Methodik zur Konzeption und Auslegung von Radbremsen für PKW mit elektrischem Antriebsstrang

Bernhart, Tobias GND

In der vorliegenden Arbeit werden Methoden zur Konzeption und Auslegung von Radbremsen für PKW mit elektrischem Antriebsstrang entwickelt. Durch die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Bremsvorgang (Rekuperation) wird die Radbremse thermisch entlastet. Bei der Quantifizierung der thermischen Beanspruchung werden sowohl leistungsorientierte Tests als auch die alpine Passabfahrt und kundennahe Fahr- und Verbrauchszyklen berücksichtigt. Das Verschleißverhalten der Radbremsen wird am Schwungmassenprüfstand und durch eine Feldstudie untersucht. Mit Blick auf die steigenden Vorgaben an die Reduktion des CO2-Ausstoßes und der Feinstaubemissionen ergeben sich neue Sichtweisen bezüglich der Dimensionierung in Richtung Leichtbau durch Downsizing und neuer Auslegungszyklen, nachdem das Kundennutzungsverhalten an den aktuellen Standards der Bremsenentwicklung gespiegelt wurde. Die Entwicklungstrends auf dem Gebiet des elektrischen Antriebsstrangs, die Wirtschaftlichkeit, die gesetzlichen Rahmenbedingungen und die Anforderungen der Märkte werden dabei berücksichtigt.

In view of the efforts to increase the electrification of the powertrain, ever stricter legal requirements regarding, for instance, fine dust emissions, and the increasing relief of drivers offered by enhanced intelligent assistance systems and autonomous driving, the automotive industry and their suppliers are facing new challenges. This thesis develops methodical approaches for the conceptual design and dimensioning of wheel brakes for vehicles using an electric powertrain. By recovering kinetic energy during a braking process (recuperation) the thermal load on the wheel brakes is reduced. At present, however, no automotive series applications operating completely without any conventional friction brakes are known. After defining the scope of research, recommendations on the design of wheel brakes will be derived, based on the systematical evaluation of the recuperation effects on the thermal load of the wheel brakes and the quantification of the wear behavior. For quantifying the thermal load, performance tests as well as alpine downhill drives and the customer oriented driving cycles, including consumption driving cycles, were taken into account. The wear behavior of the wheel brakes was investigated by means of an inertia dynometer and a field study. After comparing customer usage behavior with the current standards of brake development new perspectives for lightweight construction - meaning downsizing - and for new driving cycles arose in view of the increasing requirements for reducing CO2 and fine dust emissions. Development trends in the field of electric powertrains, profitability, legal framework conditions and market requirements were all integrated into the methodology. As a result of the detailed considerations a contribution for an energy-efficient design of a vehicle with an electric powertrain is made and, using the wheel brake as an example, a starting point for avoiding oversizing is presented.

Angesichts der steigenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs, schärferen gesetzlichen Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich Feinstaubemissionen, sowie der stärkeren Entlastung des Fahrers durch weiterentwickelte, intelligente Assistenzsysteme und automatisiertes Fahren, steht die Automobil- und Zuliefererindustrie vor neuen Herausforderungen. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden zur Konzeption und Auslegung von Radbremsen für PKW mit elektrischem Antriebsstrang entwickelt. Durch die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Bremsvorgang (Rekuperation) wird die Radbremse thermisch entlastet. Jedoch sind derzeit keine automobilen Serienanwendungen bekannt, bei denen komplett auf die konventionelle Reibbremse verzichtet werden kann. Nach der Definition des Forschungsbedarfs werden, basierend auf der systematischen Evaluierung der Rückwirkungen der Rekuperation auf die thermische Belastung der Radbremsen und der Quantifizierung des Verschleißverhaltens, Empfehlungen zur konstruktiven Ausführung der Radbremsen abgeleitet. Bei der Quantifizierung der thermischen Beanspruchung werden sowohl leistungsorientierte Tests als auch die alpine Passabfahrt und kundennahe Fahr- und Verbrauchszyklen berücksichtigt. Das Verschleißverhalten der Radbremsen wird am Schwungmassenprüfstand und durch eine Feldstudie untersucht. Mit Blick auf die steigenden Vorgaben an die Reduktion des CO2-Ausstoßes und der Feinstaubemissionen ergeben sich neue Sichtweisen bezüglich der Dimensionierung in Richtung Leichtbau durch Downsizing und neuer Auslegungszyklen, nachdem das Kundennutzungsverhalten an den aktuellen Standards der Bremsenentwicklung gespiegelt wurde. Die Entwicklungstrends auf dem Gebiet des elektrischen Antriebsstrangs, die Wirtschaftlichkeit, die gesetzlichen Rahmenbedingungen und die Anforderungen der Märkte werden in die Methodik integriert. Durch die detaillierten Betrachtungen wird ein Beitrag zur energieeffizienten Auslegung eines PKW mit elektrischem Antriebsstrang geleistet und ein Ansatzpunkt zur Vermeidung von Überdimensionierungen am Beispiel der Radbremse aufgezeigt.

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Bernhart, Tobias: Methodik zur Konzeption und Auslegung von Radbremsen für PKW mit elektrischem Antriebsstrang. Ilmenau 2019.

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