Books in the Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart series

Unerwünschte Aufbauschwingungen im Kontext der Erprobung von Getrieben für elektrische Fahrzeugantriebe können zu Messfehlern bei der Drehzahl- und Drehmomenterfassung sowie erhöhtem Verschleiß und vorzeitigem Versagen der untersuchten Prototypen oder des Prüfstands führen. Alfons Wagner betrachtet die Herausforderungen der Erprobung von Getrieben elektrischer Hochleistungsantriebe auf Antriebsstrangprüfständen detailliert und entwickelt einen methodischen Lösungsansatz zur Schwingungsbeherrschung. Dieser setzt sich aus drei Bausteinen zusammen: System Design, System Installation und System Modellierung.

André Ebel wertet Flottendaten eines batterieelektrischen Fahrzeuges hinsichtlich Fehlerbedingungen aus und generiert daraus unter Verwendung einer Gesamtfahrzeugsimulationsumgebung repräsentative Prüfzyklen zur zeitlichen Rekonstruktion der Fehlerbedingungen. Anhand der Flottendatenauswertung mit Methoden des Maschinellen Lernens identifiziert der Autor das schädigende Nutzungsverhalten fehlerhafter Fahrzeuge. Zur Generierung von kundennahen Prüfzyklen setzt er das tiefe Q-Lernen ein, ein Verfahren des bestärkenden Lernens. Die Kombination der Flottendatenauswertung mit der Prüfzyklengenerierung trägt zur zielgerichteten und realitätsnahen Erprobung von Antriebssträngen bei.

In zwei Probandenstudien hat Christoph Johannes Heimsath eine signifikante Verbesserung des Komforts für Kfz-Passagiere durch den gezielten Einsatz von asymmetrischen Trajektorien nachgewiesen. Er kann zeigen, dass sich Kurven negativ auf die Komforthomogenität innerhalb eines Spurwechsels auswirken. Dieser Effekt kann gezielt durch die Wahl einer asymmetrischen Trajektorie kompensiert und damit der Gesamtkomfort verbessert werden. Dies ermöglicht eine Akzeptanzverbesserung für die Assistenzsysteme künftiger Serienfahrzeuge. Die entwickelte Methode ist ein wesentlicher Baustein für die weitere Objektivierung von hochautomatisierten Fahrfunktionen.

Andreas Heinz führt im Fahrzeugumfeld erstmalig ein Verfahren ein, um ein Messvorhaben mittels ereignisorientierter Datenübertragung zu konzipieren und dessen Durchführbarkeit abzuschätzen. Darüber hinaus zeigt er, wie Messungen effizienter gestaltet bzw. qualitativ hinsichtlich Auflösung und Zeitverhalten optimiert werden können. Dabei werden gegebene Sicherheitsanforderungen und normative Vorgaben stets eingehalten und eine Buslastberechnung für den CAN eingeführt, die zusätzliche Buslasten für Messzwecke berücksichtigen kann. Dies ermöglicht dem Autor, im Vorfeld der Messung eine Aussage treffen zu können, ob diese Messaufgabe für einen sicheren Einsatz im realen Fahrbetrieb realisierbar ist oder nicht.

Der Stuttgarter Fahrzeugdynamikprüfstand ermöglicht die ganzheitliche Untersuchung der Fahrzeugdynamik unter Laborbedingungen. Daniel Zeitvogel stellt ein Konzept vor, mit dem das querdynamische Fahrzeugverhalten auf diesem Prüfstand analog zu Straßenmessungen evaluiert werden kann. Hierfür entwickelt er Methoden, mit denen prüfstandsspezifische Einflussfaktoren, die zu Abweichungen zwischen dem Fahrzeugverhalten auf der Straße und dem auf dem Prüfstand gemessenen Fahrzeugverhalten führen können, kompensiert werden. Die Validierung der vorgestellten Methoden erfolgt durch einen Vergleich zwischen realen Straßenmessungen und Prüfstandsmessungen.

Kordian Adam Komarek stellt einen neuen grundlegenden Ansatz vor, die Qualität von diagnostischen Messdaten in verteilten Systemen signifikant zu erhöhen. Kern dieses Verfahrens ist eine neue Methode, strukturelle und inhaltlichen Ähnlichkeiten von heterogenen Fahrzeugdiagnosedaten (ODX) inkrementell zu clustern (XCXS ¿ XML document clustering with XEdge and weighted structure and content similarity). Am Beispiel eines prototypischen Remote-Diagnosesystems, mit dem Fokus auf die Fahrzeugentwicklung, werden diagnostische Fehler erstmalig identifizierbar gemacht.

Die Nutzung der Driver-in-the-Loop-Simulation zur virtuellen Entwicklung und Erprobung erfordert ein Software-Framework. Dieses muss zum einen die Erzielung repräsentativer Ergebnisse erlauben und zum anderen die Integration sowohl von Konzeptideen als auch prototypischer oder bestehender Systeme zulassen. Martin Kehrer weist für das Framework eine Simulationsgüte nach, die eine ausreichende Immersion des Fahrers erzielt. Maßgeblich hierfür ist die sogenannte Simulator Sickness, welche ein Index für eine mangelnde Immersion ist. Daneben bedingt die Erprobung neuer Fahrzeugsysteme die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Umgebungsdaten.

Antriebsstrangprüfstände leisten einen signifikanten Beitrag im Fahrzeugentwicklungsprozess. Um diesen Vorteil weiter auszubauen, ist es notwendig, mit geeigneten Maßnahmen die Effektivität und Effizienz stetig zu steigern. Eine Maßnahme ist hierbei, die Abhängigkeit des Faktors Mensch bei Auftreten eines Fehlers am Prüfstand zu reduzieren. Um diesem Ziel einen großen Schritt näher zu kommen, wurde vorliegend eine KI-basierte Methodik entwickelt, mit deren Hilfe es möglich ist, die fehlerverursachende Komponente und den zugehörigen Fehlerzeitpunkt trotz der Wechselwirkung aufgrund der mechanischen Kopplung des Systems zu detektieren.

Kangyi Yang untersucht detailliert die Wechselwirkungen der einzelnen Subsysteme bei der Integration eines auf Rankine-Prozess basierenden Abgaswärmenutzungssystems mit dem Dieselmotor eines Nutzfahrzeugs mit Hilfe von 0D/1D-Simulation. Dabei werden die Modellierungsansätze und -methoden der einzelnen Subsysteme sowie des Integrationssystems vorgestellt. Mit einer modellbasierten Optimierung werden die Stellgrößenkennfelder der Motorsteuerung für das Integrationssystem angepasst. Durch Einsatz des optimierten Integrationssystems ist es möglich, der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen gleichzeitig zu reduzieren.

Ralf Thomas Lutchen stellt eine neue Methode zur Erstellung von automatisierten Testabläufen in der Fahrzeugentwicklung auf. Dabei setzt der Autor Cloud- und KI-Modelle ein, durch welche die herausfordernde Optimierung der Durchlaufzeit einer Messaufgabe mit 63 % Reduzierung erreicht werden konnte. Zusätzlich zu dieser Optimierung zeigt er auf, wie gleichzeitig die Aktualität der Messaufgabe verbessert wird, bei ebenfalls steigender Vollständigkeit, indem die Komplexität in die Cloud und damit an die KI übertragen wird. Der dafür notwendige Prozess ist die vollständige Identifizierung der Steuergeräte, ihrer Softwarestände sowie aller Datennetze, die am Testequipment angeschlossen sind. Diese Technologie wird erstmals in dieser Studie hergeleitet und ist der Kern der Methode. Die sich daraus ergebenden ökonomischen und ökologischen Vorteile sind im Verhältnis zu den sich zeigenden Kosten und Energiebedarfen signifikant.

Sergei Hahn erarbeitet eine Vorgehensweise, mit der modellbasierte Betriebsstrategien für PEM-Brennstoffzellensysteme entwickelt werden können. Die Betriebsstrategie beeinflusst dabei einerseits die Leistungsaufteilung zwischen Batterie und Brennstoffzellensystem und andererseits die Betriebsbedingungen innerhalb des Brennstoffzellensystems. Durch den Einsatz modellbasierter Verfahren ist es möglich, sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems im Betrieb zu optimieren.

Marco Scheffmann stellt einen neuartigen multikriteriellen Lösungsalgorithmus für die Erzeugung optimaler Datensätze von Fahrzeugsteuergeräten vor. Im Gegensatz zu verbreiteten, zumeist evolutionären Ansätzen wendet der Autor hier einen Ansatz des bestärkenden Lernens an. Infolge der eigenständigen Entwicklung zielgerichteter Handlungsstrategien kann damit auf sonst häufig eingesetzte vorangestellte Methoden der statistischen Versuchsplanung und der Metamodellbildung verzichtet werden. Zur subjektiven Betrachtung von optimierten Datensätzen dient ihm die echtzeitfähige Verkopplung der vollbeweglichen Fahrsimulation mit virtualisierten Steuergeräten. Seine abschließende Probandenstudie bestätigt die Ergebnisse des vorgestellten methodischen Ansatzes.

Zur Steigerung der Genauigkeit und Prognosegüte der Motorprozessrechnung entwickelt Sven Fasse den aktuellen Stand der Modellierung von Ventildurchfluss und Brennraumturbulenz. Er zeigt gestützt auf 3D-Strömungssimulationen und Prüfstandsmessungen auf, in welchen Betriebsfällen Effekte auf den Ventildurchfluss über den Stand der Technik hinaus in der Modellierung zu berücksichtigen sind und auf welche Weise dies erfolgen kann. Für die prädiktive Verbrennungsmodellierung stellt der Autor ein Ladungsbewegungs- und Turbulenzmodell vor, das auch Kombinationen von Drall- und Tumbleströmungen mit ihrem Einfluss auf die Brennraumturbulenz in der Motorprozessrechnung abbilden kann.

Jonas Villforth befasst sich mit den Auswirkungen von synthetischen Kraftstoffen auf die ottomotorische Verbrennung und die Schadstoffemissionen. Hierzu wird ein Methodengerüst vorgestellt, welches eine gesamtheitliche Bewertung der wesentlichen Mechanismen betrachtet. Dies umfasst die Gemischbildung, Verbrennung, Emissionsentstehung sowie die Nachoxidation im Abgastrakt. Die Methoden erlauben die spezifische Optimierung und Identifikation von Potenzialen durch die Kraftstoffzusammensetzungen und den resultierenden Eigenschaften im Hinblick auf erneuerbare synthetische Kraftstoffe.

Jan Maximilian Klingenstein untersucht das Potenzial des partiell teilhomogen betriebenen Dieselmotors im elektrifizierten Antriebsstrang. Das dazu erzeugte Vorwärtsmodell beinhaltet neben der klassischen Längsdynamikmodellierung, dem Fahrzyklus und Fahrerregler eine modifizierte Betriebsstrategie, die sich in zwei Unterstrategien differenziert. Der elektrisch beheizte Katalysator, welcher zur Reduktion der im teilhomogenen Betrieb vermehrt entstehenden CO- und HC-Emissionen benötigt wird, findet aufgrund seines elektrischen Verbrauchs ebenfalls simulativ Berücksichtigung. Um den elektrischen Verbrauch abschätzen zu können, wird ein empirisches Temperaturmodell vorgestellt, welches anhand der Motordrehzahl und dem erzeugten Moment die Abgastemperatur vorhersagen kann. Zusätzlich wird das erzeugte Simulationsmodell mittels mehrerer Prüfstandsmessungen validiert.

Daniel Mayer stellt eine durchgängige 1D/3D-Simulationsmethodik vor, in welcher die genaue Temperaturverteilung am Kolben zunächst über ein 0D/1D-Motormodell vorausberechnet und anschließend als Randbedingung in einem transienten Wandtemperaturmodell implementiert wird, um in 3D-CFD-Simulationen die lokalen instationären Wandtemperaturschwingungen während der Verbrennung abbilden zu können. Im Zuge der Validierung mittels Oberflächentemperaturmessungen in Kombination mit einer entwickelten analytischen Rußschicht- bzw. Material-Korrektur zeigt der Autor, dass der neue Workflow sowie die gewählte Wärmeübergangsmodellierung grundsätzlich zufriedenstellende Ergebnisse liefern und für die zukünftige simulationsgestützte Brennverfahrensentwicklung eingesetzt werden können.

Der Schwerpunkt der Studie von Maria Denise Branciforti liegt in der experimentellen Untersuchung der Kolbenbolzenbewegung eines Verbrennungsmotors. Durch eine umfangreiche Messtechnikausstattung erfasst sie das Bewegungs- und Drehverhalten des Kolbenbolzens durch Wirbelstrom-Wegsensoren. Simultan bestimmt die Autorin den Ölfüllungsgrad im Spalt zwischen Kolbenbolzen und Kolbennabe durch ein kombiniertes Messverfahren aus Wirbelstrom- und kapazitiven Wegsensoren. Anhand der Ergebnisauswertung gewinnt sie wichtige Rückschlüsse auf das Bewegungsverhalten des Kolbenbolzens in Bezug zur Motorlast und -drehzahl.

Matthias Hisung stellt ein neuartiges Assistenzsystem zur automatisierten Fahrzeugpositionierung fur das induktive Laden (APIC) vor. Daruber hinaus wird eine neue Methode zur Detektion von magnetischen Storungen (MDMS) durch elektrische Fahrzeugkomponenten auf Basis einer Mustererkennung eingefuhrt. Das Assistenzsystem lasst sich hierbei auf unterschiedliche Fahrzeugtypen anwenden und ubernimmt fur die fahrende Person die Aufgabe der Positionierung, um eine Komfortsteigerung zu erzielen. Durch die neuartige Methode wird eine deutliche Verbesserung der Positionsermittlung und damit einhergehend eine Erhohung des Positionierungsradius fur das induktive Laden ermoglicht.

Um Frontloading bei einer Fahrbarkeitsapplikation von Fahrzeugantrieben zu unterstutzen, werden Zielwerte benotigt, die das subjektive Empfinden der Insassen beschreiben. Am Beispiel von Volllastbeschleunigungen stellt Marco Schluter eine Methode vor, die es ermoglicht, das Insassenempfinden zu prognostizieren. Auf Grundlage von Messungen an realen Fahrzeugen definiert der Autor einen Untersuchungsraum. Im Stuttgarter Fahrsimulator macht er Varianten von Beschleunigungsmanovern erlebbar, die in einer Probandenstudie bewertet werden. Hieraus leitet er eine Metrik zur Objektivierung des Empfindens ab. Abschlieend validiert Schluter diese Metrik in realen Versuchsfahrten.