Entwicklung und Simulation der integrierten Fahrdynamikregelung mit einem Bremssystem und einer semi-aktiven Radaufhängung. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In dieser Arbeit wird ein Gesamtmodell des Fahrzeugs mit der Bremsregelung, semi-aktiven Radaufhängung sowie Regler für die Integration beider Systeme erstellt und mit den verschiedenen virtuellen Fahrmanövern untersucht. Der Integrationsregler erkennt die vom Fahrer gewünschte Bremsintensität, stellt das Radaufhängungssystem dementsprechend ein und integriert sie mit der Bremse, mit dem Ziel, den Bremsweg zu verkürzen. Geregelt wird die Radaufhängung mit verschiedenen Ansätzen, bei denen nach Werten wie der Radlast, der Einfederung des Reifens oder den Schwingungsgeschwindigkeiten des Aufbaus und des Rades geregelt wird; als Reglungsalgorithmus werden unter anderen Rulebased-Control, Sliding-Mode-Control und PID-Regler eingesetzt; die Entwicklung und Simulation der Regelungssysteme erfolgen unter MATLAB/Simulink und IPG-CarMaker, es werden Ergebnisse der verschiedenen Regelungsansätze mit einander verglichen, die zeigen, dass durch die integrierten Regelungssysteme die Fahrzeugleistung bezüglich Sicherheit und Komfort während Bremsung verbessert werden kann.
Analyse des Einflusses variierender Beanspruchungsparameter auf das Reibwert- und Emissionsverhalten alternativer Reibpaarungen. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Um die Verzögerung von modernen Kraftfahrzeugen gewährleisten zu können, werden üblicherweise Scheibenbremssysteme verbaut. Bei diesen Bremssystemen kommt es aufgrund verschiedener tribologischer Mechanismen zu einem Verschleiß der Bremsscheibe und des Bremsbelags, was zur Emission eines partikelförmigen Bremsstaubes führt. Da diese Bremsemissionen ein gesundheitliches Gefährdungspotenzial aufweisen und somit im Visier zukünftiger Gesetzgebungen zur Reduktion von Feinstaub stehen, ist es essentiell bereits jetzt Maßnahmen zu entwickeln, die zu einer Reduktion dieser Bremsemissionen führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Reibpaarungen in Hinblick auf ihre Emissionen und ihren Reibwert bei variierenden Beanspruchungsparametern untersucht. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Analyse der Partikelcharakteristik in Form von Partikelanzahlkonzentration sowie der Größenverteilungsdichte der Partikel. Die Arbeit setzt sich aus Prüfstandsversuchen, bei denen das Emissions- und Reibwertsverhalten der verschiedenen Reibpaarungen im Einlauf, im WLTP-Zyklus, im JRC-Zyklus und in den Druckreihen der AK-Master-Prüfprozedur untersucht wird, sowie aus den darauf folgenden chemischen und physikalischen Untersuchungen zusammen. Die chemischen Untersuchungen bestehen vornehmlich aus der Analyse der Partikelemissionen sowie der Reibbeläge mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), welche durchgeführt wird, um die chemische Zusammensetzung der Proben zu bestimmen. Als physikalische Untersuchungen kommen hauptsächlich mikroskopische Verfahren zum Einsatz. So werden die Bremsemissionen unter dem Lasermikroskop untersucht, um Aussagen bezüglich ihrer Form und Größe treffen zu können. Des Weiteren kommt das Lasermikroskop zum Einsatz, um die Oberfläche der verwendeten Reibbeläge zu untersuchen und somit Aussagen bezüglich der Belagstopographie, bzw. den Einfluss der verschiedenen Scheibenkonzepte auf die Belagstopographie treffen zu können.
CFD-Modellierung von Non-Exhaust-Partikel-Emissionen im Fahrzeugradhaus. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Aufgrund von immer strengeren Abgasvorschriften sinkt der Anteil der Emissionen, die aufgrund von innermotorischen Verbrennungsprozessen an die Umwelt abgegeben werden. Somit steigt der Anteil an Brems-, Reifen- und Fahrbahnabriebsemissionen. Dadurch rücken diese immer mehr in den Fokus. Es werden verstärkt mobile Messfahrzeuge eingesetzt, um diese Emissionen hinsichtlich Zusammensetzung und Ausbreitungsverhalten zu untersuchen. Da die Forschung hinsichtlich der Interaktion zwischen Fahrzeugumströmung und Partikeln noch in den Anfängen steckt, ist die Validität der Aussagen aus den Messungen eingeschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurden auf Grundlage eines neuentwickelten CFD- Modells Untersuchungen zur Fahrzeugumströmung und der damit einhergehenden Partikelausbreitung getätigt. Auf dieser Basis können Rückschlüsse auf Prüfstands- und Realfahrzeuganwendungen gezogen werden. Anschließend wurde auf Grundlage dieser, ein Strömungsprüfstand dimensioniert.
Entwicklung eines Messfahrzeuges für Non-Exhaust-Emissionen. - Ilmenau. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Trotz neuer Studien, welche die Relevanz von Emissionen durch tribologische Effekte aufzeigen, mangelt es dafür noch immer an einheitlichen Messverfahren. Im Zuge dieser Arbeit sollte daher ein Fahrzeug für die mobile Messung von Non-Exhaust-Emissionen im realen Fahrbetrieb entwickelt werden. Dazu wurde zunächst eine Recherche zu bereits bestehenden Lösungsansätzen durchgeführt. Um Rückschlüsse auf das eigene zu entwickelnde Messfahrzeug ziehen zu können, standen hierbei vor allem Aspekte der konstruktiven Umsetzung, wie Probenahme, Sensorik und Messtechnik im Fokus. Anschließend folgte die Ausarbeitung eines Konzepts mittels methodischen Vorgehens und dessen Implementierung in ein Versuchsfahrzeug. Wichtig war dabei die Erfassung aller notwendiger Parameter sowie die Ausarbeitung einer zentralen Datenerfassung für Mess- und Sensorsignale. Dies sollte einen Zeitversatz der unterschiedlichen Datensätze verhindern und die Auswertung vereinfachen. Mit dem Versuchsfahrzeug wurden Messfahrten sowohl für die Erfassung von Bremsstaub als auch für Reifenpartikel und Straßenstaub durchgeführt. Anhand der Auswertung der daraus resultierenden Messdaten konnte das Messfahrzeug evaluiert werden.
Grundlagenuntersuchung zur Entstehung von Reifenpartikelemissionen an einem Corner-Modul-Prüfstand. - Ilmenau. - 132, XXV Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Der Partikelausstoß von Verbrennungsmotoren wird durch Abgasnormen immer schärfer reglementiert. Vor diesem Hintergrund gewinnen bisher nicht beschränkte antriebsferne Partikelemissionen zunehmend an Bedeutung. Es handelt sich hierbei um emittierte Verschleißpartikel, deren Entstehung innerhalb von Reibkontakten unausweichlich ist. Neben der Radbremse stellen Kraftfahrzeugreifen eine bedeutsame Quelle für Abriebpartikel im Straßenverkehr dar. Der Reifenlaufstreifen verschleißt in Folge des Reibkontaktes mit der Fahrbahnoberfläche. Der dabei durch verschiedene Verschleißmechanismen generierte Materialabtrag äußert sich am deutlichsten in der Verringerung der Reifenprofiltiefe. Es kommt dabei zur Emission eines partikelförmigen Reifenstaubes. In der Wissenschaft sowie in der Öffentlichkeit wird der Beitrag von Reifenabrieb zur (Fein-) Staub- und Mikroplastikbelastung der Umwelt zunehmend diskutiert. Aufgrund zahlreicher sich überlagernder Umwelteinflüsse gestaltet sich die Messung von Reifenpartikelemissionen im realen Straßenverkehr allerdings schwierig. Deshalb werden im Rahmen dieser Arbeit Reifenpartikelmessungen unter Laborbedingungen an einem Corner-Modul-Prüfstand durchgeführt, der in einen Vier-Rollen-Prüfstand integriert ist. Zur Umsetzung der geplanten Untersuchungen wird der bestehende Versuchsaufbau zunächst umfassend optimiert und weiterentwickelt. Neben der Reduzierung der Hintergrundpartikelanzahlkonzentration stellt dabei die Separierung von Reifen- und Bremspartikeln eine besondere Herausforderung dar. Den Hauptteil dieser Arbeit bildet eine Parameterstudie, deren Ziel es ist, Einflussgrößen auf die Reifenpartikelemission zu identifizieren und zu klassifizieren. Dafür werden zunächst verschiedene Prüfzyklen definiert und anschließend mit einem Sommer- sowie mit einem Winterreifenprüfling absolviert. Zur Bewertung der Einflussgrößen wird sowohl die gemessene Partikelanzahlkonzentration als auch die detektierte Partikelmassenkonzentration des entstehenden Aerosols herangezogen. Zusätzlich wird mittels verschiedenster Verfahren versucht, Erkenntnisse über die Größenverteilung der emittierten Reifenpartikel zu gewinnen. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Klassifizierung des Reifens zur Bewertung der Verschleißorte. Hierfür werden verschiedene Konzepte erarbeitet, umgesetzt und erste Aussagen aus den aufgenommenen Messdaten abgeleitet.
Erweiterung des Corner-Modul-Prüfstandes zur dynamischen Verstellung von Radlast und Spurwinkel. - Ilmenau. - 159 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Der Corner-Modul-Prüfstand des Fachgebiets Kraftfahrzeugtechnik der Technischen Universität Ilmenau dient der Erforschung von außermotorischen Partikeln und des Reifenfahrbahnkontaktes. Zurzeit ist die Verstellung der Radstellungsgrößen Radlast, Spurwinkel und Sturz nur manuell möglich, was nur Messungen mit statischen Radstellungsgrößen zulässt. Ziel dieser Arbeit ist die Inbetriebnahme eines hydraulischen Systems zur dynamischen Verstellung der Radlast und des Spurwinkels an diesem Prüfstand. Zu diesem Zweck werden die Grundlagen hydraulischer Regelungen und die für diese Arbeit wichtigen Radstellungsgrößen vorgestellt. Für die Änderungen des Spurwinkels, des Sturzes und der Radlast werden geeignete hydraulische Komponenten und deren elektrische Anbindung ausgewählt. Des Weiteren wird die passende Messtechnik zur Erfassung der Regelgrößen und Bewegungen des Prüfaufbaus ausgesucht. Für die Auslegung des Reglers werden, mittels Simulation eines modellierten hydraulischen Systems in MATLAB-Simulink, Anfangseinstellwerte für die experimentelle praktische Einstellung des Reglers ermittelt. Der Corner-Modul-Prüfstand wird als Hardware eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstand genutzt. Die Dynamisierung der Radstellungsgrößen ermöglicht Rückkopplungen mit einer Fahrdynamiksimulation. Ein MATLAB-Simulink-Modell für die Steuerung und Regelung der hydraulischen Aktuatoren wird über die Software IPG-CarMarker mit dem Echtzeitrechensystem InMotion-Realtime-Node verbunden. Die Signale werden über die Automatisierungsplattform PUMA-Open-Application verwaltet. Für die Regelung werden neue Signale angelegt. Nach dem Umbau des Prüfstandes wird der Regler und die Ventilsteuerung getestet und verbessert. Die Überarbeitung des Prüfstandes, durch die im Rahmen dieser Arbeit entstandene Radlastregelung, kann nun für die Fahrzeugsimulation genutzt und verbessert werden.
Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf die Knarzwirkkette bei Kraftfahrzeugen. - Ilmenau. - 179 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die hier vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf die Knarzwirkkette bei Kraftfahrzeugen. Durch weitreichende Untersuchungen im Vorfeld im Rahmen vorangegangener wissenschaftlicher Arbeiten wurde die Grundlage für die hier behandelte Thematik geschaffen und wird durch die hier getätigten Untersuchungen vertieft und erweitert. Das Knarzphänomen wird hier zum einen mittels eines Tribologieprüfstands untersucht, bei welchem gezielt die Anregung des Knarzens in Form von Kraftsprüngen untersucht wird, was die Betrachtung von Kraftschwingfrequenzen und der Korrelation jener Kraftsprünge mit den emittierten Geräuschen beinhaltet. Zum anderen liegt die Untersuchung der Auswirkungen im Fokus, welche durch aktive und passive Tilger auftreten, die das Fahrwerk und das Bremssystem anregen und verstimmen. Mit diesen Aufgaben geht die Entwicklung eines Messplans für die anstehenden Untersuchungen einher, ebenso wie eine ausführliche Recherche über die Möglichkeiten hinsichtlich Knarzoptimierung bei Personenkraftwagen und einer damit verbundenen Patent- und Stand der Technik-Recherche. Die Untersuchung verschiedener Bremsbelagtypen wird als Teilaufgabe ebenso behandelt wie die Entwicklung und die anschließende Erprobung eines Konzeptes für einen passiven Tilger, basierend auf bereits durchgeführten Modaluntersuchungen und daraus gewonnenen Erkenntnissen.
Tiefgreifende tribologische Untersuchungen der Reibzone einer KFZ Reibungsbremse zur Beschreibung des Knarzphänomens in Zusammenhang mit Modellbildung für die Reibwertabschätzung bei niedrigen Geschwindigkeiten. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das Hauptziel der Arbeit besteht darin, das Reibwertverhalten von unterschiedlichen Bremsbelagrezepturen zu analysieren und zu beschreiben, um daraus Rückschlüsse auf das Knarzphänomen zu schließen. Die Untersuchungen des Reibwertverhaltens erfolgen durch In-Situ-Betrachtungen der Reibzone. Hierfür liegen speziell für diese Untersuchungen hergestellte Reibmaterialien vor. Die Arbeit beinhaltet unter anderem eine Literaturrecherche, um die Auswirkungen von konkreten Reibbelagbestandteilen auf den Reibwert zu bestimmen. Des Weiteren erfolgt eine Analyse des Patch- beziehungsweise Partikelverhaltens mit Hilfe des NI Vision Builders oder einer PIV Analyse. Einen weiteren Teil der Arbeit beinhaltet die Aufnahme von Reibwerten für die verschiedenen Reibmaterialien bei knarzrelevanten Randbedingungen. Abschließend soll mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse ein Modell für die Reibwertabschätzung bei geringen Geschwindigkeiten entwickelt werden.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die Untersuchung von Reifenpartikelemissionen ist ein noch sehr unerforschtes Themengebiet. In der Kontaktzone zwischen Reifen und Fahrbahn entsteht durch Reibung partikelförmiger Verschleiß, der aufgrund des vorliegenden Größenbereichs zu Feinstaub zählt. Durch Reifenverschleiß verursachter Feinstaub gilt nachweislich als Hauptverursacher von Mikroplastik in den Weltmeeren und wirkt sich im Allgemeinen gesundheitsgefährdend auf den menschlichen Organismus aus. Im Gegensatz zu verbrennungsmotorischen Emissionen existieren für Non - Exhaust - Emissionen, zu denen auch Reifenabriebpartikel zählen, keine gesetzlichen Vorgaben. Doch bedingt durch die steigenden Feinstaubbelastungen in den Städten und eine, kontinuierlichen Rückgang von Abgasemissionen, treten Reifenpartikelemissionen immer weiter in den Fokus wissenschaftlicher und politischer Dispute. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher Grundlagen zur Entstehung von Reifenabrieb erarbeiten, geeignete Partikelmesstechnik festgelegt und ein Gesamtkonzept entwickelt, welches es ermöglicht Reifenpartikelemissionen im realen Straßenverkehr zu messen. Das entwickelte Konzept wird praktisch umgesetzt und als Demonstrator an einem Messfahrzeug adaptiert. Durch die Durchführung von ersten Messfahrten auf einem Vier - Rollen - Prüfstand und in realen Straßenverkehr erfolgt eine Verifizierung der Funktionalität des Versuchsaufbaues und die Analyse möglicher Einflussparameter auf die Reifenemission. In diesem Zusammenhang werden Geschwindigkeit, Umgebungstemperatur, Reifenschultertemperatur, das Beschleunigungs- und Bremsverhalten und die Fahrbahntextur als beeinflussende Größen der Reifenpartikelemission erarbeiten.
Analyse des Einflusses der Vernetzung und der Initialbedingungen auf die simulative Untersuchung partikelförmiger Bremsenemissionen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die Umweltbelastung durch Feinstaub und insbesondere die Überschreitung von aus Gesundheitsaspekten etablierten Grenzwerten in Städten hat in den vergangenen Jahren dazu geführt, dass neben den bereits stark reglementierten verbrennungsmotorischen Partikelemissionen auch andere Emissionsquellen gesteigerte Beachtung finden. Bei Personenkraftwagen spricht man von Non-Exhaust-Emissionen. Da diese trotz ihrer gestiegenen Bedeutung in der öffentlichen Wahrnehmung bisher keiner Reglementierung unterliegen, ist es Gegenstand der Forschung, diese Emissionsquellen zu verstehen und deren gezielte Untersuchung zu ermöglichen. Die kinetische Energie von Fahrzeugen wird während des Bremsvorgangs in der Bremse in Reibungswärme umgewandelt. Diese weist dabei als tribologisches System einen Verschleiß auf, der bei Scheibenbremsen durch ihre offene Bauweise in Form von Bremsstaub direkt an die Umwelt abgegeben werden kann. Dieser Emissionsvorgang wird aktuell in der Forschung experimentell und simulativ untersucht. Diese Arbeit soll einen Beitrag zum strömungsmechanischen Verständnis der Vorgänge bei der Partikelemission an Scheibenbremsen leisten. Dazu wird aufbauend auf vorhergehende Arbeiten zunächst ein Modell zur CFD-Simulation des Bremsvorgangs innerhalb eines Konstantvolumenprobenahmesystems (CVS) erstellt. Für dieses wird anschließend eine Methodik zur Erstellung eines Volumennetzes erarbeitet, die insbesondere eine genauere Betrachtung von Vorgängen in den Grenzschichten ermöglichen soll. Das auf diese Weise erstellte Modell wird dann für die Untersuchung der Partikelinjektion verwendet.