Schluckspecht
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Die Arbeit beinhaltet die Konzeption und den Aufbau eines Prüfstandes für den Elektromotor sowie den Antriebsstrang des Hocheffizienzfahrzeugs "Schluckspecht S6" der Hochschule Offenburg. Neben Beschreiben des Vorgehens bei dem Entwerfen von benötigten CAD-Modellen wird auch auf die Auswahl und Implementierung elektronischer Komponenten sowie die Programmierung des verwendeten Mikrocontrollers eingegangen. Die Ergebnisse eines ersten Tests des Prüfstandes werden außerdem aufgezeigt und diskutiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das elektrisch / elektronische System des Hocheffizienzfahrzeugs „Schluckspecht 6“ hinsichtlich seiner Übersichtlichkeit und Modularität optimiert. Essenziell war die Vernetzung der durch verschiedene Projektgruppen erstellten Teilsysteme mittels des neu integrierten CAN-Bus. Im Zuge der Überarbeitung des E/E-Systems wurde auch ein neuer Gesamtfahrzeugschaltplan angefertigt.
Im Rahmen der Optimierung des E-Antriebsstrangs wurde eine neue Motorsteuerung entwickelt, die aufgrund des verbauten Vierquadrantenstellers neben einem zuverlässigen Antrieb des Schluckspecht 6 zukünftig auch die Steuerung und Regelung von Lastmaschinen in – für den Schluckspecht 6 neu entwickelten – Testständen erlaubt. Für die Messdatenerfassung, während Test- und Rennläufen sowie in den Testständen, wurden diverse Messsysteme realisiert. Dazu gehören die Messung des Motorstroms, der Zwischenkreisspannung und der Motordrehzahl. Basierend auf der Motorstrommessung und Zwischenkreisspannungsmessung wurde eine Stromregelung implementiert, um die Bedienfreundlichkeit und Effizienz des S6 im Rennbetrieb zu erhöhen.
Schluckspecht project
(2022)
The Project "Schluckspecht" of the University of Offenburg consists of participating in the European marathon called "Shell Eco-Marathon"(SEM) which consists of designing and building from the beginning a vehicle with the greatest possible energy efficiency. The University of Offenburg has participated in this project since 1998.
The team that forms the Schluckspecht project is made up of around 30 students from the faculties of mechanical engineering, process engineering, electrical engineering, medical technology and computer science, as well as the degree in Audiovisual Communication. The team was founded in 1998 and since then students have been developing and building high efficiency vehicles to participate in the European marathon Shell Eco.
In this project, students can put into practice all the theoretical knowledge obtained during their studies. Also can be learned how to work interdisciplinarity as a team, a skill that for now, many companies or require or seek.
The following topics are discussed in the Schluckspecht project, which are also ideal for the work of students:
-Conception construction and production of high efficiency vehicles.
-Computational design and manufacture of lightweight components and sets.
-Development of lightweight components and sets from renewable raw materials.
-Construction and development of special test benches, for example: motor test bench.
-Implementation and optimization of control strategies for autonomous driving
-Mechanical and electrical integration of sensors for autonomous driving
-Ergonomic studies and optimization of the driver's cabin.
The objective of the project is to develop and manufacture research vehicles that make individual mobility as efficient as possible from an energy point of view. To achieve this, current and future issues of the industry are discussed. In this project, both the theoretical and practical part of the light construction of vehicles and the reduction of friction, the variety of propulsion concepts (electric thrusters, fuel cells, diesel/petrol engines, Stirling engines) and autonomous driving are investigated. The services of the University of Offenburg together with some external partners are grouped together to make this wonderful project work.
Es ist von großem Nutzen, wenn energieeffiziente Leichtbaufahrzeuge einen effizienten und leichten Antrieb besitzen. Der aktuell verbaute Hatz-Dieselmotor des Schluckspecht S5 erfüllt diese Anforderungen nur teilweise. Aus diesem Grund wird der Motor zukünftig durch einen leichteren und effizienteren ethanolbetriebenen Ottomotor ersetzt. Da der Versuchsmotor keineswegs an die Anforderungen des Shell Ecomarathons angepasst ist und bis auf dessen Hubraum von 125 cm³ kaum Motordaten vorhanden sind, gilt es den Versuchsmotor verbrauchsoptimal zu applizieren. Die vorliegende Abschlussarbeit befasst sich mit den experimentellen Untersuchungen und einigen Optimierungen des ethanolbetriebenen Ottomotors am Motorenprüfstand. Um in Zukunft die Durchführung der Untersuchungen zu gewährleisten und den bestmöglichen Betrieb des Versuchsmotors zu garantieren, ist es elementar alle optimierten Bauteile für den Kraftstoff Ethanol auszulegen. Neben der Überarbeitung des Kraftstoffsystems liegt das Hauptaugenmerk hierbei auf der Optimierung des Kolbens und der Nockenwelle. Durch den optimierten Kolben soll die Verdichtung des Verbrennungsmotors erhöht und durch die optimierte Nockenwelle die Ventilsteuerzeiten perfektioniert werden. Demnach besteht die Aufgabe die Bauteile zu besorgen, die Fertigung zu koordinieren und den Umbau der optimierten Komponenten zu realisieren. Des Weiteren erfolgt die Konstruktion einer Kupplung, welche in Zukunft zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor montiert werden soll. Ein zentrale Tätigkeit ist die Fehlerbeseitigung am Motorenprüfstand, sodass der Versuchsalltag reibungslos abläuft. Die letzte Tätigkeit umfasst die Durchführung der experimentellen Untersuchungen des Verbrennungsmotors sowie das Anlegen von Kennfeldern, welche einen effizienten Motorlauf garantieren. Das Betriebskennfeld hinsichtlich der Last und Drehzahl wird mittels verschiedener Einstellparameter appliziert. Zur Unterstützung dienen dabei die Kalibrierungssoftware EcoCal und die Indizierungssoftware IndiCom.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Fertigung der beiden vorderen Radkästen des Fahrzeugs einschließlich konstruktiver Auslegung und Berechnung aufgezeigt. Zu Beginn der Bachelorthesis ist bereits eine Vorauslegung der Radkasten-Konstruktion auf Basis der Strömungsoptimierung vorhanden, welche für die Auslegung und Fertigung dieser Arbeit herangezogen wird.
Über eine geeignete Konzeptfindung hinsichtlich den an die Radkästen gestellten Anforderungen und über die fertigungsgerechte Auslegung des auf Leichtbau getrimmten Bauteils wird demzufolge die eigentliche Fertigung mittels CFK-Prepreg erläutert.
Die Konzeptionsphase beinhaltet nach einer Wettbewerbsanalyse sowie dem Belehren über diverse Analogien die generelle Lösungsfindung des Konzepts über eine Nutzwertanalyse.
Im Bereich der Konstruktion wird die vorhandene Vorauslegung weiter optimiert und zusammen mit den benötigten Aussparungen sowie den Befestigungselementen für den Verbau beschrieben. Hinsichtlich Konstruktion wird zudem eine gewisse Bauteilfestigkeit vorausgesetzt, die über eine Modalanalyse abgesichert wird. Betreffend Befestigung werden 3D-Druck-Teile modelliert und eingesetzt. Zur Umsetzung der Befestigung an der Radnabe wird darüber hinaus die Radverschraubung so überarbeitet, dass eine simultane Befestigung des Radkastens und des Rades ermöglicht wird.
Für die Fertigung der Radkästen wird auf die CFK-Prepreg Technologie zurückgegriffen, für welche im Vorfeld diverse Versuchs- und Einstellparameter geklärt werden. Zu den Parametern zählen in erster Linie die angefahrenen Druck- und Temperaturwerte für die Aushärtung sowie ein präziser Aufbau der einzelnen Lagen für die Prepreg-Fertigung.
Konstruktiv besteht ein Radkasten aus zwei Hälften, die im Anschluss der Fertigung mittels geeigneter Verbindungsteile und über das Verfahren des Nasslaminierens zusammengefügt werden.
Den Abschluss der Bachelorthesis bildet das Einpflegen des vollständigen CAD-Modells sowie der Verbau der beiden Radkästen am Gesamtfahrzeug.
Im Rahmen einer Kraftstoffumstellung des Fahrzeuges Schluckspecht 5 wird diesem ein neuer Antriebsstrang verliehen. In einer bereits bestehenden Hinterachsbaugruppe sind funktionale Optimierungen vorgenommen worden, welche den Fahrzeugeinbau des Antriebsstrangs beschleunigen.
Durch die bestmögliche Ausrichtung und Justierung aller am Antriebsstrang verwendeten Bauteile konnte das erhöhte Reibmomentaufkommen an der Radnabe um 60 % verringert werden. Um diesen Zustand reproduzierbar zu gestalten, steht dem Team Schluckspecht ab sofort eine Montageanleitung bereit. Diese stellt ein Schritt-für-Schritt-Dokument für die Reibmoment-Reduzierung im Antriebsstrang dar.
Die mechanische Bearbeitung der am Schaltvorgang beteiligen Zahnräder sorgt für ein besseres axiales Einfinden bei einem Gangwechsel. Eine neue Getriebehalterung soll dafür Sorge tragen, dass sich auftretende Verspannungen aus dem Antriebsstrang nicht in die Getriebeeinheit übertragen. Ob der Schaltvorgang des Fahrzeuges damit reibungslos vollzogen werden kann, muss in Versuchen im Nachgang bestätigt werden.
Eine 3D-gedruckte Polradabdeckung verhindert potenzielle Gefahrenstellen durch sich drehende Teile am Motorblock. Dieses Bauteil wurde nach den dafür vorgesehenen Sicherheitsstandards entwickelt.
Da es sich beim Schluckspecht 5 um ein Leichtbaufahrzeug handelt, musste die Anforderung einer geringen Masse mit gleichzeitig genügend Steifigkeit stets beachtet werden. Außerdem darf keine der vorgenommenen Arbeiten den Wirkungsgrad des Fahrzeuges negativ beeinflussen.
Die Arbeit befasst sich mit der Inbetriebnahme eines Batteriemanagementsystems des asiatischen Herstellers „LLT Power“ zur Verwendung im batterieelektrisch betriebenen Hocheffizienzfahrzeug der Hochschule Offenburg (Schluckspecht S6). Zudem wird eine Adapterplatine entwickelt, gefertigt und getestet, die per Schalter wahlweise einen Bluetooth- oder USB-Zugriff auf die UART-Schnittstelle des BMS ermöglicht. Gleiches gilt für die im Fahrzeug eingesetzte Spannungsversorgungsplatine die sowohl die Hupe als auch die Leistungselektronik versorgt. Darüber hinaus wird im Rahmen dieser Arbeit auf diverse Programme und Arbeitsschritte eingegangen, die für den Entwicklungsprozess benötigt wurden. Exemplarisch wird das Vorgehen bei der Auswahl der Komponenten sowie der Bestellprozess der Platine aufgezeigt. Auf den Entwurf der zugehörigen 3D-Modelle, die für die Konstruktion der Gehäuse herangezogen werdenkönnen wird ebenso wie auf die Fertigung der Platine eingegangen. Abschließend wird der Projektverlauf resümiert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten gegeben
Das Team Schluckspecht der Hochschule Offenburg fährt seit 1998 bei dem Wettbewerb Shell-Eco-Marathon beachtliche Erfolge mit Leichtbaufahrzeugen ein. Seit der ersten Teilnahme an diesem Wettbewerb, werden die Fahrzeuge kontinuierlich weiterentwickelt und den von der Rennleitung vorausgesetzten Bedingungen an-gepasst. Im Jahr 2020 soll der mittlerweile schon 17 Jahre alte Schluckspecht 3 durch den neu entwickelten Schluckspecht 6 ersetzten werden.
Zu Beginn dieser Bachelorthesis liegt bereits eine gefertigte Negativform des Monocoques aus glasfaserverstärktem Kunststoff vor. Das Ziel der Bachelorthesis ist die Fertigung des Monocoques aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Nach der Recherche zu den theoretischen Grundlagen erfolgen das Planen und Durchführen von Versuchen. Die Versuche dienen zur Lösungsfindung der zuvor festgelegten Aufgabenstellungen für die Fertigung des Monocoques. Es werden Versuche zu den im Fahrzeug zu platzierenden Inlays, der Fensterbefestigung, den Ab-schusskanten und Übergängen am Fahrzeug und dem Kabelkanal durchgeführt. Anhand der Versuchsergebnisse wird die Zielvariante für das zu fertigende Monocoque festgelegt. Alle relevanten festgelegten Maßnahmen müssen mit den im Projekt beteiligten Bauteilverantwortlichen abgeklärt werden. Die Bearbeitung der Negativform beinhaltet das Versteifen mit Holzstreben und eine Wärmebehandlung. Daraufhin werden zwei Backvorgänge zum Aushärten des Fahrzeugs durchgeführt. Abgeschlossen wird die Fertigung mit dem Finishing des Monocoques. Die Herausforderung dieses Projekts besteht darin, das angeeignete Wissen zunächst auf die Versuche und schlussendliche auf die Fertigung des gesamte Monocoque zu übertragen.
Konstruktion, Fertigung und experimentelle Optimierung einer Lenkung für ein Leichtbaufahrzeug
(2021)
Diese Bachelorthesis umfasst die Fertigung eines nach Ackermann ausgelegten Lenksystems für ein Leichtbaufahrzeug. Der besondere Fokus dieser Arbeit liegt beim Einbau der Komponenten in das Chassis. Dabei werden die nötigen Vorrichtungen und das Vorgehen beschrieben, um sicherzustellen, dass die Lenkkinematik nach ihrer ursprünglichen Auslegung funktioniert und alle Teile des Fahrwerks möglichst effizient betrieben werden können. Weiterhin wird beschrieben, wie die Komponenten der Lenkung während des Montage- und Fertigungsprozesses weiterentwickelt wurden. Abschließend wird die montierte Lenkung experimentell getestet, um die Qualität der Arbeit beurteilen zu können.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde die Steuereinheit für das elektrisch angetriebene Hocheffizienzfahrzeug Schluckspecht 6 entworfen. Im Detail wurde die bestehende Steuereinheit analysiert. Durch sorgfältiges Betrachten der Leistungselektronik und deren Elemente, der Signalaufbereitungsplatine, der Stromsensorplatine und der DC/DC-Wandlerplatine, wurden die bestehenden Fehler in deren Schaltplänen behoben. Im Zuge dieser Fehlerbehebung, wurde die Übersichtlichkeit der Schaltpläne verbessert. Des Weiteren wurden die Leistungselektronik und deren Elemente zu der neuen Control Unit fusioniert. Um eine möglichst nachhaltige Hardware zu erhalten, wurde die alte Platine optimiert. Dazu sind die Ein-/ und Ausgänge und der CAN-Bus von dem Entwicklerboard an den Leiterplattenrand geführt worden. Damit die CAN-Signale vom Entwicklerboard verarbeitet werden können, wurde zusätzlich eine Schaltung für die Signal-konvertierung entwickelt. Die zusammengeführte Leiterplatte wurde für eine bessere Zugänglichkeit während des Shell-Eco-Marathon, einseitig bestückt. Um die Fehlerbehebung zu erleichtern, sind Messpunkte, zusammen mit einer Messtabelle, auf deren Schaltpläne integriert worden. Zusätzlich wurde ein Jumper für die Energieversorgung des Entwicklerboards hinzugefügt, damit dieses intern oder extern versorgt werden kann. Für die Control Unit wurden Schnittstellen zur besseren Erweiterung ausgesucht. Nach Abschluss des Optimierungsprozesses und der Komponentenauswahl, wurden die Schaltpläne und ein Board der Control Unit entworfen. Für diesen Entwurf wurde eine Leiterplatte bestellt, welche im SMD-Labor bestückt und verlötet wurde. Anschließend wurde an dieser ein Funktionstest und eine Inbetriebnahme im Schluckspecht 6 durchgeführt. Ein weiterer Teil der Arbeit war die Planung des Gehäuses für die neu entworfene Control Unit, die Auswahl der Anschlussstecksysteme und die Fixierung der Leiterplatte in der Energiebox, sowie die Verdrahtung zwischen der Control Unit und den Stecksystemen.
Im Rahmen dieser Masterarbeit soll ein Radträger für ein Leichtbaufahrzeug entwickelt werden. Dieser soll ein niedriges Gewicht sowie eine hohe Steifigkeit aufweisen und fertigbar sein.
Dabei wird über einen iterativen Prozess aus Simulation, Topologieoptimierung und Neukonstruktion ein neues Radträgerdesign entwickelt.
Zu Beginn der Arbeit wird auf die wissenschaftlichen Grundlagen eingegangen. Dabei spielen vor allem das Thema Leichtbau sowie die finite Elemente Methode eine Rolle. Es wird auf Prinzipien der Konstruktion eingegangen, um das Bauteil fertigungsgerecht und auch effizient zu gestalten.
Im nächsten Kapitel wird der aktuelle Stand der Technik genauer untersucht. Hierbei wird der Entwicklungsprozess der aktuellen Radträger-Varianten untersucht und diese mittels FEM nachgerechnet. Zuvor werden noch die für die Simulation benötigten wirkenden Kräfte berechnet und Plausibilitätstests durchgeführt, bei denen Computersimulationen mit realen Messwerten auf deren Richtigkeit überprüft werden.
In den letzten Kapiteln geht es um die Entwicklung des Radträgers. Hier werden einige Konzepte entwickelt und mittels FEM-Simulationen getestet. Durch den Einsatz von Topologieoptimierungen wird versucht, das Gewicht des Radträgers bei gleichbleibender Steifigkeit zu senken.
Der aktuell verbaute Hatz-Dieselmotors des Schluckspecht V soll durch einen leichten und effizienten Ottomotor ersetzt werden. Dieser Ottomotor wird zukünftig mit dem Alkohol Ethanol betrieben. Hierfür müssen, auch hinsichtlich des Wettbewerb-Einsatzes beim Shell Eco-marathon, einige Optimierungen durchgeführt werden.
Die hier vorliegende Master-Thesis behandelt den Aufbau und die Optimierung des Ver-suchsprüfstands, welcher für Testzwecke für den neuen Ottomotor entwickelt wurde. Im speziellen wird auf das Thema Kraftstoffsystem, welches für den Betrieb mit Ethanol aus-gelegt wird, eingegangen. Des Weiteren erfolgt die Konstruktion einer optimierten Ansaugstrecke, welche auf den Verbrennungsmotor appliziert werden soll. Hierfür werden mehrere Varianten strömungstechnisch untersucht und am Objekt getestet. Zudem soll die Verdichtung des Verbrennungsmotors durch einen optimierten Kolben erhöht und die Ventilsteuerzeiten durch eine optimierte Nockenkontur perfektioniert werden. Hierbei besteht die Aufgabe darin diese Bauteile zu besorgen und die Fertigung zu koordinieren. Eine weitere Tätigkeit ist die Aufnahme und Beseitigung von Fehlern des Versuchsprüfstands, welche einen reibungslosen Versuchsalltag verhindern bzw. erschweren. Die letzte Tätigkeit umfasst das Durchführen von experimentellen Untersuchungen des Verbrennungsmotors und das Anlegen von Kennfeldern, welche einen effizienten Motorlauf gewährleisten.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung der Hinterradbaugruppe weiter vorangetrieben. Durch das genaue Betrachten verschiedener Sachverhalte entstehen neue Anpassungs- und Neukonstruktionen, mit dem Hauptaugenmerk der Antriebsfunktionalität und Elektrokomponentenbefestigung. Nach der Anpassung einer Ritzeladaption und einer Änderung der Elektromotoraufnahme wird der Antriebsstrang, in Form eines Kettentriebs, eingerichtet. Dazu wird der vorausgewählte Motor mit der angepassten Aufnahme verbunden und an die vordefinierte Stelle platziert. Zur Inbetriebnahme findet parallel eine Änderung der Radachsenaufnahme statt, um das Hinterrad mittig widerholbar ausrichten zu können. Unter dem Aspekt der der Sicherheit und Funktionalität erfolgt in Folge dessen die Konzipierung eines Radkatens und Kettenschutzes. Aus zeitlichen Gründen wird vorrangig das Konzept des Radkastens umgesetzt, weil diese Geometrie früher benötigt wird. Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit ist die Konzipierung eines Bremsenhalters. Dazu findet zu-nächst eine Bauraumanalyse statt, diese zu einem groben Bauraummodell führt. Daraufhin werden verschiedene Topologie- und Formoptimierungen, für die Erzielung eines robusten Bremsenhalters, durchgeführt. Im letzten Teil des Arbeitsumfangs erfolgt die Ermittlung verschiedene Aufnahmekonzepte für die Elektrokomponenten. Neben einer Schubladenlösung für die Energiebox findet parallel die Anfertigung einer Batteriebox mit Schiebedeckelvariante statt. Die angefertigten Boxen sind durch die vollständige Ausarbeitung bereit für die Erstellung eines Anbindungskonzepts an die, ebenfalls neuentwickelte, Elektrokomponentenaufnahme.
In dieser Arbeit wurde ein Getriebesteuergerät für ein Zweigang-Schaltgetriebe entwickelt. Dieses soll sowohl im manuellen als auch im autonomen Fahrbetriebe des Schluckspecht 5 einen Gangwechsel mittels eines Elektromotors ermöglichen. Da für den autonomen Fahrbetrieb eine rechnergestützte Ansteuerung der Drosselklappe erforderlich ist, wurde auch der Anschluss eines dafür gedachten Servomotors vorgesehen und die Auswertung des Motordrehzahlsensors realisiert. Für die eigentliche Getriebesteuerung wurden ein Raddrehzahlsensor, ein Getriebeeingangsdrehzahlsensor, Endlagensensoren für die beweglichen Teile sowie ein Stromsensor zum Schutz des Elektromotors und des Motortreibers vor thermischer Überlastung an den ausgewählten Mikrocontroller angeschlossen und der notwendige Source-Code zur Auswertung bzw. Ansteuerung geschrieben. Darüber hinaus wurden Zustandsautomaten für die Elektromotor- und die Getriebesteuerung vorbereitet.
In this contribution, we propose an system setup for the detection andclassification of objects in autonomous driving applications. The recognition algo-rithm is based upon deep neural networks, operating in the 2D image domain. Theresults are combined with data of a stereo camera system to finally incorporatethe 3D object information into our mapping framework. The detection systemis locally running upon the onboard CPU of the vehicle. Several network archi-tectures are implemented and evaluated with respect to accuracy and run-timedemands for the given camera and hardware setup.
1000 Meilen unter Strom, Rekordfahrt des in Offenburg entwickelten eFahrzeugs "Schluckspecht"
(2012)
Nach der Entwicklung eines sparsamen Demonstrationsfahrzeugs mit Dieselmotor und Brennstoffzellenfahrzeuge wurde ein Batteriefahrzeug entwickelt, das in Südafrika unter der Aufsicht von FIA-Ingenieuren 626,6 km fuhr, ohne dass die Batterie aufgeladen werden musste. Ein Demonstrationsfahrzeug des Japan Electrical Vehicle Club hielt den damaligen Weltrekordmit 555,6 km.