Studentische Abschlussarbeiten

Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit war es, ein aktives Lenkradsystem für ein teilautomatisiertes Fahrzeug an einem stationären Fahrsimulator mit Hilfe von MATLAB/Simulink zu entwickeln. Dies beinhaltet sowohl die Grundlagenuntersuchung im Bereich der automatisierten Fahrzeuge als auch die Analyse der rechtlichen Rahmenbedingungen sowie der Kundenakzeptanz. Darüber hinaus werden verschiedene Algorithmen für die Berechnung von optimalen Fahrtrajektorien des Fahrzeugs vorgestellt. Anhand der gewählten Methode werden schließlich ein Regler für automatisiertes Fahren auf Basis des berechneten Pfades erstellt und die Entwicklung des aktiven Lenkradsystems am stationären Fahrsimulator aufgezeigt. Des Weiteren wird eine Regelungsstrategie für den reibungslosen Übergang zwischen dem menschlichen Fahrer und dem automatisierten System implementiert bevor abschließend die Echtzeitfähigkeit des Systems untersucht wird.

Heutzutage stellen Strömungssimulationen durch die hohe Kosten- und Zeitersparnis im Vergleich zu den konventionellen Methoden eines Versuchsaufbaus eine wichtige Alternative dar. Für die erfolgreiche Durchführung solcher Simulationen ist ein fundiertes Wissen über die physikalischen Zusammenhänge und den numerischen Lösungsweg erforderlich. Diese theoretischen Aspekte werden im Grundlagenteil dieser Arbeit, deren Thema die Strömungssimulation des Heißgasprüfstandes ist, im Rahmen der Literaturrecherche analysiert und aufgearbeitet. Das Ziel der Arbeit definiert sich aus der numerischen Strömungssimulation des Heißgasprüfstandes, der Untersuchung des Wärmeeinflusses auf die Strömungsverhältnisse und der Auswertung der Gassensorpositionen im Prüfstand. Dazu wird zunächst ein CAD-Modell des Heißgasprüfstands erzeugt, dessen Geometrie, neben einer konventionellen Vermessung mit Handmessmitteln, durch einen 3D Laserscanner erfasst wurde. Anschließend wird die Geometrie vernetzt und letztendlich als Simulationsmodell mit den erforderlichen Anfangs- und Randbedingungen aufgebaut. Neben einer räumlichen Diskretisierung des Rechengebiets erfolgt auch eine zeitliche Diskretisierung. Somit handelt es sich um eine transiente Simulation, die mit der Software Ansys® CFX durchgeführt wird. Die anschließende Auswertung umfasst die Analyse und Anpassung des Simulationsmodells an die im Raum gemessene Strömung sowie die Bestätigung der korrekten Positionierung der Gassensoren. Zudem wird bei der Untersuchung des Einflusses der Wärmeübertragung auf die Strömung festgestellt, dass die vorhandenen Strömungsverhältnisse weder durch Wärmestrahlung noch durch Konvektion beeinflusst werden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation von Strömungen und Wärmeübertragungsvorgängen in einem Motorprüfstand. Erstmals werden dabei umfassende, transiente Simulationen mit manuell vorgegebener Zeitschrittgröße durchgeführt. Ausgehend von den erläuterten Grundlagen der Fluiddynamik, sowie der numerischen Strömungssimulation, wird ein Simulationsmodell abgeleitet. Die durchgeführte Validierung durch Strömungsmessungen im Prüfstand zeigt Ansatzpunkte zur Verbesserung des Modells. Diese werden im Rahmen der Modelloptimierung umgesetzt. Die Simulation der Wärmeübertragungsvorgänge, unter Berücksichtigung der Wärmestrahlung, zeigt keinen Einfluss des erhitzten Motors auf die Raumströmung. Das optimierte Modell wird unter anderem zum Ermitteln der optimalen Position der Gassensoren im Prüfstand genutzt. Der abschließende Leitfaden beschreibt eine Methodik zum effizienten Aufbau von Simulationsmodellen großer Räume. Das erstellte Simulationsmodell und die beschriebene Methodik bieten die Möglichkeit in der Zukunft ein detailliertes Modell eines Motors zu implementieren. Dies ermöglicht eine genauere Betrachtung der Wärmeübertragungsvorgänge.

Während der Bremsung mit einem Scheibenbremssystem kommt es zur Entwicklung tribologischer Mechanismen. Neben der Umwandlung von kinetischer in Wärmeenergie werden beim Bremsen aus Scheibe und Belag Verschleißpartikel herausgelöst, die dem Größenbereich des Feinstaubs zuzuordnen sind. Feinstäube stehen aufgrund deren chemischen- und physikalischen Eigenschaften im Verdacht, den menschlichen Organismus zu belasten. Neben Aspekten der gesundheitlichen Relevanz, rückt das Themengebiet der partikelförmigen Bremsenemissionen infolge der kontinuierlichen Reduktion motorischer Feinstaubemission zunehmend in den Fokus wissenschaftlicher und gesetzlicher Betrachtungen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen Aerosolmodifikationsmechanismen anhand einfacher Geometrien mittels empirischer Berechnungen, dem PLC und ANSYS Fluent untersucht und vergleichend gegenübergestellt werden. Dazu wird eine Literaturrecherche zu Partikeldepositionsvorgängen und zu den strömungstechnischen Grundlagen durchgeführt. Auf Basis der generierten Ergebnisse wird ein vorentwickeltes Probenahmesystem optimiert und die Optimierungen hinsichtlich Transporteffizienz und Anwendbarkeit für verschiedene Fahrzeugklassen untersucht. Das Ziel der Arbeit besteht darin, einen Anforderungskatalog für simulative und konstruktive Optimierungen vorzugeben. Die Arbeit umfasst neben Untersuchungen des Probenahmesystems auch die Analyse einer standardisierten Probenahmesonde, sowie die Darstellung erster Optimierungsansätze der CFD-Simulation. Dazu werden die Grundlagen für die Berechnung einer UDF in ANSYS Fluent aufgezeigt und erste Berechnungsergebnisse dargestellt. Für die Verwendbarkeit eines Probenahmesystems für alle Fahrzeugklassen wird nach der Bewertung der Simulationsergebnisse ein entsprechender Anforderungskatalog aufgestellt.

In den letzten Jahren rückte das Thema Feinstaubbelastung immer stärker in den Fokus des öffentlichen Interesses. Während für Abgasemissionen der Kraftfahrzeuge bereits seit vielen Jahren Partikelgrenzwerte existieren und stufenweise verschärft wurden, bestehen für Emissionen von Brems- und Reifenpartikeln bisher keinerlei Reglementierungen. Da diesbezügliche Auflagen durch den Gesetzgeber in naher Zukunft absehbar sind, werden reproduzierbare Messverfahren notwendig. In Verbindung mit dem Corner-Modul-Prüfstand besteht am Vier-Rollen-Prüfstand der TU Ilmenau die Möglichkeit zur Durchführung diverser Emissionsmessungen an Reifen und Bremsen. Ziel dieser Arbeit ist es, den Prüfstand zu befähigen, derartige Messungen auf Basis definierter Fahrzyklen, wie z.B. dem WLTP, zu absolvieren. Hierzu wird in MATLAB-Simulink ein vorhandenes Modell zur Bremsdruckregelung so adaptiert, dass konstante Verzögerungen oder Bremsdrücke möglich sind. Des Weiteren werden zwei relevante Fahrzyklen (WLTP, AK-Master) in der Prüfstandssoftware PUMA-Open implementiert und deren Funktionstüchtigkeit durch Testläufe bestätigt.