Lehrstuhl Kraftfahrwesen

Projektlaufzeit 1 Jahr.

Ansprechpartner

Lehrstuhl Kraftfahrwesen

Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner/

Herr Prof. Dr.-Ing. J. Wiedemann

Dipl.-Ing. Nils Widdecke

nils.widdecke@ivk.uni-stuttgart.de 

Analyse der Einflussfaktoren auf die Abweichungen des Luftwiderstands zwischen CFD und Fahrversuch

Die Rentabilität, die Wirtschaftlichkeit und umweltbezogene Aspekte stehen bei Nutzfahrzeugen von jeher im Vordergrund. Dieser Fokus verlangt es alle Möglichkeiten zur Minimierung des Kraftstoffverbrauches auszuschöpfen. Die Aerodynamik des Nutzfahrzeugs spielt insbesondere eine wichtige Rolle im Überland- und Fernverkehr, wo höhere Geschwindigkeiten gefahren werden und wird in der aktuellen Fassung der CO2-Reglierung anhand von Fahrversuchen ermittelt. Um den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emission vergleichbar erfassen zu können, wurde von der ACEA-Arbeitsgruppe eine Prozedur zur Bewertung des Luftwiderstandsbeiwertes von schweren Nutzfahrzeugen, das Constant Speed Test (CST) Verfahren, entwickelt. Dies stellt aufgrund der technischen Komplexität der zu Grunde liegenden Versuchsprozedur und der Vielfalt an Fahrzeugkonfigurationen eine ressourcenintensive Herausforderung dar. Vor diesem Hintergrund und mit der Unterstützung europäischer Initiativen, wie die des europäischen Verbands der Anhänger- und Aufbautenindustrie (CLCCR), fördern die Zugmaschinen- und Anhängerhersteller die alternative Anwendung von numerischen Simulationen zur Ermittlung des Luftwiderstandsbeiwertes. Dies ist allerdings nur unter der Annahme, dass die Abweichungen bei der Bestimmung des Luftwiderstandsbeiwertes zwischen Fahrversuch und Simulation geringstmöglich ist, realisierbar. In diesem Zusammenhang werden im Auftrag des Unterarbeitskreises 9 (Aerodynamik des Nutzfahrzeugs) der Forschungsvereinigung Automobiltechnik die Abweichungen numerischer Methoden im Vergleich zum Fahrversuch untersucht sowie Methoden entwickelt, die die Vorhersagegenauigkeit der numerischen Methoden zur Bestimmung des Luftwiderstandsbeiwertes verbessern sollen. Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt darin, numerische Methoden zur Abbildung der im Fahrversuch herrschenden Anströmbedingungen zu untersuchen und analysieren. Hierbei sollen die im Projekt untersuchten Einflussfaktoren eine aussagekräftige Bewertung deartiger Methoden und deren Prognosegüte ermöglichen sowie Vorschläge zur Anwendbarkeit und Implementierung in der Fahrzeugentwicklung von Zugmaschinen- und Aufliegerhersteller liefern.

Kernziele des Vorhabens sind

Die Modellierung der realitätsnahen Anströmsituation des Fahrversuchs in der numerischen Strömungssimulation. Modellierung der Raddrehung zur Bestimmung des Ventilationswiderstands.

Projektförderung Fördermittelgeber Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT).

Projektlaufzeit: 3 Jahre

Projektpartner: Dr.-Ing. h. c. F. Porsche AG.

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Lehrstuhl Kraftfahrwesen

Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner/

Prof. Dr.-Ing. J. Wiedemann

Dipl.-Ing. Nils Widdecke

nils.widdecke@ivk.uni-stuttgart.de 

Überschrift Reduzierung des CO2 Ausstoßes durch aktive Strömungsbeeinflussung am Fahrzeugdiffusor

Der CO2 Ausstoß eines Fahrzeugs bzw. dessen Reichweite wird von den wirkenden Fahrwiderständen bestimmt. Die Luftwiderstandskraft steigt dabei quadratisch mit der Fahrgeschwindigkeit an und ist ab einer Fahrgeschwindigkeit von ungefähr 70 km/h die größte der wirkenden Kräfte. Ebenso ist die Luftwiderstandskraft proportional zu dem Produkt aus dem Widerstandskoeffizienten cw und der Stirnfläche Ax. Insbesondere SUVs und Geländewagen zeichnen sich durch eine Kombination aus großem cw und Ax aus. Zusätzlich unterliegen diese Fahrzeuge geometrischen Anforderungen, die u. a. Mindestmaße für den Bodenabstand und die Böschungswinkel vorgeben. Dies schränkt den Freiraum der aerodynamischen Optimierung der Grundform deutlich ein. Der Zusammenhang zwischen Geometrie und Strömungszustand lässt sich durch die aktive Strömungsbeeinflussung aufbrechen. Dafür wird der Strömung ein Impuls zugeführt. Durch den konvektiven Transport der Störung und deren Anwachsen kann eine Änderung des natürlichen Strömungszustands herbeigeführt werden. Das IVK arbeitet seit über 10 Jahren im Bereich der aktiven Strömungsbeeinflussung. So wurde z. B. eine quasi zweidimensionale Umströmung eines stumpfen Körpers mit einem Synthetischen Jets beeinflusst. Dessen Auslass wurde nahe der Hinterkante des Körpers platziert. Ein Synthetischer Jet wird durch eine schwingende Membran gebildet, die ein zyklisches Ein- und Ausströmen am Auslass erzeugt. Die Betriebsfrequenz und Amplitude steuert den zeitlichen Verlauf des zugeführten Impulses. Angewendet nahe der Abrisskante, kann die Scherschicht angeregt und der Luftwiderstand gesenkt werden. An einem detaillierten Fahrzeugmodell ist bisher keine wirksame Anwendung erfolgt. In dem vom Wirtschaftsministerium geförderten Forschungsvorhaben soll erstmals eine wirksame Strömungsbeeinflussung an einem detaillierten SUV Modell angewendet werden. Das Ziel ist die Senkung des Luftwiderstands und somit des CO2 Ausstoßes. Bedingt durch den erhöhten Bodenabstand und den großen hinteren Böschungswinkel, ist die Beeinflussung der unteren Scherschicht vielversprechend. Eine wirksame Anwendung hängt dabei maßgeblich von der detaillierten Kenntnis der unbeeinflussten Umströmung ab. Das Projekt wird durch die Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG unterstützt. Kernziele des Vorhabens sind Untersuchung des Effekts einer hochfrequenten Anregung der Scherschicht; Untersuchung der Korrelation zwischen der Diffusorgeometrie und Scherschichtanregung; Energetische Bilanzierung der Strömungsbeeinflussung eines realistischen Fahrzeugs.

Projektförderung Fördermittelgeber Wirtschaftsministerium

Projektlaufzeit: 36 Monate

Projektpartner: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Göttingen

Ansprechpartner

Lehrstuhl Kraftfahrwesen Leitung:

Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner/

Prof. Dr.-Ing. J. Wiedemann

Dr.-Ing. Felix Wittmeier

Telefon +49 711 685-69464

Auswirkungen von instationären Anströmeffekten auf die Fahrzeugaerodynamik

Die Aerodynamik eines Fahrzeugs wird nach aktuellem Stand der Technik im Serienentwicklungsprozess unter stationären Anströmbedingungen mit möglichst geringer Turbulenz optimiert. Dies simuliert unter Zuhilfenahme der Bodensimulation und Raddrehung das Fahren durch ruhende Luft. Dabei wird der Einfluss von Umwelt- und Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel böiger Seitenwind oder andere Verkehrsteilnehmer nicht beachtet. Zwar wird bereits heute mit Hilfe von Winkelreihen der Einfluss einer Seitenwindkomponente auf das Fahrzeug untersucht, jedoch stellt diesen nur den stationären Fall eines konstanten Seitenwinds dar. Allerdings ist zu beachten, dass die Anströmsituation neben den instationären Einflüssen des natürlichen Windes auch anderen Einwirkungen unterliegt, die beispielsweise durch andere Verkehrsteilnehmer hervorgerufen werden. Dadurch werden die Anströmgeschwindigkeiten und -winkel auf der Straße kontinuierlich beeinflusst. Folglich ist die Anströmsituation eine zeitlich veränderliche Größe. Veranschaulicht werden kann dies durch das Fahren im Nachlaufgebiet vorherfahrender Fahrzeuge oder die Interaktion mit einem überholenden oder entgegenkommenden Fahrzeug. Versuche haben gezeigt, dass die real auf der Straße auftretenden Anströmbedingungen mit der beschriebenen Vorgehensweise im Windkanal bisher nicht ideal abgebildet werden können. Eine Ursache dafür ist die stationäre Betrachtung, bei der nur sehr geringe Turbulenzen in der Anströmung vorliegen. Um den Luftwiderstand auch bei realistischer Straßenfahrt zu optimieren, werden neue Ansätze und Methoden benötigt anhand derer der Einfluss der instationären Anströmung auf das Fahrzeug erfasst und analysiert werden kann. Dies ist Inhalt des hier vorgestellten, vom Arbeitskreis 6 (Aerodynamik) der Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT) geförderten, Projekts. Die Entwicklung und Bewertung einer Methode zur Bestimmung der realen aerodynamischen Beiwerte unter Berücksichtigung der Implementierung in den Fahrzeugentwicklungsprozess ist das Hauptziel dieses Forschungsprojekts. Mit einer solchen Methode sollen die real durch die Aerodynamik verursachten CO2-Emissionen ermittelt und gezielt weiter reduziert werden können.

Im Arbeitskreis 6 der FAT sind Vertreter aller deutschen Automobilhersteller vertreten, so dass die Ergebnisse direkt in die Entwicklung neuer Fahrzeuge einfließen können

Kernziele des Vorhabens sind

Bestimmung der realen Anströmbedingung bei Straßenfahrt; Entwicklung einer Untersuchungsmethode, um die realen Anströmbedingungen im Windkanal und in CFD darzustellen; Untersuchung der am Fahrzeug auftretenden aerodynamischen Effekte aufgrund der instationären Anströmung.

Projektförderung Fördermittelgeber Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT) AK-6 Aerodynamik

Projektlaufzeit: 3 Jahre

Projektpartner: Institut für Maschinenelemente, Universität Stuttgart

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Universität Stuttgart IVK
Lehrstuhl Kraftfahrwesen
Leitung: Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner

Herr Dr.-Ing. Timo Kuthada

Telefon +49 711 685-67615

Virtuelle Kupplung für Hochgeschwindigkeitszüge in Folgefahrt und Interaktion mit der Aerodynamik

Die virtuelle Kupplung ist ein vielversprechender Baustein zur Steigerung der Attraktivität und Wirtschaftlichkeit des Schienenverkehrs. Bei einer virtuellen Kupplung besteht keine physische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Triebzügen, sondern es werden stattdessen kontinuierlich Daten zwischen den Zügen ausgetauscht. Die Triebzüge agieren dann zusammen als ein funktional vereinheitlichter Zugverband.
Ist eine standardisierte Kommunikation gegeben, so ist die virtuelle Kupplung auch ein Lösungsansatz zur Multikuppelbarkeit von Zügen, d.h. zur funktionalen Kuppelbarkeit mehrerer bauartfremder Triebzüge eines Herstellers oder verschiedener Hersteller. Durch die virtuelle Kupplung von Zügen kann außerdem der Streckendurchsatz erhöht werden, ohne gleichzeitig die höhere Flexibilität mehrerer kurzer Züge zu verlieren. Des Weiteren ergibt sich durch die dichte Folgefahrt der Triebzüge eines virtuell gekuppelten Zugverbandes eine mögliche Reduzierung des Luftwiderstands und damit des Energiebedarfs. Solche Konvois wurden bereits bei Nutzfahrzeugen untersucht, wobei teilweise beträchtliche Kraftstoffeinsparungen erreicht wurden.
Aus aerodynamischer Sicht ist die Interaktion zwischen den Zügen eines virtuell gekuppelten Zugverbands auch in Hinblick auf einen sicheren Betrieb, z.B. unter Einfluss von starken Seitenwinden, zu untersuchen.
Im Rahmen dieses Projekts wird durch den Projektpartner, das Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart, eine Risikoanalyse zur virtuellen Kupplung von Hochgeschwindigkeitszügen durchgeführt sowie ein Betriebskonzept erarbeitet. Am IVK werden sowohl das Potential zur Luftwiderstandsreduktion durch die dichte Folgefahrt von Hochgeschwindigkeitszügen als auch die Auswirkungen einer solchen Folgefahrt auf weitere aerodynamische Fragestellungen wie die Seitenwindstabilität untersucht.

Kernziele des Vorhabens sind

Die Untersuchung der Realisierbarkeit einer virtuellen Kupplung von Hochgeschwindigkeitszügen sowie die Bewertung des aerodynamischen Potentials zur Widerstandsreduzierung.

Projektlaufzeit 01.01.2016 bis 31.12.2020

Projektpartner MTS Systems Cooperation

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Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner

Dr.-Ing. Jens Neubeck

Telefon +49 711 685-65701

Ein neuer Ansatz zur Regelung des Fahrzeugdynamikprüfstands durch nichtlineare Modellfolgeregelung

Der Fahrzeugdynamikprüfstand (FDP) verfügt bereits je nach Betriebsmodus und Anwendung über unterschiedliche Steuerungs- und Regelungsansätze. Ein wichtiger Anwendungsfall ist dabei die Durchführung von realitätsnahen Fahrmanövern mit dem FDP. In diesem Forschungsprojekt soll ein neuer Ansatz zur Regelung des Fahrzeugdynamikprüfstands entwickelt werden, um die Reproduzierbarkeit zum Fahrversuch auf der Straße zu verbessern. Dabei soll die Erarbeitung zunächst in der Simulation stattfinden. Hierfür werden Fahrzeug- und Prüfstandsmodelle verschiedener Komplexitätsstufen erstellt und die Dynamik des Fahrzeugs auf der Straße mit der Dynamik auf dem Prüfstand verglichen. Aus den einhergehenden Erkenntnissen soll ein entsprechendes Regelungskonzept erarbeitet werden, welches in der Lage sein soll, die ganzheitliche 3D Fahrzeugdynamik auf der Straße mit dem Prüfstand zu reproduzieren. Die Idee dabei ist es, die Dynamik des Fahrzeugs auf dem Prüfstand durch nichtlineare Folgeregelung an eine gegebene Straßendynamik anzupassen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig ein echtzeitfähiges Fahrzeugmodell zu entwickeln, dass alle wesentlichen dynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs abbilden kann. Dieses Modell soll innerhalb des erweiterten Regelungskonzepts unter anderem für den modellbasierten Regelungsentwurf verwendet werden. Gleichzeitig ist ein Regelungsverfahren notwendig, welches sowohl die notwendige Robustheit garantiert als auch vereinbar mit der Fahrzeugmodellierung ist. Eine holistische Betrachtung der Teilschritte Modellierung und Regelung ist deshalb vorteilhaft, da sie bei der Umsetzung des Regelungskonzepts voneinander abhängig sind und die Reglerperformance durch eine aneinander angepasste Entwicklung dieser Teilschritte verbessert werden kann.

Kernziele des Vorhabens sind

Methodenentwicklung für den Fahrzeugdynamikprüfstand zur Erhöhung der Vergleichbarkeit bzw. Übertragbarkeit zwischen dem Fahrversuch auf dem Fahrzeugdynamikprüfstand und dem klassischen Fahrversuch auf der Straße. Aufbau einer Simulationsumgebung und erste Analysen zur Systemdynamik des Fahrzeugdynamikprüfstands. 

Fördermittelgeber Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg Deutsche Forschungsgemeinschaft

Projektlaufzeit 01.01.2018 bis 31.12.2020

Projektpartner Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V., Institut für Fahrzeugkonzepte

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Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner

Dr.-Ing. Jens Neubeck

Telefon +49 711 685-65701

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird eine ganzheitliche Entwicklungsmethodik für innovative Fahrwerkkonzepte der Elektromobilität erarbeitet und exemplarisch angewandt. Dabei hat die Methode die inhärente Vernetzung der virtuellen und realen Fahrwerkentwicklung zum Ziel, um Kosten- sowie Zeitvorteile gegenüber konventionellen Entwicklungsmethodiken zu realisieren und bereits in den frühen Phasen der Entwicklung ein holistisches Fahrzeugsystemverständnis aufzubauen. Wesentliches Element der methodischen Fahrwerkentwicklung stellt der Fahrsimulator dar, der die effiziente Subjektivurteilsbildung virtuell konzipierter, elektrifizierter Fahrwerke ermöglicht.

Darüber hinaus soll das Projekt die methodische Integration eines innovativen Fahrzeugdynamikprüfstandes, wie er am IVK der Universität Stuttgart entsteht, aufzeigen. Hierbei wird insbesondere die Schnittstelle zur Einbindung des Prüfstandes in den Fahrwerkentwicklungsprozess beschrieben sowie die softwareseitigen und messtechnischen Anforderungen diskutiert. Die Entwicklung der methodischen Integration des Fahrzeugdynamikprüfstandes erfolgt im Rahmen des Projekts zunächst über ein vollfunktionsfähiges virtuelles Prüfstandmodell. Kernziele des Vorhabens sind Methodische Integration interdisziplinärer Modellierungsansätze und innovativer Prüfstandkonzepte in die virtuelle Entwicklung innovativer elektromotorischer Fahrwerkkonzepte mit besonderem Fokus auf die Gestaltung subjektiv wahrnehmbarer Fahreigenschaften

Projektförderung Fördermittelgeber Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau des Landes Baden-Württemberg

Projektlaufzeit 01.07.2017 bis 30.06.2020

Projektpartner Audi AG

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Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner

Dr.-Ing. Jens Neubeck

Telefon +49 711 685-65701

Entwicklung einer Methode zur virtuellen, robusten Basisapplikation des Stabilitätssystems

Die heutige Fahrzeugentwicklung weist die Tendenz zu immer kürzeren Entwicklungszyklen bei einer gleichzeitig stetig steigenden Anzahl von vernetzten und wechselwirkenden Fahrwerkregelsystemen auf. Daraus resultiert eine umfassende Fahrzeugvarianz sowie eine umfangreiche Produktkomplexität. Um diesen Rahmenbedingungen Rechnung zu tragen, werden zukünftig vermehrt virtuelle Methoden einzusetzen sein, um zum einen die Komplexität und die Varianz zu beherrschen und zum anderen eine hohe Produktqualität sicherzustellen. Im Rahmen des Forschungsprojekts ist ein durchgängiger, virtueller Entwicklungsprozess für Fahrzeuge mit Bremsregelsystemen zu gestalten, der die speziellen Anforderungen von Bremsregelsystemen in allen Projektphasen berücksichtigt. Kernziele des Vorhabens sind Definition eines durchgängigen Entwicklungsprozesses für Fahrzeuge mit Bremsregelsystemen; Entwicklung der dafür notwendigen Methoden: Formale und durchgängige Prozessbeschreibung in jeder Phase des V-Modells; Parameterstudien auf Fahrzeug-, Funktions- und Systemebene; Robustheitsuntersuchungen.

Projektlaufzeit 01.04.2016 bis 31.03.2019

Projektpartner AUDI AG

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Prof. Dr.-Ing. Andreas Wagner

Dr.-Ing. Jens Neubeck

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Entwicklung von Methoden zur robusten Fahrwerkregelsystemauslegung in der frühen Entwicklungsphase

Die aktuelle, vornehmlich hardwarebasierte Entwicklung von Fahrwerkregelsystemen stößt mit steigender Fahrwerkskomplexität und -varianz zunehmend an ihre Grenzen. Sowohl die Auslegung in der frühen Entwicklungsphase, als auch die seriennahe Applikation erfordern einen erhöhten Zeitaufwand oder sind ohne virtuelle Methoden nicht leistbar. Der Fokus des Projekts liegt in der Entwicklung von Prozessen, Methoden und Tools zur Integration der virtuellen Entwicklung in den Produktentstehungsprozess. Hierzu wird eine Simulationsumgebung für vernetzte Fahrwerksfunktionen und -regelsysteme aufgebaut und validiert. Zur Analyse von Wechselwirkungen auf Fahrzeug-, Funktions- und Systemebene werden etablierte Algorithmen der Sensitivitätsanalyse herangezogen und für den Anwendungsfall modifiziert. Mit diesen Werkzeugen und diesem Wissen wird die virtuelle Fahrwerkregelsystemauslegung, -bewertung und -applikation zielgerichtet durchgeführt bzw. unterstützt. Durch diese Verzahnung von hardwarenaher und virtueller Entwicklung lassen sich die Entwicklungsqualität und -effizienz nachhaltig steigern. Kernziele des Vorhabens sind Entwicklung und Validierung Simulationsumgebung für vernetzte Fahrwerksfunktionen, Integration und Bewertung von Sensitivitätsanalysealgorithmen; Funktions- und Systemspezifikation sowie Fahrwerkregelsystemapplikation, Weiterentwicklung des Fahrwerkregelsystementwicklungsprozesses um diese virtuellen Methoden.

Projektförderung Fördermittelgeber AUDI AG