Studentische Abschlussarbeiten

In dieser Arbeit wird der Frage nachgegangen, wie mithilfe szenariobasierter Simulation die Sicherheitsüberprüfung automatisierten Fahrens im Mischverkehr (Interaktion mit konventionellen Fahrzeugen) durchgeführt und optimiert werden kann. Die Berücksichtigung des Mischverkehrs ist relevant, da automatisiertes Fahren nur schrittweise in den Verkehr integriert werden kann. Bei der Entwicklung automatisierter Fahrfunktionen im Mischverkehr wird es künftig zu einem erhöhten Aufwand in Bezug auf Testumfänge kommen. Da keine einheitlichen Regeln zur Zulassung und Prüfung neuer Fahrerassistenzsysteme und Fahrfunktionen höherer Automatisierung vorliegen, werden neue Verfahren und Testmethoden benötigt. In der Arbeit werden theoretische Grundlagen zur Fahrsicherheit und zum autonomen Fahren behandelt. Außerdem werden der aktuelle Stand der Technik und gängige Testverfahren dargestellt. Aufbauend auf diesen Analysen wird eine allgemeingültige Vorgehensweise entwickelt, um den Absicherungsprozess von Fahrsicherheit im automatisierten Verkehr zu unterstützen. Im Vordergrund steht die Analyse der Fahrsicherheit in der Interaktion von mindestens zwei Personenkraftfahrzeugen im Mischverkehr. Es wird ein Testmanöverkatalog erarbeitet, der konkrete Anwendungsfälle beinhaltet. Diese Anwendungsfälle werden mittels Szenarienbeschreibungen und Formeln ausführlich dargestellt und beinhalten verschiedene Verkehrssituationen in der Stadt, auf dem Land und auf der Autobahn. Es werden unterschiedliche Grade der Automatisierung – das völlig autonome Fahren, das Fahren mit Fahrerassistenz und das manuellen Fahren – beschrieben und im jeweiligen Anwendungsfall variiert. Da Fahrmanöver mit einem ausgeprägten Unfallpotenzial kaum in der Realität geprüft werden können, wurden sie mithilfe von Simulationen durchgeführt und ausgewertet. Das Ergebnis dieser Arbeit ist, dass zur Optimierung der Fahrsicherheit zusätzliche Sensorik sinnvoll ist und ein kooperatives Fahrverhalten im Fokus stehen sollte. Außerdem wird ein Vorschlag zur Bewertung der Sicherheit einzelner Fahrmanöver in Form konkreter Key-Performance-Indikatoren angegeben.

Derzeit ist die Automobilindustrie eine schnell wachsende Branche in Bezug auf die Herstellung von Maschinen, bei denen Abgasemissionen sowie Feinstaub möglich sind, wenn beispielsweise Automobilgummi mit der Straße in Berührung kommt. Diese Emissionen sind für Mensch und Umwelt insgesamt sehr schädlich, daher müssen diese Emissionen gemessen und nach Möglichkeit auf ein Minimum reduziert werden. Wenn wir die Abgasemissionen betrachten, dann sind diese Emissionen bei Neuwagen bereits seit Mitte des 20.Jahrhunderts begrenzt, wobei die Hersteller jedes Jahr auf immer kleinere Zahlen kommen. Es fällt auf, dass diese Abgasemissionen inzwischen bereits zahlenmäßig den Nicht-Abgasemissionen gleichkommen, was für Ingenieure neue Fragen aufwirft. Daher entwickelt derzeit der Fachbereich Kraftfahrzeugtechnik der Technischen Universität Ilmenau Messgeräte zur Analyse von Emissionen von Bremssystemen und Emissionen im Zusammenhang mit Reifen. In dieser Masterarbeit wird eine Reifenemissionsanalyse-Messeinheit betrachtet. Diese Messeinheit ist experimentell und hat weltweit keine Analoga, daher gibt es Probleme, die das Department of Automotive Engineering mit der Erweiterung dieses Bereichs löst. In diesem Stadium gibt es Probleme mit der Messung des Radwinkels und der Belastung des Rades, daher ist es in dieser Arbeit notwendig, Lösungen für diese Probleme bereitzustellen. Vergleichen Sie mehrere Optionen und wählen Sie die beste aus allen aus.

Zielsetzung dieser Arbeit war es, einen neuen Ansatz zu entwickeln, niederfrequente Schwingungsphänomene in der Radbremse simulationsgestützt abzubilden, um den Entwicklungsprozess zukünftiger Bremssysteme in einem frühen Stadium zu erweitern. Im Rahmen der Recherche wurde dabei das niederfrequente Phänomen des Bremsenrubbelns als besonders relevant identifiziert. Dieses kann zu komfortmindernden und z. T. sicherheitskritischen Schwingungen im Brems- und Lenksystem führen, welche gleichzeitig eine der häufigsten Ursachen für Inanspruchnahme von Garantieleistungen darstellen.Eine weiterführende Literaturrecherche konnte zeigen, dass bereits viele Untersuchungen zur Klärung der Ursache des Phänomens, sowie zur Analyse passiver und aktiver Kompensationsmethoden getätigt wurden. Eine große Limitation dieser Untersuchungen stellte an vielen Punkten die Einschränkung dar, dass sich das Phänomen nicht ohne weiteres an Prüfständen oder mittels Simulationen abbilden lässt. Problem ist hierbei, dass sich am Prüfstand zwar prinzipiell alle relevanten Komponenten integrieren lassen, die Messtechnik im Bereich der rotierenden Bremsscheibe jedoch ein Hindernis darstellt. Hinsichtlich simulativer Methoden ist es notwendig, verschiedene Domänen zu koppeln, da das Bremssystem inkl. Regelung mittels analytischer Modelle abgebildet werden kann, jedoch die thermischen und strukturmechanischen Prozesse an der Bremsscheibe die Verwendung von FE-Modellen benötigen. Deshalb erfolgte im Rahmen dieser Arbeit eine Machbarkeitsstudie eine solche Simulationsumgebung zu entwickeln. Für die Kopplung der Simulationsdomänen wurde die Software Matlab®/Simulink® der Firma The MathWorks Inc. gewählt. Zudem steht ein Simulink-Modell eines EHBs zur Verfügung, welches im Vorfeld im Rahmen einer Projektarbeit vom Autor erstellt (s. [1]) und im Zuge der Integration in die Co-Simulation erweitert wurde. Für die Simulation der Thermik und Strukturmechanik der Bremsscheibe erfolgt die Nutzung der PDE Toolbox, welche die Möglichkeit bietet entsprechende FE-Analysen mit zuvor importierten CAD-Modellen durchzuführen. Um das EHB-Modell mit den FE-Modellen koppeln zu können wurde ein neuartiger Ansatz vorgestellt, welcher die Simulationen, ähnlich dem FMI-Standard, bestimmte Berechnungsintervalle simulieren lässt und an festgelegten Synchronisierungspunkten einen Datenaustausch ermöglicht. Im Detail werden Berechnungsintervalle von 0,001s gewählt, die Simulationen gestaffelt ausgeführt und die Ausgabewerte als Anfangsbedingungen für die folgenden Simulationen übergeben. Zur Plausibilisierung der Simulationsergebnisse erfolgte der Abgleich mit einem Prüfstandlauf eines AK-Master Testzyklus an einem SMP des Fachgebiets Fahrzeugtechnik der TU Ilmenau. Mit Hilfe der Daten des Prüfstandlaufs konnte die Thermiksimulation erfolgreich anhand des realen Temperaturverhaltens während des Bremsvorgangs optimiert werden. Darüber hinaus erfolgten einige Grundlagenuntersuchungen des stationären Verhaltens der FE-Modelle, wobei eine Einschätzung der Ergebnisse anhand einschlägiger Literatur erfolgte und die Aussagekraft der Modelle zeigen konnte. Die Plausibilisierung des EHB-Modells erfolgte bereits im Vorfeld im Rahmen der genannten Projektarbeit. Die Ergebnisse der Co-Simulation konnten schlussendlich zeigen, dass sich die komplexen Wechselwirkungen, wie sie bei Schwingungsphänomenen an der Reibungsbremse auftreten, abbilden lassen. So zeigten sich eindeutige Korrelationen zwischen Scheibenverformung und Bremsdruckschwankungen in den Auswertungen. Aufgrund der Unkenntnis über viele der relevanten Materialparameter ließen sich im simulierten Zeitraum (<4s) keine direkten Einflüsse auf das resultierende Temperaturfeld feststellen. Es wird jedoch erwartet, dass mit Erarbeitung einer Datenbasis der exakten Systemparameter auch die Einflüsse auf die Temperaturverteilung sichtbar werden. Insgesamt konnte die Machbarkeitsstudie jedoch deutlich zeigen, dass eine gesamtheitliche, simulative Abbildung der relevanten Prozesse mit dem vorliegenden Konzept möglich ist.

Straßenverkehr ist seit lange eine wichtige Quelle von Schadstoffen wie NOx und Partikel. Im Laufe Zeit werden die Emissionsgrenzwerte immer verschärft, deshalb ist es notwendig die Emissionen tief zu betrachten. In der Zukunft fahren immer mehr E-Autos auf Straßen. Sie stoßen kein Abgas mehr aus, sondern Nicht-Abgas-Emission wie Reifen- und Bremsenpartikel. Die traditionelle RDE-Richtlinie ist eigentlich für die Abgasemission entwickelt. Ziel dieser Arbeit ist einen dynamischen Messzyklus zu entwickeln und die Messfahrten auf den beiden Zyklen durchzuführen. Die neuen Messgeräte mit Fokus auf den Reifen- und Fahrbahnabrieb werden am Versuchsfahrzeug VW T6 umgebaut. Die benötigten Fahrzeugdaten werden durch CAN-Bus System und VBox gespeichert und abgelesen. Die Partikelanzahlen nach Größenstufen werden vom Messgerät OPS gezählt. Dadurch werden die Vorder- und Hinterachsen in Bezug auf die Partikelemission verglichen. Dazu werden die Diagramme der Partikelanzahl, der Fahrgeschwindigkeit, der Längs- und Querbeschleunigung durch Matlab erstellt und ausgewertet. Außerdem wird die mikroskopische Auswertung mit Hilfe der im OPS eingesetzten Filtern ebenfalls durchgeführt. Die Fahrgeschwindigkeit selbst ist nicht Einflussfaktor auf die Partikelemission, sondern die Geschwindigkeitsänderung. Aber die Geschwindigkeitsänderung kann man hier nicht einfach als Beschleunigung oder Verzögerung bewerten. Weil eine große Beschleunigung oder Verzögerung nicht zur Spitze der Partikelemission führen muss. Die Vorderachse wirkt bei der Partikelemission bei Beschleunigungs- und Bremsvorgang deutlicher als die Hinterachse, weil das Versuchsfahrzeug einen Vorderachsantrieb besitzt.

Abgasemissionen waren schon immer ein extremes Problem für unsere Umwelt und den Menschen, die unter anderem zur globalen Erwärmung und zu gesundheitlichen Problemen beiträgt. Nach strengen Vorschriften und der Markteinführung der Elektromobilität hat sich die Reduzierung der Abgasemissionen deutlich verbessert. Allmählich rücken die abgasfernen Emissionen (non-exhaust emissions, NEE) auf die Tagesordnung von Bremsen- und Reifenherstellern, Universitäten, Forschung und sogar der Politik. Es ist zu erwarten, dass in den nächsten Jahren auch für Reifenabriebpartikel (Tyre-road-wear particles, TRWP) Vorschriften erlassen werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung eines LSTM (Long Short-Term Memory) in Python zur Vorhersage von Reifenemissionen unter verschiedenen Fahrbedingungen, unter Verwendung von Messdaten aus Fahrversuchen sowohl auf einem Prüfstand als auch auf der Straße. Identifizierte Parameter wie Temperatur, Geschwindigkeit, Schräglaufwinkel und Drehmoment wurden als signifikante Einflussgrößen für das Training des Modells berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass das LSTM-Netzwerk ein leistungsfähiges Werkzeug für Sequenzvorhersageprobleme ist und sich als sehr effizient erwiesen hat.