Institut für Fahrzeugtechnik. Θ y. ω K. K K K 0 F yi. K R F xi. F zi FTG. [ FSI Frank Stronach Institute]

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1 Institut für Fahrzeugtechnik x Φ K R K A F xi z Ψ Θ y z 0 ω K x y 0 0 K K K 0 F yi F zi FTG [ FSI Frank Stronach Institute]

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 2 Vorwort... 3 Schwerpunkte... 4 Aktuelle interne Forschungsprojekte... 5 Aktuelle externe Forschungsprojekte... 6 Prüfstand... 7 Prüfstandsdaten Software...11 Fahrdynamikmesstechnik Messtechnik Messtechniklabor Werkstätte Quellen: Umschlag/ 7 Continental AG, 4/11 MAN Nutzfahrzeuge AG, 7/8/9 Renk Test Systems AG, 12 Opel AG

3 Vorwort Das Institut für Fahrzeugtechnik ist integraler Bestandteil der interdisziplinären Automobil- und Verkehrsforschung an der TU Graz. Eingebettet in dem 2006 eröffneten Frank- Stronach- Institute FSI befasst sich das Institut für Fahrzeugtechnik mit Lehre und Forschung auf dem Gebiet der Landfahrzeuge, wobei PKW und LKW im Vordergrund stehen. Einschlägige Forschungsprojekte mit der Industrie gehören neben Prüfaufgaben im KFZ - Labor genauso zu den Tätigkeiten des Instituts. Mit unseren engagierten und hochqualifizierten Mitarbeitern, einer breiten Palette von Berechnungsprogrammen und Simulationswerkzeugen sowie diverser Mess- und Prüftechnik können diese Aufgaben bestmöglich erfüllt werden. Institutsvorstand Univ.- Prof. Dr.techn. Wolfgang Hirschberg Institut für Fahrzeugtechnik [ FSI Frank Stronach Institute] Inffeldgasse 11/1 A Graz, Österreich t.: f.: e.: office.ftg@tugraz.at w.: 3

4 Schwerpunkte Das Arbeitsgebiet der Fahrzeugtechnik ist interdisziplinär und breit gefächert. Es kombiniert eine Vielzahl von grundlegenden Wissenschaftsbereichen mit systemübergreifenden Anwendungsgebieten. Um in diesem breiten Betätigungsfeld Kernkompetenzen aufzubauen und zu erweitern, hat sich das Institut für Fahrzeugtechnik, abgestimmt mit anderen Instituten und Kompetenzzentren an der TU Graz, folgende Schwerpunkte gesetzt: Fahrdynamik in Theorie und Experiment Reifenforschung und -modellierung Bremsenprüfung und - simulation Fahrzeugsimulation Fahrwerktechnik Nutzfahrzeugtechnik Fahrerassistenzsysteme Aktive und integrierte Fahrzeugsicherheit Lehr- und Forschungsthemen in sich überschneidenden Fachgebieten werden in enger Kooperation mit unseren Partnern innerhalb der TU Graz behandelt. 4

5 Aktuelle interne Forschungsprojekte Entwicklung eines Modells zur Ermittlung des Fahrzeugsollverhaltens für einen überlagerten Fahrdynamikregler 1. Erstellung eines verifizierten Simulationsmodells für Fahrzeugbremsen unter Einbeziehung der thermischen Beanspruchung 1. Inbetriebnahme eines dynamischen Bremsen- und Radaufhängungs prüfstandes 1. Stabilisierung rückwärts fahrender Gliederzüge 2. Objektive Bewertung der Fahrdynamik von Fahrzeugen 1. Objektive messtechnische Bewertung der fahrdynamischen Eigen schaften von Nutzfahrzeugen 2. Funktionale Vorteile elektrischer Radnabenmotoren 3. Parametrierte Geometrieerzeugung 1. Modellbildung und Simulation von hybrid angetriebenen Fahrzeugen 2. Synthese eines vernünftigen PKW unter Berücksichtigung der Umwelt-, Energie- und Verkehrsrestriktionen 2 5

6 Aktuelle externe Forschungsprojekte Datenmanagement bei simultanen Simulationsprozessen 4. Generierung der beanspruchungsrelevanten Belastungen von Nutzfahrzeugen auf Schlechtwegstrecken mittels Reifen-, Fahrbahn- und Fahrzeugmodellen 4,5. Methoden zur Klassifizierung und Bewertung von Gleisanlagen auf Basis von Fahrzeugreaktionen 4. Optimale Kursplanung für Rennsportsimulation 4. Modellbildung und Simulation von fortschrittlicher, momentengeregelter Antriebsstränge 3. Modellbasierte Komfortbewertung von Fahrerassistenzsystemen 6. Prozessoptimierte Simulationstechnik für die Fahrwerksauslegung von Nutzfahrzeugen 5. Darüber hinaus etliche abgeschlossene Forschungsprojekte MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik, Graz 2... Institut für Fahrzeugtechnik, TU Graz 3... MAGNA Powertrain, Lannach 4... Kompetenzzentrum - Das virtuelle Fahrzeug - vif, Graz 5... MAN Nutzfahrzeuge AG, München 6... Audi AG, Ingolstadt 6

7 Prüfstand Das Institut für Fahrzeugtechnik verfügt über einen multifunktionalen Bremsen- und Radaufhängungsprüfstand. Dieser verfügt über zwei unabhängige Prüfaufbauten: den Halbachsen- und den Bremsenaufbau. Der Bremsenaufbau Dieser Prüfstandsaufbau bietet die Funktionalität eines Schwungmassenbremsenprüfstandes. Mit dieser Anordnung können vor allem Untersuchungen des Reibverhaltens von Bremsbelag und Bremsscheibe gemacht werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit die Bremsscheibe und den Bremssattel am Fahrzeugradträger zu befestigen, womit auch NHV Untersuchungen durchgeführt werden können. Der Prüfstand besitzt eine Klimakonditionierung, mit der Anströmgeschwindigkeit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit eingestellt werden können. Mit dem 7

8 Prüfstand Prüfstand lassen sich standardisierte Prüfläufe, wie etwa der AK- Master Test, automatisiert nachfahren. Der Halbachsenaufbau Diese Anordnung dient ebenfalls zu Untersuchungen des Bremssystems. Hierbei lassen sich Versuche im Verbund mit Radaufhängung und Rad durchführen, wobei die Kontaktkräfte zwischen Reifen und Fahrbahn realitätsnahe nachgebildet werden können. Eine gelenkte oder ungelenkte Halbachse bildet den Probanden. Das Prüfstandskonzept orientiert sich überwiegend an den Anforderungen NVH- Phänomene gezielt darstellen zu können. Zusätzlich ist es möglich, weitere Themen, wie etwa Felgenverschmutzung zu untersuchen. 8

9 Prüfstand Neben den Versuchen, die im näheren Zusammenhang mit dem Bremssystem stehen, dient der Aufbau vor allem zur Betriebsfestigkeitsprüfung von Radaufhängungen und im Speziellen von Radlagern. So ist es möglich, alle schädigungsrelevanten Schnittkräfte und -momente bei rotierendem Rad einzuleiten. Es können somit aus Fahrversuchen gemessene Straßenkollektive automatisiert nachgefahren werden. Die Halbachse wird mit einem Hydraulikzylinder zur Aufbringung der dynamischen Radaufstandskräfte in vertikaler Richtung gepulst. Das Rad wird über die im Fahrzeug verbaute Gelenkwelle mit einem Elektromotor angetrieben und läuft auf einer drehzahlgeführten Rolle. Dabei wird durch eine Differenzdrehzahl zwischen Radantrieb und Laufrolle ein Antriebsmoment eingeleitet. Das Bremsmoment wird durch einen Bremseingriff an der Radbremse erzeugt. Durch Schwenken der Rolle um die Hochachse lassen sich zusätzlich Reifenseitenkräfte aufbringen, womit die Längs-, Seiten- und Aufstandskraft des Rades beliebig überlagert werden können. 9

10 Prüfstandsdaten Antrieb Schwungmasse kgm 2 Nennleistung 00 kw Gewicht ca. 20 t Drehzahl 0, rpm Vertikalzylinder Frequenz 0-35 Hz Hub 300 mm Max. Geschw. 1 m/s Max. Beschleunigung 10 m/s 2 Rolle Generell Nennleistung 150 kw Umfangsgeschw. 300 km/h Nennmoment 600 Nm Drehwinkel +/- 15 Drehgeschw. 5 /s Bremsdruck Gewicht Datenerfassung Standardtestläufe 180 bar ca. 20 t CAN, Profi- Bus, analog AK Master Luftkonditionierung Feuchtigkeit % Temperatur -10 / 50 C Luftmasse 4400 m 3 /h Anströmunggeschw. max. 90 km/h 10

11 Software Das Institut für Fahrzeugtechnik arbeitet mit folgenden Berechnungsprogrammen. Technische Berechnung: Mehrkörpersimulation: Reifenmodelle: CAD: Festigkeitsberechnung: Messdatenerfassung und -auswertung: Matlab/Simulink ADAMS, SIMPACK, VeDyna TMeasy, FTire CATIA V5 Ansys Dewesoft, Diadem Zusätzlich kann an der TU Graz auf eine breite Palette an weiteren Programmen zurückgegriffen werden, welche als Campus- Lizenzen zur Verfügung stehen. 11

12 Fahrdynamikmesstechnik Für Fahrdynamikmessungen steht dem Institut neben umfassender Sensorik auch ein Versuchsfahrzeug zur Verfügung. Versuchsfahrzeug: Opel Combo 1,6 CNG mit bivalentem Benzinund Erdgasmotor Inertiale Strapdown Kreiselplattform: System ADMA der Fa. Genesys 3 Drehratensensoren / 3 Beschleunigungssensoren GPS Positionsbestimmung 32 bit, CAN Ausgang Messlenkrad: System MSWS der Fa. Corrsys- Datron Drehmoment: max. 50 Nm Drehwinkel: Auflösung 7200 Inc. Optischer Geschwindigkeitssensor: S 400 der Fa. Corrsys- Datron v x und v y jeweils 0,5-400 km/h Radvektor Sensor: System RV4 der Fa. Corrsys- Datron 125 Hz Abtastrate Seilwegpotentiometer: mm Gierraten-, Querbeschleunigungs-, Raddrehzahlsensoren. 12

13 Messtechnik Neben den Standard- Fahrdynamikmessgeräten gibt es am Institut eine breit gefächerte Messausstattung. Mobiles Messsystem: System Dewe 5000 der Fa. Dewetron 24 bit AD- Karte mit bis zu 200 khz Abtastrate analoge Messverstärker für Spannung, Temperatur, Ladung, Frequenz, digitale Anschlüsse für CAN, Video und Zähler Radkraftmessfelge: System RoaDyn S 635 der Fa. Kistler max. Radlast 35 kn Felgengröße Beschleunigungssensoren: 3 g / 50 g / 500 g Drucksensoren: mbar, 0-30 bar, bar Kraftmessdosen: max. 25 kn / max. 100 kn Kondensatormikrophon: System 377B02 1/2 der Fa. PCB 3, Hz Klimamessgerät: System der Fa. Testo Luftgeschwindigkeit, -feuchte und -temperatur DMS Applikationen Thermoelemente 13

14 Messtechniklabor Im Messtechniklabor wird die Messtechnik für Fahrversuche oder Prüfstandsmessungen vorbereitet. Darüber hinaus können Sensoren geprüft, untersucht und verglichen werden. Drehratenprüfstand Winkelauflösung Inc U/min Elektrodyn. Schwingerreger System V20 der Fa. Gearing & Watson max. Beschleunigung 60 g max. Kraft 100 N max. Weg 10 mm Multifunktions Prozesskalibrator System 725 der Fa. Fluke für Spannung, Strom, Widerstand, Thermospannung, Frequenz Mobiles Oszilloskop System TPS2024 der Fa. Tektronix Frequenzgenerator System mtx 3240 der Fa. Metrix bis 5 MHz Weiterhin bestehen Messtechnik- und Elektronikarbeitsplätze mit entsprechender Laborausrüstung. 14

15 Werkstätte Die Werkstätte ist ausgerüstet, um alle gängigen PKW und LKW zu warten und reparieren. Außerdem werden Versuchsträger vorbereitet und die entsprechende Messtechnik appliziert. Zusätzlich steht eine mechanische Werkstätte zur Verfügung. KfZ Werkstätte: PKW Hebebühne Achsmessgerät System ML8R der Fa. Beissbarth (geeignet für PKW und LKW) Diagnosetester System Macs 55 der Fa. Gutmann (geeignet für alle gängigen PKWs) Radgreifer für LKW und PKW (max. je 7000 kg) Radlastwaagen (2 x 2000 kg, 2 x 8000 kg) Präzisionswaage (max. 16 kg) Bremsflüssigkeitstester Reifenmontiermaschine (12-21 Felge) Reifenwuchtmaschine (12-21 Felge) Des Weiteren steht eine mechanische Werkstätte mit allen gängigen Bearbeitungsmaschinen (Drehbank, Fräse,...) zur Verfügung. 15

16 Kunst- Haus Schlossberg Stadtpark Hauptplatz Glacis Elisabethstraße Leonhardstraße Rechbauerstraße Radetzkystraße Jakomini- Platz Mandellstraße Felix-Dahn- Platz Augarten Grazbachgasse Schönaugürtel Steyrergasse Münzgrabenstraße Petersgasse Sandgasse FTG Inffeldg. Conrad-von-Hötzendorfstraße FTG Institut für Fahrzeugtechnik [ FSI Frank Stronach Institute] A-8010 Graz, Inffeldgasse 11/1 Österreich t: f: e: office.ftg@tugraz.at w: 16

17 Institute of Automotive Engineering x Φ K R K A F xi z Ψ Θ y z 0 ω K x y 0 0 K K K 0 F yi F zi FTG [ FSI Frank Stronach Institute]

18 Contents Contents... 2 Preface... 3 Competences... 4 Actual intern research projects... 5 Actual extern research projects... 6 Test rig... 7 Test rig data Software...11 Measurement labratory Measurement devices Measurement labratory Workshop Source: Cover/7 Continental AG, 4/11 MAN Nutzfahrzeuge AG, 7/8/9 Renk Test Systems AG, 12 Opel AG

19 Preface The Institute of Automotive Engineering is an integral component of the interdisciplinary research of automotive and traffic at Graz University of Technology. Embedded in the 2006 opened Frank-Stronach-Institute, the Institute of Automotive Engineering is engaged with teaching and research in the area of land vehicles, where cars and commercial vehicles stand in the foreground. Relevant research projects with the industry include testing procedures in the measurement labaratory just to the activities of the institute. With our dedicated and highly qualified employees, a wide range of calculation programms and simulations tools as well as several measurement and testing techniques we are in the position to meet all the related tasks. Director Univ.- Prof. Dr.techn. Wolfgang Hirschberg Institut für Fahrzeugtechnik [ FSI Frank Stronach Institute] Inffeldgasse 11/1 A Graz, Austria t.: f.: e.: office.ftg@tugraz.at w.: 3

20 Competences The work area of automotive engineering is an interdisciplinary and far diversified one. It combinesmany basic scientific fields with system-covering application areas. In order to build up and to expand core competencies in the large field of automotive engineering, the Institute of Automotive Engineering, in cooperation with other institutes and competence centers of the Graz University of Technology, focuses on: Vehicle dynamics and modelling Tyre research and modelling Testing and simulation of brakes Vehicle simulation Chassis and suspension technology Commercial vehicle technology Driver assistance systems Active and integrated vehicle safety Fields of teaching and research in adjoining special fields are in close cooperation with our partner institutes within the Graz University of Technology. 4

21 Actual intern research projects Determination of reference values for a vehicle dynamics controller 1. Generation of a verified brake simulation model including the thermal capabilities 1. Implementing a dynamic brake and wheel suspension test bench 1. Stabilisation of a Backward Driven Truck 2. Objective evaluation of vehicle dynamics by measurement techniques 1. Objective evaluation of commercial vehicle dynamics by measurement techniques 2. Electrical power trains 3. Parametrised geometry generation 1. Modeling and simulation of hybrid drivetrains 2. Synthesis of a reasonable car, taking into account the environmental, energy and transport restrictions 2. 5

22 Actual extern research projects Data management for simultaneous simulation processes 4. Generation of the durability relevant loads of commercial vehicles on rough roads by means of tyre, roadway and vehicle models 4. Methods for classification and track geometry evaluation based on vehicle response analysis 4. Optimum Course planing of motorsport simulation 4. Simulative Evaluation of Potentials and Pre - Calibration of Torque Controlled Drivetrains as part of an active vehicle dynamic controller network 3. Model based valuation of comfort of driver assistance systems 6. Optimised process simulation technology for the chassis design of commercial vehicles 5. Further more several completed research projects MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik, Graz 2... Institute of Automotive Engineering, TU Graz 3... MAGNA Powertrain, Lannach 4... Competence Center - The Virtual Vehicle - vif, Graz 5... MAN Nutzfahrzeuge AG, Munich 6... Audi AG, Ingolstadt 6

23 Test rig The Institute of Automotive Engineering operates a multifunctional Brake and Suspension Test Rig. Tests can be done with two independent setups: the pure brake- and the full suspension configuration. The Brake Configuration This configuration offers the functionality of a dynamometer. Researches dealing with friction characteristics of common brake pads and brake disc are possible. Additionally the brake calliper and the brake disc can be mounted on the original car wheel carrier whereby NVH researches are possible. The test rig is featured with air conditioning, which simulates air stream speed, temperature and humidity. Standardised test procedures like the AK- Master Test can be automaticly driven. 7

24 Test rig The Suspension Configuration With this configuration researches concerning the brake system are possible whereby the influence of the suspension and the tyre are build up in a quite realistic manner. This is of importance to deal with all kinds of NVH phenomena. In addition it is possible to analyze issues like brake dust. Beside brake researches the test rig is used for fatigue tests of suspensions. It is possible to reproduce high speed load spectra under laboratory conditions. Hence, extensive proving with test cars, to ensure the durability of wheel bearing units, can be avoided. The loads are applied reproducible and under quite realistic conditions on a rotating wheel corner. The wheel is driven by an electric motor via the original car drive 8

25 Test rig shaft and it is running on a speed controlled drum. A rotational speed difference between the drum and the electric drive causes longitudinal tyre forces and drive torque. Brake torque is generated by braking actions with the original vehicle brake, which also causes a heat input. By rotating the drum around its vertical axis a slip angle and thus a side force is appliedto the suspension. Additionally a vertical hydraulic cylinder acts onto the wheel corner to generate a dynamic load. Thus, it is possible to combine user defined arbitrary spectra of vertical, longitudinal and lateral force as well as drive and brake torque. 9

26 Test rig data Drive Train Fly wheel masses kgm 2 Nominal power 00 kw Revolution 0, rpm Drum Vertical pulse cylinder Frequency 0-35 Hz Stroke 300 mm Max. Speed 1 m/s Max. Acceleration 10 m/s 2 General Nominal power 150 kw Perimeter speed 300 km/h Nominal momentum 2600 Nm Pivot angle +/- 15 Pivot speed 5 /s Brake pressure Weight Data transfer Standard Tests 180 bar ca. 20 t CAN, Profi- Bus, analog AK Master Air conditioning Humidity % Temperature -10 / 50 C Air stream 4400 m 3 /h Air stream speed max 90 km/h 10

27 Software The Institute of Automotive Engineering is working with the following software: Technical Computation Multi Body Simulation Tyre models CAD: Strength Calculation Data collection and analysis: Matlab/Simulink ADAMS, SIMPACK, VeDyna TMeasy, FTire CATIA V5 Ansys Dewesoft, Diadem Additionaly there is acess to a broad field of further programs available at Graz University of Technology. 11

28 Vehicle dynamics measurement devices Vehicle dynamics meassurement devices as well as an test vehicle are used at the institute. Test vehicle: Opel Combo 1,6 CNG with bivalent gasoline and natural gas engine Inertial strapdown gyroscope: Genesys ADMA 3 fiber optic gyros/ 3 acceleration sensors GPS positioning 32 bit, CAN output Steering wheel sensor: Corrsys- Datron MSWS torque: max. 50 Nm angle resolution 7200 Inc. Optic speed sensor: Corrsys- Datron S 400 0,5-400 km/h in long. and lat. direction Wheel vector transducer: Corrsys RV4 125 Hz sample rate Path potentiometer: mm Yaw rate, lateral acceleration and wheel speed sensors. 12

29 Measurement devices Beside the standard vehicle dynamics measurement devices a wide varity of measurement devices is availabe at the institute. Mobile data acquisition: Dewetron Dewe bit AD converter, max. 200 khz sample rate analogue amplifier for voltage, temperature, charge and frequency digital amplifier for CAN-Bus, video and counter Wheel force transducer: Kistler RoaDyn S 635 max. vertical load 35 kn rim dimension Acceleration sensors: 3 g / 50 g / 500 g Pressure sensors: mbar, 0-30 bar, bar Load cells max. 25 kn / max. 100 kn Condenser microphone PCB 377B02 1/2 3, Hz Climate Analyzer Testo Air velocity, humidity and temperature Strain gauge applications, thermocouples 13

30 Measurement labratory In the measurement labratory all measurement devices for vehicle dynamics or test rig proving are prepared. Furthermore it is possible to check and compare diverse sensors. Rotary plate test rig angle resolution Inc rpm Electric shaker Gearing & Watson V20 max. acceleration 60 g max. force 100 N max. distance 10 mm Multifunction process calibrator Fluke 725 voltage, current, resistance, thermoelectric voltage, frequency Mobile oscilloscope Tektronix TPS2024 Function generator Metrix mtx 3240 max. 5 MHz Furthermore, there are measurment technique und electronic work spaces with approprate labratory equipment at our disposal. 14

31 Workshop The workshop is equipped to maintain and repair current passenger cars and commercial vehicles. Additionally test carriers can be prepared. Workshop: Sicssors lift for passenger cars Wheel alignment gauge Beissbarth MLR8 (applicable for cars and CVs) Diagnostis system Gutmann Macs (applicable for current cars) Column lifts for CV and cars (max kg per lift) Wheel load scales (2 x 2000 kg, 2 x 8000 kg) Precision balance (max. 16 kg) Brake fluid tester Wheel mounting machine (12-21 rim) Wheel balancing machine (12-21 rim) Mechanical workshop with all common machine tools (drilling, milling,...). 15

32 Kunst- Haus Schlossberg Stadtpark Hauptplatz Glacis Elisabethstraße Leonhardstraße Rechbauerstraße Radetzkystraße Jakomini- Platz Mandellstraße Felix-Dahn- Platz Augarten Grazbachgasse Schönaugürtel Steyrergasse Münzgrabenstraße Petersgasse Sandgasse FTG Inffeldg. Conrad-von-Hötzendorfstraße FTG Institute of Automotive Engineering [ FSI Frank Stronach Institute] A-8010 Graz, Inffeldgasse 11/1 Austria t: f: e: office.ftg@tugraz.at w: 16