite Schritt ist die Entwicklung einer Prüfmethode, die reproduzierbare Ergebnisse liefert. Die Durchführung der Messungen ist dann der dritte Schritt und wird gefolgt vom vierten Schritt, der Auswertung der Messergebnisse und der Wahl des Reibmodells. Im fünften und letzten Schritt werden mittels einer Simulation die Parameter für das passende Reibmodell aus den Messergebnissen bestimmt. Die Entwicklung des Prüfstands erfolgt anhand mehrerer, durch die Umgebung und die Originalbauteile vorgegebener Randbedingungen. Dabei liegt die Priorität auf der exakten Abbildung der Reibstelle zwischen der Kolbenstange und der Führungsbuchse im Prüfstand. Für die Messung wird dann die Geschwindigkeit der Bewegung über eine Sinus-Bewegung abgebildet. So kann für die Auswertung ein aussagekräftiges Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm erstellt werden, das ebenfalls als Basis für die Simulation gilt. Bei der Simulation gilt es dann, die passenden Parameter für das gewählte dynamische Reibmodell zu ermitteln. Ziel ist es, dass mittels der errechneten Parameter die Messergebnisse über das dynamische Reibmodell dargestellt werden. Die Parameter werden dann soweit aufbereitet und analysiert, dass sie für eine spätere FEM-Simulation verwendet werden können.

Aufgrund des bekannten Schädigungspotentials von luftgetragenen Partikeln für den mensch-lichen Organismus rücken außermotorische Emissionen zunehmend in den Fokus von Medien und zukünftig wohl auch in den der Gesetzgeber. Einen Teil dieser außermotorischen Emissionen bildet der durch Fahrzeugbremsen entstehende Feinstaub. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Einflussgrößen auf das Emissionsverhalten von Fahrzeugbremsen unter realen Fahrbedingungen. Zu diesem Zweck wurde zunächst eine Versuchs- und Auswertemethodik entwickelt, die bei den späteren Versuchen im Straßenverkehr (RDE-Messungen) Anwendung fand. Diesen Versuchen gingen Untersuchungen zur Messfähigkeit eines mobilen Partikelmessgerätes (PEMS) auf Basis eines Kondensationspartikelzählers voraus. Am Schwungmassenprüfstand wurden ausgewählte Versuchsabläufe durchgeführt und die Ergebnisse des PEMS mit denen eines Referenzmessgerätes verglichen. Hierdurch konnte die Messfähigkeit des mobilen Messgerätes gezeigt werden, sowie erste Einflussgrößen bestätigt werden. Für Versuche im Straßenbetrieb wurde ein Versuchsfahrzeug mit einem mobilen Konstantvolumenprobenahmesystem (CVS-System), dem PEMS und weiterer Sensorik ausgestattet. Anschließend konnten mit diesem Grundlagenversuche zum Einfluss von Längs- und Querdynamikszenarien durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass trotz dem Vorhandensein beweglicher Teile im CVS-System keine Emissionen bei Fahrwerksbewegungen feststellbar sind. Es konnten jedoch aus den Prüfstandsversuchen erkannte einflussreiche Größen, wie die Initialgeschwindigkeit auf die emittierte Partikelanzahl oder die Fahrgeschwindigkeit auf die Hintergrundkonzentration bestätigt werden. Für die Untersuchung des Fahrereinflusses wurden Probandenversuche durchgeführt. Dabei wurde ein bereits bestehender Fahrzyklus angewendet. Aus der Menge an Probanden wurden für eine genauere Untersuchung einzelne selektiert und es konnten ihnen, unter anderem durch die Untersuchung einzelner Bremsungen, unterschiedliche Fahrweisen und Bremsverhalten zugeordnet werden. Mit den nun bekannten Fahrverhalten konnte ein Zusammenhang zum Emissionsverhalten der Bremse hergestellt werden. Neben den eigentlichen Emissionen durch die Bremse traten starke Hintergrundkonzentrationen auf, die die Bewertung der durch das Verzögern entstehenden Emissionen erschwerten und deren Ursachen ebenfalls näher untersucht wurden.

Fahrzeuge mit alternativen und hybriden Antriebssystemen kommen aufgrund stärkerer Fokussierung von Umweltaspekten in Politik und Gesellschaft im Straßenbetrieb vermehrt zum Einsatz, hierbei ist jedoch ein Verzicht auf die konventionelle tribologische Reibbremse nicht möglich, da mithilfe der Elektromotoren nur eine geringe Verzögerung gewährleistet werden kann. Um in Notsituationen dennoch einen optimalen Bremsweg sicherstellen zu können ist weiterhin eine Scheiben- oder Trommelbremse in diesen Fahrzeugen verbaut. Die hierfür verwendeten Reibungsbremsen wandeln die kinetische Energie in Wärme um. Während diesem Prozess entsteht partikelförmiger Bremsstaub, wodurch eine gesundheitliche Gefährdung für den menschlichen Organismus auftritt. Da für diese Bremsstaubemissionen (Non-Exhaust-Emissionen) aktuell eine gesetzliche Reglementierung in Planung ist, besteht Interesse an der Reduzierung dieser Emissionsklasse. Im Rahmen dieser Arbeit soll nun die Emissionseinsparung bzw. -reduzierung durch das rekuperative Bremsen mit verschiedenen Rekuperationsstrategien ermittelt werden. Das Versuchsspektrum wurde hierbei durch das Verwenden von verschiedenen Belagqualitäten bzw. -zusammensetzungen erweitert. Um das Emissionsverhalten zu analysieren wurden verschiedene Zyklen des AK Masters, des WLTP-Zyklus und der JRC-Zyklus Sektion 10 verwendet, diese Zyklen weisen verschiedene thermische und mechanische Beanspruchungen auf. Eine Analyse der entstehenden Emissionen erfolgte durch verschiedene Partikelmesssysteme. Um über das Emissionsverhalten bzw. die Patchtheorie der Reibungsbremse genauere Aussagen treffen zu können, werden in-situ Aufnahmen während des Bremsvorgangs mit einem Reibbelag in Verbindung mit einer Borosilikatscheibe vorgenommen. Dies ermöglicht die Reibschicht des Bremsbelages während des Reibvorganges genauer zu untersuchen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen dieser Arbeit lassen sich Potentialabschätzungen für unterschiedliche Rekuperationsstragien ableiten. Auffällig ist, dass in Phasen der Beschleunigung und konstanter Geschwindigkeit weiterhin Partikel emittiert werden, dies ist darauf zurückzuführen, dass Belag und Scheibe kontinuierlich in Kontakt stehen.

Mit immer strengeren Abgasvorschriften sinkt der Anteil der Emissionen, die durch Verbrennungsmotoren an die Umwelt abgegeben werden. Aus diesem Grund liegt mehr und mehr das Augenmerk auf Non-Exhaust-Emissionen. Diese Emissionen bestehen zum Großteil aus der Freisetzung von Bremspartikeln beim Bremsen, des Reifenabriebs und aufgewirbelter Partikel von der Fahrbahn. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Strömungsprüfstands zur Visualisierung von Partikelströmungen im Bereich des Radhauses. Als Prüfstandsraum soll der Getriebeprüfstand im Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik der TU Ilmenau zur Verfügung stehen. Als Basis dient der Stand der Technik, in dem Injektionsverfahren, Visualisierungsmöglichkeiten und strömungsmechanische Grundlagen vorgestellt werden. Die Entwicklung eines Konzepts wir mittels des konstruktiven Entwicklungsprozesses (KEP) umgesetzt. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Dimensionierung der Messkammer.