Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Mit der weiteren Entwicklung der Fahrzeugtechnik kommt das ernste Problem der Umweltverschmutzung und der Verknappung der Ölressourcen. Konventionelle Fahrzeugemissionen sind eine der Hauptquellen für die Luftverschmutzung in Städten. Elektrofahrzeuge nutzen keine fossilen Brennstoffe wie Erdöl oder -gas und kann so die Mangel der Ölressourcen effektiv lindern und die Verschmutzung der Atmosphäre durch Autoabgase reduzieren. Derzeit sind technische Forschungen zu Elektrofahrzeugen ein beliebtes Thema. Gleichzeitig gibt das Elektrofahrzeug ein neuer Fahrzeugtyp, nämlich Elektrofahrzeug mit radindividuellem Antrieb. Ein Vorteil dieser Fahrzeuge ist, dass die Fahrdynamikregelung wegen einzeln steuerbarem Elektromotor mehr Genauigkeit bieten kann. In der Bachelorarbeit wird dieses Thema über Elektrofahrzeug mit radindividuellem Antrieb bezüglich Fahrdynamik und Sicherheit eingeleitet. Radnabenantrieb, nämlich die Räder werden von Nabenmotoren angetrieben. Das Elektrofahrzeug hat mehr Freiheiten bei der Steuerung als ein konventionelles Fahrzeug. Durch die in der Arbeit durchgeführte Literatur- und Patentrecherche werden Möglichkeiten zur Verbesserung von Fahrdynamik und Fahrsicherheit durch Optimierung bereits bestehender Fahrdynamikregelsysteme wie ABS, ESP und TVC untersucht.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die heutigen Fahrzeuge werden zunehmend mit unterschiedlichsten Fahrerassistenzsystemen ausgestattet. Diese unterstützen den Fahrer sowohl bei längsdynamischen als auch bei querdynamischen Manövern. Bei der Entwicklung dieser Systeme sollte das individuelle Fahrverhalten der Fahrer und der vorherrschende Automatisierungsgrad berücksichtigt werden. Aufgrund der Rahmenbedingungen, die die reale Fahrzeugerprobung mit sich bringt, und dem daraus entstehenden hohen Aufwand werden Tests zunehmend in die digitale Welt übertragen und in simulierten Fahrmanövern wiedergegeben. Aus dieser Notwendigkeit heraus wurde in dieser Arbeit ein Konzept auf Basis von Probandenversuchen mit einem dynamischen Fahrsimulator entwickelt, womit das Fahrverhalten klassifiziert und entsprechend in längs- und querdynamische Führung umgesetzt wurde. Es wurde eine Simulationsumgebung geschaffen, wobei das oberste Ziel darin bestand, für die Probanden eine realitätsnahe Simulationsumgebung zu entwickeln. Mittels einer Fahrsimulationssoftware wurden verschiedene Szenarien modelliert, die das Fahrverhalten der Probanden aufzeigten. Hierbei wurden Auffälligkeiten sowohl im Fahrverhalten der Probanden als auch zwischen den Szenarien identifiziert und dies anhand von längs- und querdynamischen Parametern auf-gezeigt. Die Unterschiede wurden in Bezug auf die Szenarien Stadt, Land und Autobahn und in Bezug auf die Dynamik in 5 Fahrverhaltensklassen eingeteilt. Dazu zählten die Längs- und Querbeschleunigung, die Pedalerie, die Pedalbetätigungsgeschwindigkeit, die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie das Lenkverhalten. Auf Basis eines regelbasierten Ansatzes sind die Parameter in ein Künstliches Neuronales Netz zum Trainieren eingeflossen. Im Wesentlichen entstand so ein echtzeitfähiges Modell, welches das aktuelle Fahrverhalten situationsabhängig klassifiziert. Aufbauend darauf wurden die zuvor identifizierten Parameter Fahrzeugbeschleunigung, Pedalerie, Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Reaktionszeiten und Pedalwechselzeiten zur Umsetzung des realen Fahrverhaltens als notwendige Parameter ausgewählt und in ein Fahrermodell für die längs- und querdynamische Regelung eingebunden. Die gewählte Längsregelung basiert auf einer Geschwindigkeitsregelung mit Erweiterung einer Beschleunigungsregelung mit PI-Regelung sowie die Querregelung auf einer Stanley-Regelung basiert. Das so entstandene Modell konnte dadurch verschiedene Dynamiken eines realen Fahrverhaltens je Szenario Stadt, Land und Autobahn und für eine Gefahrenbremsung umsetzen. Fahrerabhängige Reaktions- und Betätigungszeiten wurden erfolgreich in das Modell integriert.
Optimierung der Verschleißmessung von Reifen an einem Vier-Rollen-Prüfstand. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Der Verschleiß des Fahrzeugreifens wirkt sich als Bestandteil der non-exhaust emissions auf die Emissionen des Gesamtfahrzeuges aus. Die aufgrund der Tribologie im Reifen-Fahrbahn-Kontakt wirkenden Verschleißmechanismen resultieren in einer Emission von Partikeln, welche aufgrund ihres geringen aerodynamischen Durchmessers über die Lunge in den Blutkreislauf des Menschen gelangen können. Die Ursachenforschung zur Entstehung dieser Partikel lässt sich im realen Fahrbetrieb angesichts des Einflusses von Witterungsbedingungen, Verkehrsaufkommen und unterschiedlicher Fahrbahnbeschaffenheiten nur bedingt betreiben und ist daher überwiegend in kontrollierten Umgebungen durchzuführen. Diese Arbeit befasst sich mit der Implementierung von Verschleißzyklen an einem Corner-Modul-Aufbau eines Vier-Rollen-Leistungsprüfstandes, um die Partikelemissionen und den Verschleiß des Reifens unter reproduzierbaren Bedingungen zu untersuchen. Dabei sind anhand von Messdaten aus Fahrversuchen eines RDE-konformen Streckenprofils eine möglichst repräsentative sowie eine dynamische Fahrweise abzubilden. Die implementierten Zyklen sind hinsichtlich der Einflussgrößen auf die Partikelemission zu optimieren und durch die Bestimmung von Abrasionsraten anhand von realen Fahrversuchen zu validieren. Durch die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Prüfstands- und Fahrversuche konnten die Parameter Radlast, Geschwindigkeit, Lenkwinkel und Temperatur als signifikante Einflussgrößen auf die Partikelemission des Reifens identifiziert werden. Durch weitere Versuche konnte anhand der gezielten Erwärmung des Laufstreifens indiziert werden, dass der Reifen durch den Temperatureinfluss zur Emission besonders volatiler Bestandteile neigt.
Analytische und experimentelle Beschreibung von Non-Exhaust Emissionen im Fahrzeugumfeld. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der heutigen Zeit stehen Kraftfahrzeuge auf Grund von den verursachten Abgasemissionen schon seit Jahren in der Politik und Öffentlichkeit in der Kritik. Während diese Abgasemissionen über die Jahre durch Normen und Gesetze immer weiter reguliert und somit gesenkt werden, rücken Emissionen verursacht durch Bremsen- und Reifenabrieb sowie Resuspension von Feinstaub durch den Reifen immer weiter in den Fokus. Diese sogenannten Non-Exhaust-Emissionen sind in Bezug auf Verbleib und Verhalten in der umliegenden Luft und Umwelt noch wenig erforscht. Die vorliegende Masterarbeit befasst sich dazu mit der Weiterentwicklung und Validation von einem bestehenden Viertelfahrzeug-Strömungsmodell. Dazu werden mittels Simulation die Partikelströme sowie Partikelablagerungen für die verursachten Emissionen an Reifen und Bremse separat untersucht. Für eine repräsentative Partikelablagerung wird dabei eine Sensitivitätsanalyse zu einem Ablagerungsmodell durchgeführt und das Ablagerungsmodell auf das Strömungsmodell übertragen. Zudem werden an einem Windkanal mit einem Viertelfahrzeug die jeweiligen Strömungen der Partikel durch separate Injektionen an Bremse und Reifen mit Hilfe eines PIV-Versuchs veranschaulicht. Zusätzlich finden Beladungsversuche unter anderem mit angebrachten Probepads statt, welche quantitativ die Partikelablagerung an Felge sowie Karosserie und Unterboden beschreiben. Zum Schluss findet ein Vergleich der Ergebnisse aus Simulation und Prüfstand statt, womit das Strömungsmodell validiert wird.
Entwicklung der integrierten Fahrdynamikregelung für ein Elektrofahrzeug mit den individuellen Radnabenmotoren, dem elektrohydraulischen Bremssystem und der aktiven Radaufhängung. - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die integrierte Fahrwerksregelung (iFR) kann die Fahrdynamik von Elektrofahrzeugen weiter erhöhen. Die Integration erfordert einen optimalen Regelungsansatz, der sowohl die Energieeinsparung als auch die Fahrzeugsicherheit und den -komfort berücksichtigt. In dieser Arbeit wird die Regelungsstrategie für die Integration von Radnabenmotoren, Bremssystem und aktiver Radaufhängung in ein Fahrzeug ermittelt. Um das Fahrzeug möglichst schnell und effektiv zum Stillstand zu bringen, entscheidet der Regler über ausreichende Steuersignale für die Nutz- und Reibungsbremsung sowie die aktive Radaufhängung. Zur Validierung des vorgeschlagenen Ansatzes wird eine Software-in-the-Loop (SIL)-Simulation verwendet. Nur die zugänglichen Variablen von Sensoren und Estimatoren werden während der Simulation als Eingabe für den Regler verwendet, so dass diese Regelungsmethodik mit den heutigen Steuergeräten, Sensoren und Estimatoren auf fortschrittliche Elektrofahrzeuge erweitert werden kann.
Ertüchtigung eines Schwungmassenprüfstandes hinsichtlich der Messung von Bremsenemissionen. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die im Alltag genutzten Kraftfahrzeuge sind allesamt mit einer Reibungsbremse versehen, um die Fahrgeschwindigkeit zu regulieren, zu begrenzen und vor allem die Fahrsicherheit zu gewährleisten. Die Bremse nutzt das Prinzip der Reibung und wird in den meisten modernen Fahrzeugen mit einer Scheibenbremsanlage realisiert. Beim Betätigen der Bremse wird kinetische Energie in Wärme umgesetzt. Zusätzlich wird durch verschiedene tribologische Mechanismen Feinstaub freigesetzt, welcher nahezu ungehindert in die Umwelt gelangt. Auf die Feinstaubpartikel, welche sowohl für den Menschen als auch für die Umwelt gefährlich sind, wurde in den letzten Jahren ein gewisses politisches und wissenschaftliches Augenmerk geworfen. Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, eine Auswertung partikelförmiger Emissionen, welche von verschiedensten Messvorrichtungen in einem Prüfstand gemessen werden, zu automatisieren. Dabei findet zusätzlich eine Auswertung der spezifischen Reibwerte und Temperaturen der Bremspaarung statt. Zur Realisierung werden vorhandene, händisch ausgeführte Auswertungen in Betracht gezogen und wiederkehrende Arbeitsvorgänge mit einer Software automatisiert. Vorhandene Messsysteme müssen in ein Prüfnetzwerk eingebunden werden, damit zeitlich synchrone Abläufe beobachtet und aufgenommen werden können. Der Aufbau der Auswertesoftware soll möglichst adaptiv sein, um auch zukünftige Erweiterungen leicht integrieren zu können. Um die Bedienung der Software zu erleichtern, ist eine selbstverständliche und benutzerfreundliche Oberfläche notwendig. Die Arbeit umfasst neben der Beschreibung der vorhandenen Messsysteme und deren Einbindung in das Netzwerk auch die Realisierung der zeitsynchronen Auswertung der geforderten Parameter per Software. Nach der Beschreibung des Aufbaus der Software und der zugehörigen Benutzeroberfläche wird die Funktion erläutert. Zusätzlich wird die Funktion der automatisierten Auswertung durch händische Vergleichsauswertungen validiert. Abschließend werden "Non-Exhaust-Emissions" Messungen zu Reibpaarungen verschiedener Hersteller durchgeführt. Mithilfe der Software werden die aufgenommenen Daten evaluiert und beurteilt.
Prädiktion von fahrzeuginduzierten Emissionen im urbanen Raum. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Im Zuge der Anhebung gesetzlicher Feinstaubgrenzwerte für von Kraftfahrzeugen induzierte Emissionen, rücken neben den Abgasemissionen auch die Nicht-Abgasemissionen zunehmend in den Fokus von Gesetzgebung und Wissenschaft. Zur Senkung der Belastung der Umwelt und des Menschen mit diesen ist eine präzise Betrachtung der genauen Ursachen und Vorgänge an den entsprechenden Fahrzeugquellen notwendig. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Analyse der physikalischen Entstehungsmechanismen von Feinstaubpartikeln am Fahrzeug in einer Simulationsumgebung. Dabei wurden Daten aus Messfahrten mit einem Versuchsfahrzeug mit denen aus zuvor erstellten Modellen verglichen und bewertet. Die modellbasierten Daten wurden anschließen verwendet, um Emissions-Hotspots in einer urbanen Umgebung vorherzusagen. Durch Probandenfahrten in einem dynamischen Fahrsimulator wurde zudem der Einfluss verschiedener Fahrweisen auf die Fahrzeugemissionen genauer untersucht.
Schätzung der Fahrparameter und -zustände für eine aktive Radaufhängung. - Ilmenau. - 174 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Informationen über die Fahrzeugzustände sind für die Implementierung von Regelsystemen von großer Bedeutung. Vertikale Reifenkräfte und Fahrbahnrauigkeit sind einige Hauptparameter, die für die Sicherheit und den Komfort der Fahrzeuginsassen verantwortlich sind. Die direkte Messung dieser Parameter mithilfe von Sensoren ist allerdings sehr anspruchsvoll und gleichzeitig kostenintensiv. Die vorliegende Masterarbeit zielt darauf ab, die vertikalen Reifenkräfte und das Fahrbahnprofil mittels Beobachter-basierter Verfahren zu schätzen. Um die Erkenntnisse über diese unbekannten Größen zu erhalten, wurden die Schätzalgorithmen entwickelt. Diese Algorithmen verwenden die Informationen von den existierenden Sensoren wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren, relative Verschiebungssensoren zwischen der gefederten und der ungefederten Masse und Gyroskop, die im Fahrzeug mit einem aktiven Federungssystem ausgestattet sind. Darüber hinaus werden zwei verschiedene Schätzkonzepte verwendet, die darauf abzielen, die Fahrbahnprofilhöhe unter hohen Unsicherheiten und kritischen Fahrbahnbedingungen präzise zu schätzen. Für die Validierung der entwickelten Verfahren werden zwei unterschiedliche Testumgebungen gewählt. Die erste Validierung erfolgt auf der Basis von Simulationsergebnissen von IPG Automotive-CarMaker, während die zweite Validierung auf der Grundlage der verfügbaren Messungen aus den Fahrversuchen am Testfahrzeug erfolgt. Die Robustheit der Beobachter wird in den zahlreichen Testmanövern unter kritischen Fahrbedingungen bestätigt. Folglich wird die Leistung der Beobachter anhand des Vergleichs zwischen den Simulations- und Fahrversuchsmessergebnissen bewertet.
Entwicklung und Bewertung einer Methode zur Auslegung elektrischer Antriebskomponenten mittels Modulstrategie. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Automobilhersteller sollen stark regulierte Emissionsgrenzwerte ihrer Fahrzeuge einhalten. Zur Einhaltung dieser neuen Grenzwerte werden konventionelle Antriebsstränge durch batterieelektrischen Antriebssträngen ersetzt. Die Entwicklung dieser lokal emissionsfreien Antriebsstränge stellt die Automobilhersteller vor eine große Herausforderung. Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Methodik, anhand derer ein konventionelles Fahrzeugportfolio in ein rein batterieelektrisches Portfolio überführt werden kann. Ziel ist es, bestehende Antriebsstränge zu verblocken und so entstehende technische und ökonomische Potentiale auszunutzen. Dazu werden ausgehend des analysierten Portfolios Anforderungen an modulare Antriebskomponenten des elektrischen Portfolios definiert. Die Auslegung erfolgt anhand der Drehmomente am Rad. Dazu werden zunächst die fahrzeugindividuellen Raddrehmomente des analysierten Portfolios bestimmt und in Klassen eingeteilt, um eine geringe Varianz an Antriebssträngen zu ermöglichen. Diese Klassen stellen die Basis der Methodik und der Auslegung der Antriebsstränge dar. Um eine geeignete Auswahl der Klassen zu treffen, wird ihre jeweilige Auswirkung auf die Varianz analysiert. Basierend auf den resultierenden Leistungs- und Drehmomentanforderungen am Rad werden die Anforderungen an die Getriebe und E-Maschinen abgeleitet. Dabei werden sowohl Fahrzeuganforderungen wie Bauraumbedingungen, Höchstgeschwindigkeiten und die Antriebstopologie des Fahrzeugs als auch technische Anforderungen wie ein maximales E-Maschinendrehmoment und der Gangsprung aus dem analysierten Portfolio übernommen oder neu definiert. So können konkrete Übersetzungen sowie E-Maschinenleistungen und -drehmomente definiert werden. Die technische Realisierbarkeit der definierten E-Maschinenanforderungen wird durch die Berechnung konkreter Kennlinien bestätigt. Anhand der entwickelte Methode können rund 94 % der Fahrzeugpositionen des hier in dieser Arbeit analysierten Portfolios innerhalb einer definierten Toleranz durch vier E-Maschinen und zwei Getriebe im elektrischen Portfolio abgebildet werden.
Ein datenbasiertes Wahrscheinlichkeitsmodell zur Prädiktion reifeninduzierter Partikelemissionen. - Ilmenau. - xviii, 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die wissenschaftliche Relevanz von Partikelemissionen nichtmotorischer Quellen stieg in den letzten Jahren deutlich an. Dabei wurden Fahrzeugreifen als eine bedeutsame Quelle für Partikelemissionen identifiziert. Während der Kraftübertragung zwischen Reifen und Fahrbahn treten Reibkräfte auf. Es kommt zum Verschleißprozess des Reifenmaterials und somit zur Emission kleinster Partikel. Eine Messung dieser ist sehr aufwändig und von vielen Störfaktoren beeinflusst. Um den Entwicklungsaufwand möglichst effizient zu gestalten, wird vermehrt auf modellbasierte Ansätze zurückgegriffen. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde eine Modellierungsmethode zur Prädiktion reifeninduzierter Partikelemissionen erarbeitet und deren Funktionsfähigkeit getestet. Dies erfolgte unter Einbezug von Partikelmassen- und Partikelanzahlkonzentrationen. Die Umsetzung der Modelle basiert auf Messreihen aus dem Datenpool des Fachgebiet Fahrzeugtechnik der TU Ilmenau. Aufgrund der hohen Komplexität des Zusammenhangs zwischen Krafteinwirkung am Reifen und emittierten Reifenpartikeln bildet ein künstliches neuronales Netz als faktorisiertes Wahrscheinlichkeitsmodell das Fundament. Während die aufgezeichneten Messdaten der extrahierten Fahrmanöver als Eingangsparameter dienen, spiegeln die Partikelemissionen das Lernziel wider. Zur Bewertung der Prädiktionsgüte dient die kalkulierte Abweichung zwischen simulierten und gemessenen Partikelkonzentrationswerten. Nach Erarbeitung einer Offlinevariante erfolgte die Erweiterung zu einem echtzeitfähigen Online-Modell. Das Ergebnis verdeutlicht, dass eine Prädiktion von Reifenpartikeln unter Zuhilfenahme der Modelle möglich ist. Dabei ist der Fehler des Online-Modells signifikant höher als die zuvor offline ermittelten Werte. Jedoch ergab sich keine Funktionstauglichkeit des Modells für unbekannte Messreihen. Dennoch konnten die Untersuchungen das Potential dieser Methode aufzeigen.