Studentische Abschlussarbeiten

Die aktuelle Entwicklungslandschaft steht vor neuen Herausforderungen. Immer größer werden die Anforderungen an ein Produkt. Vor allem im Bereich der Fahrzeugtechnik sind diese Veränderungen deutlich zu spüren. Hauptverantwortlich sind der steigende Individualisierungswunsch des Kunden, strengere Umweltschutzrechtlinien und ein höherer Zeit- und Kostendruck. Alte Ansätze stoßen so zwangsläufig an ihre Grenzen. Es bedarf daher neuer Ideen. Am Fachgebiet Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Ilmenau werden Methoden zur Neugestaltung des Entwicklungsprozesses erforscht. Im Fokus steht dabei das X-In-The-Loop Projekt. Es vereint mehrere In-The-Loop Ansätze, die jeweils ein Teilgebiet des Prozesses verbessern. Ziel ist es, eine vernetzte Testumgebung zu generieren. Diese soll jeden Entwicklungsschritt mit einer Simulations- und Testsoftware verknüpfen. So können geplante Neuerungen in Sekundenschnelle auf ihre Einflüsse untersucht werden. Der Entwicklungsprozess kann so deutlich schneller und vielseitiger ausgeführt werden und ist somit den steigenden Anforderungen gewachsen. Ein Teilgebiet dieses Projektes ist die Vernetzung zweier Prüfstände. Ein Bremsen- und Vier-Rollen-Leistungsprüfstand sollen mit einer Simulationssoftware verknüpft werden. Zu diesem Anlass ist der Bau eines Modells dieser Anordnung gewünscht. Ein Modell ermöglicht eine anschauliche Präsentation des vorliegenden Sachverhalts. Erster Ausstellungstermin wird die Mobilitäts- und Automobilmesse FISITA in Südkorea sein. Ziel dieser Arbeit ist die Skalierung eines Vier-Rollen-Leistungsprüfstands zur Emulation eines realitätsnahen Prüffelds. Als Vorbild dient ein im Fachgebiet Fahrzeugtechnik errichteter Leistungsprüfstand. Dieser wird in geeignetem Maßstab konstruktiv umgesetzt. Das Modell soll in Zukunft in der Lage sein, aussagekräftige Prüfstandversuche durchführen zu können.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Bachelorarbeit steht die Übertragung realer Fahrzeugfahrten auf eine 4-Stempel-Anlage zur anschließenden Bewertung von Schwingungsdämpfer und Chassiselementen. Dieser Übertragung geht die Einarbeitung in die Systemstruktur des Prüfstandes und dem damit gekoppelten Prozess zur iterativen Annäherung bestimmter Parameter voraus. Um eine reale Straßenfahrt nachbilden zu können, bedarf es zunächst der Auswahl eines repräsentativen Fahrzeuges, der Festlegung geeigneter Streckenprofile mit entsprechenden Fahrgeschwindigkeiten und der Durchführung von Messfahrten. Der Ausstattung mit Dämpferweg- und Beschleunigungssensoren und dazugehöriger Messtechnik folgt im Rahmen der Messfahrten die Identifikation und Erarbeitung der relevanten Parameter für die Übertragung auf die 4-Stempel-Anlage. Als Hauptparameter und Eingangsgröße zur iterativen Annäherung werden die Dämpferwege festgelegt. Im ersten Teil der Arbeit erfolgt die iterative Annäherung der Dämpferwege von insgesamt fünf ausgewählten Streckenprofilen, um ein breites Spektrum von Fahrbahnunebenheiten abzudecken. Im Zuge des Übertragungsprozesses der einzelnen Streckenprofile werden die aufgezeichneten Dämpferwege mit festgelegten Randbedingungen in fünfzehn Schritten iterativ angenähert. Laut Iterationsprogramm der 4-Stempel-Anlage werden dabei Übereinstimmungen der Dämpferwege von minimal 95,1% erzielt. Bei Betrachtung der aufgenommenen Beschleunigungen am Aufbau ergeben die Vergleiche zur realen Messfahrt jedoch oft markante Unterschiede. Der zweite Teil dieser Bachelorarbeit beinhaltet eine Lösungsmethode zur Reduzierung dieser Beschleunigungsunterschiede mit entsprechender Auswertung für ein gewähltes Streckenprofil. Dabei werden sowohl die Radaufstandsteller der Stempel mechanisch modifiziert als auch Parameteränderungen im Iterationsprogramm vorgenommen. Dies bewirkt, dass ein Großteil der Beschleunigungen nach bestimmten Modifikationen, verglichen mit denen der bisherigen Übertragung ohne Modifikationen, deutlich geringere Abweichungen zu der realen Messfahrt aufweisen. Auf Basis der erarbeiteten Methode kristallisiert sich eine mechanische Modifikation heraus, welche die Güte der Übertragung realer Fahrzeugfahrten auf die 4-Stempel-Anlage zur Bewertung von Schwingungsdämpfer und Chassiselementen wesentlich verbessert und somit einen fortschrittlichen Aspekt für künftige Simulationen realer Fahrzeugfahrten generiert.

Rotoren, wie sie zum Beispiel bei Abgasturboladern in Kraftfahrzeugen vorkommen, üben im Betrieb dynamische Kräfte auf ihre Welle und die Lagerung aus. In Abhängigkeit der Steifigkeit des Rotors und der Lagerungen führen diese Kräfte zu Verformungen, die zudem von der Drehzahl, der Dämpfung, der Geometrie und dem Antriebsmoment abhängen. Die Rotoren zeigen dabei für bestimmte Drehzahlen eine Resonanz mit einer zugehörigen, charakteristischen Verformung entsprechend den Eigenformen auf. Die Resonanzfrequenzen ändern sich mit der Drehzahl des Rotors. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit dem Mehrkörpersimulationsprogramm ALASKA ein Modell für einen elastischen Rotor mit starren Lagern und einer mittigen Scheibe, einem sogenannten Laval-Rotor aufgebaut und simuliert. Zur Anregung der Eigenformen wurde am Rotor eine statische Unwucht angebracht. Die Drehbewegung wurde durch ein Moment am Wellenende des Rotors erzeugt. Die Simulation wurde bis zum Vorliegen einer stationären Drehzahl und einem periodischen Schwingungsverhalten durchgeführt. Mit Hilfe einer Fourier-Analyse wurden dann die angeregten Schwingungen analysiert und die Resonanzfrequenz von der Anregungsfrequenz unterschieden. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Drehzahl konnte nachgewiesen werden.

Abgasturbolader spielen eine große Rolle bei der Reduktion des Treibstoffverbrauchs und den Emissionen moderner Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen. Um die immer strenger werdenden Abgasnormen erfüllen zu können, muss über einen weiten Betriebsbereich des Turboladers eine ausreichend hohe Wellenleistung zum Antrieb des Verdichters sichergestellt werden. Aus diesem Grund wird der Turbine ein verstellbarer Leitapparat vorgeschaltet, um abhängig von der zur Verfügung stehenden Abgasmenge die optimale Turbinenleistung generieren zu können. Um einen schnellen Ladedruckaufbau zu realisieren, muss die Turbinen auch im Teillastbetrieb des Motors, also bei geringen Durchsätzen, die optimale Wellenleistung zur Verfügung stellen. Höchste Wirkungsgrade und ein angepasstes Durchsatzverhalten sind dazu notwendig. Die wesentliche Zielsetzung dieser Arbeit ist die Untersuchung des Wirkungsgradoptimums der Turbine in Abhängigkeit von der Schnelllaufzahl u⁄c_0 für verschiedene Stellungen des Vorleitapparates und damit unterschiedlichem Durchsatzverhalten. Dazu werden umfangreiche Versuchsreihen zur Kennfeldaufnahme über der Schnelllaufzahl u⁄c_0 an den hauseigenen Heißgasprüfständen der TU Ilmenau durchgeführt und ausgewertet. Anschließend werden diese mit den theoretischen Vorüberlegungen zum Durchsatz- und Wirkungsgradverhalten abgeglichen und entsprechende Folgerungen aus den Ergebnissen gezogen. Zusätzlich wird die Wiederholpräzision der Verstellung der Leitschaufeln der Turbine bei verschiedenen, ausgewählten Betriebspunkte der Turbine und des Verdichters im stationären Selbstlauf untersucht. Dies umfasst auch die Überprüfung möglicher Ursachen.

Bei der Auslegung von Fahrzeugkomponenten und Maschinenelementen im Allgemeinen spielt die Reibung oft eine wichtige Rolle. Das genaue Verständnis der komplexen Vorgänge, die sich zwischen den Kontaktpartnern abspielen, kann letztlich zur Vorhersage der Reibung durch Simulationsprogramme eingesetzt werden. Hierdurch wird es möglich Material- und Energieverluste, die durch Reibung und Verschleiß hervorgerufen werden, zu minimieren. Auch der Komfort wird durch die Reibung beeinflusst, sodass gerade in der Automobilindustrie, beispielsweise bei der Entwicklung von Schwingungsdämpfern, großes Interesse darin besteht, sie vorhersagen und schließlich kompensieren zu können. Die für die Simulation komplexerer Reibphänomene eingesetzten mathematischen oder physikalischen Modelle sind nach heutigem Stand nicht im Funktionsumfang der üblichen Simulationsprogramme enthalten. Stattdessen existieren Programm-Schnittstellen, über die Berechnungs- und Ablaufvorschriften an das FEM-Programm übergeben werden können. In dieser Arbeit wird eine solche Schnittstelle genutzt, um das dynamische LuGre-Reibmodell in den Simulationsablauf zu implementieren. Dabei wird auf die Eigenschaften und Besonderheiten der Schnittstelle eingegangen. Die Umsetzung erfolgt an einem Modell mit einfachen Geometrien. Weiterhin wird die Grundlage für die Anwendung von benutzerdefinierten Elementen zur Integration eines physikbasierten Reibmodells gelegt. Neben der Darstellung der mathematischen Grundlagen für die elastohydrodynamische Theorie (EHL), wird auf die Vernetzung und Definition von User-Elementen eingegangen.