Entwicklung einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung für die Erprobung von modernen Lenkanlagen auf Prüfstandsebene. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Fahrassistenzsysteme sind wichtiger Bestandteil moderner Fahrzeuge. Sie tragen nicht nur zum Fahrkomfort bei, sondern sind auch essenziell für die Fahrsicherheit. Damit Assistenzsysteme in die Fahrzeugführung eingreifen können, kommt es im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung des Gesamtfahrzeugs auch zu einer Elektrifizierung von Teilkomponenten wie der Lenkanlage, der Bremsanlage und des Antriebsstrangs. Überlagerungslenkungen sowie vollständig mechanisch entkoppelte Steer-by-Wire-Systeme können über Elektromotoren eigenständig Lenkmomente aufbringen, um im Notfall unabhängig vom Fahrer eine Kurskorrektur vornehmen zu können. Für die Entwicklung dieser Systeme ist es erforderlich, die Komponenten software- und hardwareseitig erproben zu können, ohne auf die Bereitstellung eines Testfahrzeugs angewiesen zu sein, und ohne dass eine Gefahr für einen menschlichen Testfahrer besteht. Methoden für die virtuelle Erprobung sind heutzutage mehr und mehr verbreitet. Dies lässt sich mithilfe sogenannter X-in-the-Loop-Umgebungen realisieren, mit denen im Rahmen von Co-Simulationen auch mehrere Komponenten parallel getestet werden können. Das Fachgebiet Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Ilmenau hat einen Lenkungsprüfstand, der in einer X-in-the-Loop-Umgebung eingesetzt werden soll. Dafür wurde im Rahmen dieser Arbeit eine echtzeitfähige, modellbasierte Ansteuerung des Prüfstands entwickelt und untersucht, um erste Erkenntnisse über eine mögliche Ansteuerung des realen Prüfstands zu erlangen. Mithilfe von auf der Prüfstandsgeometrie basierenden Übertragungsfunktionen ist sowohl eine Kraft- als auch eine Hubregelung virtuell nachstellbar und wurde mit verschiedenen Fahrzeugmodellen in diversen simulierten Fahrmanövern untersucht. Zusätzlich wurde ein Konzept für die grafische Nutzeroberfläche erstellt, mit welcher der Prüfstand später bedient werden soll.
Entwicklung und Validierung einer Regelung zur Nick-und Wankstabilisierung für verschiedene Antriebstologien. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Durch die zunehmende Elektrifizierung steigen zudem die Freiheitsgrade im Fahrzeug. Dadurch wird die Integration einer Vielzahl von Regelstrategien ermöglicht, die die Fahrdynamik beeinflussen. Auf diese Weise ist nicht nur eine Verbesserung der Fahrsicherheit, sondern auch eine Steigerung des Fahrkomforts möglich. Verglichen mit konventionellen Antrieben ist der Nutzengewinn bei der Elektromobilität deutlich höher einzuschätzen. Parallel dazu nimmt die Automatisierung der Fahrzeuge stetig zu. Damit steigt der Anspruch auf Fahrkomfort. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von verschiedenen Antriebsstrangstrategien im Hinblick auf die Fahrstabilisierung in der Nick- und Wankdynamik. Zu diesem Zweck wurde die Logik für ein Regelsystem zur Verbesserung des Fahrkomforts implementiert und an die verschiedenen Antriebstopolgien angepasst. Im Anschluss daran wurde die Regelung in einer Fahrsimulationssoftware mit Hilfe von verschiedenen Manövern simuliert. Zur Bewertung der Regelung dient der sogenannte Ride-Index-Wert. Für die Optimierung und Tests wurde eine geeignete Automatisierungssoftware verwendet. Der letzte Schritt war der Vergleich der Ergebnisse zwischen verschiedenen Topologien und die Auswahl des besten Regelansatzes für autonome Fahrzeuge hinsichtlich Fahrkomforts.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Entwicklungsprozess einer 10"-Radbaugruppe für ein Formula Student Fahrzeug mit Radnabenmotoren. Im einem ersten Schritt wird der Entwicklungsprozess technischer Produkte aufgezeigt und auf die Anforderungen und Rahmenbedingungen der Formula Student übertragen. Im zweiten Schritt werden nach der Bewertung und Auswahl der Reifen und Motoren Anforderungen definiert sowie ein Getriebekonzept und verschiedene Übersetzungsaufteilungen erarbeitet. Diese werden mit einer Software zur Getriebeauslegung überschlägig berechnet und bewertet. Das ausgewählte Planetengetriebe mit hohlradseitigem Abtrieb wird optimiert und mit der Lagerung und Abdichtung in ein 3D-Model überführt. Zudem wird der Konstruktionsprozess sowie die strukturmechanische Validierung der tragenden Bauteile aufgezeigt. Abschließend wird der radseitige Teil der Bremsanlage und die statische Bremskraftverteilung unter Berücksichtigung der an die Verzögerungsleistung im autonomen Betrieb gestellten Anforderungen ausgelegt. Dafür werden Bremsbeläge verglichen sowie Untersuchungen zum Einfluss der Nut- und Dichtungsgeometrie auf das Lüftspiel durchgeführt. Letztlich werden die Bauarten und die strukturmechanische Validierung der Bremssattel beschrieben.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Mit der Entwicklung der relevanten Technik geht der Trend immer weiter in Richtung moderner Elektrofahrzeuge. Die Elektrofahrzeuge, die durch Elektromotoren angetrieben werden, bieten aufgrund neuer Fahrdynamikregelsysteme neue Möglichkeiten zur Steigerung des Fahrkomforts. Bei den Elektrofahrzeugen kann die Energie der Bremsung auch durch E-Motoren zurückgewonnen werden. Hauptziel dieser Masterarbeit ist es, eine Fahrkomfortregelung und eine regenerative Bremsfunktion für moderne Elektrofahrzeuge zu entwickeln und umzusetzen. Die Funktionalität der Regelung und der Bremsfunktion wird durch verschiedene Simulationen verifiziert. Der Regler und die Bremsfunktion werden aufgebaut. Die Versuchsfahrzeuge mit verschiedenen Antriebstopologien werden modelliert. Die kombinierten Simulationen werden anhand geeigneter Manöver in der Fahrsimulationsumgebung durchgeführt. Zuerst wurde der ‚Ride Control' Winkel der Versuchsfahrzeuge ermittelt, danach werden Regler und regenerative Bremsfunktion modelliert und optimiert. Abschließend wird es validiert, dass die durch Elektromotoren erzeugten Vertikalkräfte den Fahrkomfort verbessern und das Fahrzeug mit regenerativer Bremsfunktion besseren Fahrkomfort erzielen können.
Entwicklung einer Methode zur vertikaldynamischen Stabilisierung eines Fahrzeugs beim Bremsvorgang. - Ilmenau. - 128 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Während Bremsmanövern von Fahrzeugen kommt es zu einer ausgeprägten Schwerpunktverlagerung, welche intensive Aufbaubewegungen, das Bremsnicken, hervorruft. In Abhängigkeit der Bremsdynamik und Fahrwerksdämpfung, treten dabei mehr oder minder große Schwingungen auf, die den Bremsvorgang und schließlich auch die Insassen in vielerlei Hinsicht beeinflussen, im Extremfall sogar die Handlungsfähigkeit des Fahrers. Ziel dieser vorliegenden Arbeit war es, das Potential einer Kompensationsregelung für semi-aktive Dämpfersysteme zur Unterdrückung dieser Aufbaubewegungen zu untersuchen. Da magnetorheologischen Dämpfersystemen derzeit von Forschung und Industrie ein hohes Potential zugeschrieben wird, erfolgt die Untersuchung beispielhaft anhand eines solchen Systems, welches in einem batterieelektrischen Sport Utility Vehicle (SUV) verbaut ist. Zur Umsetzung der Aufgabe erfolgte im ersten Schritt die Entwicklung eines entsprechenden Regelalgorithmus in Matlab®/Simulink® . Über die Einbindung des Reglers in ein Fahrzeugmodell in der Fahrdynamiksoftware CarMaker wurden die Leistungsfähigkeit und Robustheit in verschiedenen fahrdynamischen Manövern anhand selbstdefinierter Leistungsindikatoren hinsichtlich Fahrsicherheit, Fahrverhalten und Komfort bewertet und mit einem passiven Dämpfersystem verglichen . Insbesondere durch eine Reduktion der Nickbeschleunigungen um bis zu 20 % und der vertikalen Beschleunigung im normalen Anwendungsfall sogar auf etwa die Hälfte konnte hierbei die Aufbaudynamik bedeutend zu Gunsten eines gesteigerten Komforts und geringerer Radlastschwankungen eingedämmt werden, ohne dabei die Fahrsicherheit oder Fahrstabilität merklich negativ zu beeinflussen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Durch eine zunehmende Elektrifizierung im Automobilmarkt, welche auch politisch getrieben ist, verschieben sich Entwicklungsschwerpunkte. Energierückgewinnung im An-triebsstrang ermöglicht ein nahezu von der mechanischen Bremse befreites Fahren. Dies führt zu einer geringen Nutzung der Reibungsbremse, wodurch sich beispielsweise Korrosionsprodukte langsamer abtragen. Da der Trend zu Leichtbauweisen und geringen Wartungen geht, müssen die Reibpartner anders optimiert werden, um trotzdem Sicherheit zu gewährleisten. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung alternativer Reibmaterialien rekuperierenden Kraftfahrzeugbremsen unter korrosiver Belastung. Tribologische Untersuchungen wurden durchgeführt, um das Verhalten verschiedener Materialien unter unterschiedlichen Bedingungen zu analysieren. Parallel dazu werden Emissionsmessungen durchgeführt, um den Einfluss von Korrosion auf die Feinstauberzeugung der Bremse zu beurteilen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen langfristig dazu beitragen, Bremsbeläge, die speziell für den Betrieb in rekuperationsfähigen Fahrzeugen verwendet werden, tribologisch besser zu verstehen und damit die Entwicklung zu optimieren.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In der vorliegenden Arbeit werden Einflussparameter auf das akustische Verhalten einer 10-poligen permanenterregten Synchronmaschine mit 30 Nuten untersucht. Mittels einer multiphysikalischen Modellierung durch ein elektromagnetisches 2D-FEM-Modell in ANSYS und der strukturdynamischen Modellierung in ANSA für den 3D-FEM-Solver PERMAS werden akustisch und schwingungstechnisch relevante Eigenschaften identifiziert und untersucht. In der elektromagnetischen Simulation können die Kräfte im Luftspalt berechnet werden, die im Weiteren als Anregungskräfte des Stators inkl. Statorträgers und Lagerschild definiert werden. Dazu konnten relevante zeitliche Schwingungsordnungen ermittelt und in Form von harmonisch schwingenden Kräften an der Zahnkopfinnenfläche aufgebracht werden. Der Stator wird als homogenisierter transversalisotropes Materialmodell abgebildet. Durch kann die 3D-FEM-Simulation wird daraufhin die Oberflächenanregung bzw. die abgestrahlte Schallleistung simuliert. Die Methode konnte angewandt werden, um und den Einfluss der Temperatur, des modalen Dämpfungswerts und der Übermaßverbindung zwischen Statorsegmenten und Statorträger zu untersuchen und das elektromagnetische Design akustisch zu optimieren. Dies geschieht durch die Schrägung des Rotors. Durch die Schrägung werden das Nutrastmoment und die Drehmomentrippel verringert. Dadurch konnte eine deutliche Verringerung der abgestrahlten Schallleistung erreicht werden.
Entwicklung einer Methode zur kombinierten Querdynamikregelung eines Fahrzeugs unter besonderer Berücksichtigung der Stabilität. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In dieser Arbeit wird das Potenzial aktiver Vorderachslenkungen (AFS) zur Verbesserung bestehender elektronischer Stabilitätsprogramme (ESP) in Fahrzeugen untersucht, indem die Lenkung als zusätzlicher Parameter zur Korrektur von Über- oder Untersteuern eingesetzt wird. Ein Fuzzy-Regler wird eingesetzt, um die in jedem Zeitschritt notwendige Korrektur der Lenkparameter zu berechnen, die dann mit Hilfe des AFS in das System eingeführt wird. Die Studie untersucht die Auswirkungen der Integration von AFS und ESP zur Verbesserung der Fahrzeugdynamik und Fahrstabilität. Die Studie bewertet die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Systems in diversen Szenarien, indem verschiedene Simulationen durchgeführt werden, um das Verhalten des Fahrzeugs unter verschiedenen Fahrbedingungen zu analysieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Integration von AFS und ESP einen positiven Einfluss nimmt, indem das Fahrzeug agiler durch die Kurven fährt und das Über- oder Untersteuern minimiert wird. Die Forschungsergebnisse können zur Entwicklung von fortschrittlicheren ESP-Systemen beitragen und die Effizienz von Fahrzeugen in der Zukunft verbessern.
Prädiktion von Fahrzuständen zur Optimierung von Vehicle-in-the-Loop-Methoden. - Ilmenau. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Im Zuge des Trends hin zum hochautomatisierten Fahren und der dadurch steigenden Komplexität der integrierten Systeme wird die Erforderlichkeit neuer Entwicklungsmethoden wie dem Vehicle-in-the-Loop-Ansatz immer deutlicher. Bei der Vernetzung nach dem X-in-the-Loop-Ansatz entstehen je nach Übertragungstechnologie unterschiedlich hohe Latenzen, welche eine zeitliche Verzögerung im Datenaustausch bedingen und somit zu gewissen Fehlern führen. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung und Validierung geeigneter Prädiktionsmethoden, um durch die Minderung dieser latenzbedingten Fehler eine Optimierung von Vehicle-in-the-Loop-Methoden zu erzielen. Ebenso werden kooperative Fahrszenarien vorgestellt, mit denen zukünftig verschiedenste Strategien für autonomes oder hochautomatisiertes Fahren im Rahmen dieser Entwicklungsmethode genauer untersucht werden können.
Analyse zum Stand der Technik von X-by-Wire-Systemen im Automotive-Bereich. - Ilmenau. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die zunehmende Elektrifizierung und Automatisierung von Fahrzeugen bieten gleichermaßen Herausforderungen aber auch viele Chancen für technische Neuentwicklungen. Besonders die direkte, mechanische Entkopplung des Fahrers von den Fahrwerkaktuatoren bietet Potential zur Weiterentwicklung von Fahrdynamikregel- und Fahrerassistenzsystemen. Diese neuartigen, mechanisch entkoppelten und elektrisch gesteuerten Systeme eines Fahrzeugs werden als X-by-Wire-Systeme bezeichnet. Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit solchen X-by-Wire-Systemen für die Fahrzeugsubsysteme Antrieb (Throttle-by-Wire), Bremse (Brake-by-Wire) und Lenkung (Steer-by-Wire). Inhaltlich wird ein Gesamtüberblick über den aktuellen Stand der Technik und die Einsatzmöglichkeiten dieser Systeme im Automotive-Bereich gegeben. Darauf aufbauend erfolgt – auch im Hinblick auf den derzeit geltenden, rechtlichen Rahmen – eine Potentialabschätzung für den zukünftigen Serieneinsatz solcher Systeme. Dazu wird eine ausführliche, technologische Bewertung auf Grundlage einer objektiven, internationalen Patent- und Literaturrecherche zu den drei ausgewählten X-by-Wire-Systemen erstellt und anhand dieser mittels Trendanalyse in die Zukunft projiziert. Die Trendanalyse zeigt, dass die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten speziell zum Thema Brake-by-Wire und Steer-by-Wire über die letzten 20 Jahre kontinuierlich angewachsen sind. Zudem weist derzeit nichts darauf hin, dass sich dies in den nächsten Jahren ändern wird. Ein großer Einflussfaktor auf diese Trends ist die fortschreitende Entwicklung der Hybrid- und rein elektrischen Fahrzeuge, vor allem jedoch die Entwicklung weg vom Verbrennungsmotor. Die X-by-Wire Technologien besitzen enorme technische Vorteile für diese neuen Antriebe, weswegen es abzuschätzen gilt, inwieweit diese zum künftigen Standard werden, sofern äußere oder wirtschaftliche Faktoren, wie beispielsweise die gesetzlichen Vorgaben, keinen weiteren negativen Einfluss ausüben.