Forschung

Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift die strukturbedingten Herausforderungen auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zuliefererindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.

Ausgehend von einem mehrfacch patentierten, weltweit einzigartigen Leichtbaukonzept der OVGU konzentrieren sich die Arbeiten im Forschungsbereich ANTRIEBSSTRANG auf die Weiterentwicklung und prototypische Darstellung der neuen Motortechnologie, deren Integration in den Antriebsstrang sowie deren Betrieb entsprechend gegebener Sicherheits- und Komfortanforderungen (Fahrdynamik). Gleichzeit bieten sich im Bereich der Grundlagenforschung weitere Innovationsschritte zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Motortechnologie, die in diesem Förderzeitraum erschlossen und in Prototypen umgesetzt werden sollen.

• Extrem leichte und kostengünstige Elektromaschinen für E-Fahrzeuge wie PKW, Fahrräder, Scooter, Boote, Drohnen, Flugzeuge, …
• Neue Architekturen ermöglichen spezifische gravimetrische Drehmomente > 50 Nm/kg
• Neue Fertigungsprozesse für Luftspalt-, Nut- und Kombi-Wicklungen sowie maßgeschneiderte Rotoren und Statoren ermöglichen eine vollautomatisierte Fertigung bei extrem günstigen Kosten

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Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift die strukturbedingten Herausforderungen auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zuliefererindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.

Ausgehend von einem mehrfacch patentierten, weltweit einzigartigen Leichtbaukonzept der OVGU konzentrieren sich die Arbeiten im Forschungsbereich ANTRIEBSSTRANG auf die Weiterentwicklung und prototypische Darstellung der neuen Motortechnologie, deren Integration in den Antriebsstrang sowie deren Betrieb entsprechend gegebener Sicherheits- und Komfortanforderungen (Fahrdynamik). Gleichzeit bieten sich im Bereich der Grundlagenforschung weitere Innovationsschritte zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Motortechnologie, die in diesem Förderzeitraum erschlossen und in Prototypen umgesetzt werden sollen.

• Aufbau und Anpassung von on- und offline parametrierbaren Modellen
• Durchgängige Modellierung von Verlustanteilen in analytischer und numerischer Form
• Optimale und adaptive feldbasierte Regelung bei kleiner Induktivität

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Angestrebtes Gesamtziel ist die Entwicklung eines extrem leichten, kompakten und dennoch leistungsstarken Radnabenmotors für Anwendungen im PKW- und Nutzfahrzeugsektor. Als Leichtbauwerkstoffe sollen bisher bei der Fertigung von Radnabenmotoren noch nicht eingesetzte Werkstoffe, wie Metallschäume und Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz kommen. Auf Basis der im Projekt gemachten Erfahrungen sollen Konstruktions- und Fertigungsrichtlinien für zukünftige Generationen von Radnabenmotoren erarbeitet und die Erkenntnisse auf weitere potentielle Einsatzgebiete übertragen werden. Das zu entwickelnde Leichtbaukonzept soll der Forderung und den hohen Ansprüchen am Markt an eine ressourceneffiziente, alternative Antriebslösung Rechnung tragen. Neben dem Antrieb von Elektroautos eignet sich ein derartiger Leichtbau-Radnabenmotor aus heutiger Sicht auch für E-Bikes, elektrische Aggregate und Maschinen sowie Generatoren aller Art.

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Mit einem vollständig modellbasierten, hierarchischen Fahrdynamikregelungskonzept wird untersucht, welche fahrdynamischen Potenziale sich durch Einsatz eines frei steuerbaren Allradantriebs mit elektrischen Radnabenmotoren erschließen lassen. Im ersten Schritt wird eine Plattform zur Schätzung aller fahrsicherheitsrelevanten Fahrzeugparameter- und Zustandsgrößen sowie der Reifenhaftgrenze entwickelt und getestet. Der zweite Schritt beinhaltet die Entwicklung der niedrigsten Hierarchieebene der Fahrdynamikregelung, welche Einzelradregler, die den Reifenschlupf unter Berücksichtigung des geschätzten Kraftschlusspotenzials einstellen, beinhaltet. Darauf aufbauend wird im dritten Schritt eine Fahrzeugregelung entwickelt, welche aus den vom Fahrer gewünschten Längs- und Querdynamikanforderungen Stellsignale für die Radregler generiert. Begleitend werden die entwickelten Konzepte im Rahmen von Simulationen und Fahrversuchen validiert.

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Ziel des Projekts ist die Konzeption und die Auslegung der magnetischen Kreise und der Wicklungen für Generation 2 und 3 der Radnabenmotoren. Generation 2 weist aufgrund einer patentierten Doppelwicklungsarchitektur nahezu eine Verdopplung der Leistungs- und Drehmomentdichte gegenüber Generation 1 auf. Damit nimmt der Motor mit Abstand eine internationale Spitzenstellung ein.

Durchgeführt werden alle Berechnungen, welche zum Aufbau jeweils eines Prototypen der Generation 1 und 2 erforderlich sind. Besonders im Fokus stehen die Minimierung der Eisenanteile, die Strukturierung des Stator-Blechpakets, die Maximierung des B-Feldes im Luftspalt bei vorgegebener Magnetmaterialmenge sowie die Auslegung und Optimierung der erforderlichen Wicklungsstrukturen.

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Durch die Entwicklung eines auf Fourier-Koeffizienten basierten Parametrierungsverfahren wird eine vollständige Parametrierung eines elektrischen Radnabenmotors mit einer möglichst geringen Anzahl an Messsignalen  angestrebt. Des Weiteren sollen die einzelnen Verlustanteile eines Radnabenmotors mathematisch modelliert und experimentell validiert werden. Dies dient der optimalen Auslegung eines Radnabenmotors hinsichtlich des Wirkungsgrades.

Die erste Teilaufgabe befasst sich mit der mathematischen und experimentellen Validierung der Verlustmodelle, mit der Besonderheit eines dünnen Blechpaketes und permanentmagnetischer Erregung. Im zweiten Teilabschnitt, werden die elektrischen und mechanischen Parameter eines Radnabenmotors mathematisch beschrieben und in einem halbautomatisierten Parametrierungsverfahren identifiziert. Darauf aufbauend werden die Erkenntnisse aus der ersten Teilaufgabe mit in das Verfahren integriert, um eine vollständige modellbasierte Beschreibung des Radnabenmotors zu ermöglichen. Im vierten  Schritt wird sich mit der Option einer möglichen Online-Parametrierung und Qualitätssicherung des elektrischen Radnabenmotors, sowie der Finalisierung einer vollautomatischen Parameteridentifikation befasst.
Begleitend werden die gewonnenen Erkenntnisse an der jeweiligen Radnabenmotor Generation überprüft und gegebenenfalls adaptiert.

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Entwicklung eines neuartigen, getriebelosen Generatorprinzips zum Funktionsmuster mit folgenden Kenndaten: Leistungsbereich bis 10 kW,  Antriebsdrehzahl von 30rpm, 3-phasig, Wirkungsgrad >90%, Einschaltdauer S1, Schutzgrad IP54, wartungsfreie Laufzeit >10 Jahre

Der zu entwickelnde Generator ist ein wichtiger Technologiebaustein im Verbundvorhaben VP5 und findet in den Verbundvorhaben VP3 und VP4 seine erste Anwendung.
Dieses Projekt zielt auf die gemeinsame, arbeitsteilige Entwicklung eines getriebelosen Generators mit eisenloser Luftspaltwicklung für Fluss-Strom-Anlagen, wobei das Institut für Mobile Systeme der OVGU die Hauptentwicklungsleistung übernimmt und den ganzen Weg vom Systementwurf bis zum Test des optimierten Prototypen begleitet. Auf Grund langjähriger Erfahrungen auf dem Gebiet Systementwurf ist die OVGU/IMS befähigt das Projekt zu bearbeiten. Der Generator wird auf der Grundlage modernster Technologien und Materialien entwickelt. Dabei gilt es eine technisch/technologische Lösung zu finden, die es gestattet, den Generator kostengünstig herzustellen. Das Prinzip der eisenlosen Luftspaltwicklung ist von der OVGU patentiert und stellt somit ein Alleinstellungsmerkmal dar.

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In der vergangenen Förderperiode wurden die Grundlagen für einen neuen sehr leicht bauenden Typs einer Elektromaschine entwickelt. Aufbauend auf diesem Grundprinzip wird zusammen mit dem ELISA Projekt Radnabenmotor ein Prototyp eines extrem leichten Radnabenmotors entwickelt. Das ELISA Projekt stütz sich dabei auf das neuartige Funktionsprinzip, verwendet zur Herstellung des Radnabenmotors jedoch ausschließlich eingeführte und bewährte Konstruktions- und Fertigungstechnologien, um möglichst frühzeitig einen seriennahen Prototypen darstellen zu können. Ziel des vorliegenden Projekts ist es für die kritischen Elemente des neuen Maschinentyps, wie die Luftspaltwicklung oder den Lageraufbau neue leistungsfähigere Lösungen zu finden. Diese sollen entwickelt und dann in den ELISA Prototypen integriert werden. Erwartet werden sowohl Kosten- als auch Gewichtseinsparungen, um die Alleinstellungsmerkmale des Radnabenmotors noch deutlicher herauszustellen.

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Gegenstand dieses Teilprojektes ist der elektrische Einzelradantrieb mittels Radnabenmotoren einschließlich seiner Drehmoment- und Drehzahlreglung als das Herzstück eines Elektrofahrzeugs. Er bildet die Basis einer innovativen Fahrdynamikregelung, welche die Funktionen heute getrennter Systeme wie ABS, ASR oder ESP in einem ganzheitlichen Ansatz zusammenfasst und um weitere Funktionen ergänzt. Aufbauend auf einer radbasierten Drehmoment- und Schlupfregelung als untere Ebene, welche die Vorgabe der Antriebs- und Seitenkräfte am Rad über weite Bereiche sicherstellt, wird ein hierarchisches Konzept zur Fahrdynamikregelung untersucht, dargestellt und getestet, welches den vorgegebene Fahrerwunsch in Form von Fahrgeschwindigkeit und Lenkradwinkel mittels einer optimalen Echtzeitsteuerung in einer oberen Ebene in eine Bahnplanung umsetzt und diese in einer mittleren Ebene mittels einer adaptiven Regelung auch unter sich ändernden Fahrzeug- und Umgebungsbedingungen sicher realisiert.

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Ausgehend von dem an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelten Maschinenprinzip wird ein getriebeloser Generator für eine Kleinwindkraftanlage konzipiert, ausgelegt, konstruiert, gefertigt und getestet. Die mechanische und konstruktive Auslegung des Generators erfolgt so, dass er direkt in den Fuß/Turm der Windkraftanlage integriert und vom Rotor der Windkraftanalage direkt angetrieben wird. Lager und Dichtungen des Generators werden als einzige verschleißbehaftetet Teile so ausgelegt, dass eine Betriebsdauer von 20 Jahren wartungsfrei gesichert ist. Eine On-Board Diagnose überwacht die mechanischen und elektrischen Betriebsparameter. Die elektrische und magnetische Auslegung des Generators erfolgt so, dass bei minimaler Magnetzahl der geforderte Leistungsbereich von 5 KW in dem Drehzahlbereich bis 200 U/min bei möglichst hohem Wirkungsgrad abgedeckt wird. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Auslegung und Anpassung der Luftspaltwicklung, wodurch der Drehmomentbereich und der Wirkungsgrad des Generators wesentlich bestimmt werden. Bei Sturm oder sehr hohen Windgeschwindigkeiten reduziert eine Drehzahlregelung die Rotorgeschwindigkeit so weit, dass eine Feststellbremse das Festhalten des Rotors übernehmen kann. Ausgehend von dem neuen Maschinenprinzip, das die Herstellung eines Generators aus wenigen Baugruppen ermöglicht, erfolgt die Optimierung der Baugruppenfertigung sowie der Montage der Baugruppen. Besonderes Augenmerk richtet sich hierbei auf die Fertigung der Luftspaltwicklung als zentralem Element des Generators. Der Test der Prototypen erfolgt zunächst an Prüfstanden der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Dort werden die wichtigsten statischen und dynamischen Maschinenparameter und Maschinenkennlinien ermittelt. Ein weiterer Betriebstest erfolgt nach Einbau des Generators in eine Windkraftanlage unter realen Lastbedingungen. Sowohl von seinen technischen (Baugröße, Leistung, Wirkungsgrad, …) als auch von seinen ökonomischen (Anschaffungskosten, Betriebskosten, …) Vorteilen wird der Generator bei entsprechender Vermarktung sehr schnell eine starke Marktposition erringen.  Alle Generatorbaugruppen lassen sich mittels angepasster Fertigungsverfahren auch in höheren Stückzahlen herstellen, wodurch Skaleneffekte genutzt werden können, welche nachhaltig die Wettbewerbssituation stärken. Durch seine hervorragende Skalierbarkeit ist es darüber hinaus mittelfristig möglich weitere Leistungsklassen des Generators zu entwickeln und am Markt zu platzieren.

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Mit dem Projektvorhaben soll interdisziplinär ein vermarktungsfähiger Radnabenmotor für die Elektromobilität neu berechnet, modelliert, konzipiert, entwickelt, gebaut und getestet werden. Der Radnabenmotor mit einer geplanten Leistung von 40 kW, einem Gewicht unter 20 kg und einem Wirkungsgrad >95% stellt ein Meilenstein in der Entwicklung leichter und effizienter Radantriebe für Kraftfahrzeuge dar. Der Einsatz moderner Fertigungsmethoden, wie Laserstrahlschmelzen von Funktionsbauteilen, Aluminium-Druckgießverfahren und der Vorkonfektionierung der Wicklung, führt zu einem wettbewerbsfähigen Produkt mit marktfähigem Preis. Die innovativen Aspekte des neuen Radnabenmotors liegen in der elektromagnetischen Auslegung von eisenloser Wicklung und Magnetkreis, der integrierten Ansteuerelektronik und nicht zuletzt im Leichtbau von Gehäuse, Stator und Rotor.

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In einem hierarchischen Ansatz wird ein neuartiges gekoppeltes System für Fahrantrieb und Fahrdynamik konzipiert, entwickelt und getestet. Der Fahrer übermittelt seinen Fahrwunsch in Form einer Sollvorgabe für die Fahrgeschwindigkeit und den Lenkradwinkel. Diese Vorgaben werden auf der höchsten Hierarchieebene im Rahmen einer optimalen Spurplanung in Vorgaben für die Radlängs- und -seitenkräfte und gegebenenfalls den Lenkwinkel umgesetzt. Das Fahrzeugmodell wird entlang der so berechneten Nominalspur linearisiert und auf einer mittleren Hierarchieebene zur Regelung der gesamten Fahrzeugdynamik verwendet. Der Regler generiert korrigierte Sollwerte für die Radlängskräfte und den Lenkwinkel. Diese Vorgaben werden auf der untersten Hierarchieebene von einer Radregelung umgesetzt. Dort wird ein Radnabenmotor als Traktionsantrieb eingesetzt, der neben einer Drehmoment- auch eine Schlupfregelung zur Verfügung stellt. Die hierarchische Fahrantrieb- und Fahrdynamikregelung wird durch ein ebenfalls hierarchisches Beobachterkonzept ergänzt. Im Zusammenspiel von Radbeobachtern auf der unteren Hierarchieebene und einem darüber liegenden Fahrzeugbeobachter werden alle relevanten Fahrzeugzustände sowie Schätzungen für den Reifenschlupf, den Kraftschlussbeiwert μ etc. ermittelt und den Reglern zur Verfügung gestellt. Sowohl auf Rad- als auch auf Fahrzeug-Ebene werden alle Ergebnisse auf ihre Funktion überprüft und entweder an einem Radprüfstand, dem Antriebsstrangprüfstand oder im Fahrversuch getestet, so dass alle entwickelten Komponenten in geprüfter Form im Versuchsträger zur Verfügung stehen und dort für übergeordnete Gesamtsystemtests verwendet werden können. Darüber hinaus sind für einen thermischen Range Extender, integrierte Antriebslösungen notwendig. Der von VW zur Verfügung gestellte Dieselmotor wird um einen Generator erweitert und in Betrieb genommen.

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Aufbauend auf dem vorhandenen Versuchsträger soll zunächst eine kontinuierliche Weiterentwicklung vollzogen werden, um das Fahrzeug bereits in einer sehr frühen Phase für Tests z.B. im Bereich des Energie- und Fahrmanagements, der Fahrdynamikregelung oder des adaptiven Fahrwerks verwenden zu können, da auf diesen Gebieten bereits interessante und verwendbare Vorarbeiten bestehen. Um die Testmöglichkeiten weiter auszubauen wird in dieser ersten Phase die Leistung der Radnabenmotoren und der Motoransteuerung erhöht, um einen Bereich bis 48 KW abzudecken, was der größten Motorisierung des ursprünglichen Verbrennungsmotors entspricht. Mit dieser Ausbaustufe lassen sich dynamisch anspruchsvolle Fahrversuche im Bereich des Energiemanagements und der Fahrdynamik unter gleichzeitiger Berücksichtigung von Längs-, Quer- und Vertikaldynamik mit realistischem Reifen-Straßen-Kontakt durchführen. Mit Fertigstellung des 4WD-Antriebsstrangprüfstands sollen zusätzlich zu den Fahrversuchen auf den Teststrecken Prüfläufe zur speziellen Untersuchung der Längsdynamik z.B. für sehr genaue Untersuchungen des Beschleunigungs-, Brems- und Rekuperationsverhaltens oder zur Bestimmung des Gesamtverbrauchs unter dynamischer Last über längere Zeit hinzukommen. Zur Aufnahme eines Range Extenders sowie zur Durchführung realistischer akustischer Untersuchungen wird für eine zweite Phase ein zweiter Versuchsträger konzipiert und gebaut oder, wenn möglich, von einem OEM übernommen und umgebaut. Neben den bereits beim ersten Versuchsträger vorhandenen Herausforderungen kommen hierbei noch Aufgaben des Thermomanagement für den Range Extender sowie dessen schwingungstechnische und akustische Einbettung ins Fahrzeug hinzu. Bei Auswahl eines konventionellen Fahrzeugs mit selbsttragender Metall- oder Kunststoffkarosserie müssen bei allen Umbauten Tragfähigkeits- und Bauraumfragen besonders berücksichtigt werden. Der zweite Versuchsträger ermöglicht die Durchführung aller oben genannten Experimente sowohl am Antriebsstrangprüfstand als auch auf den Teststrecken nun unter Einbeziehung eines Range Extenders sowie der Akustik. Die konstruktiven Arbeiten zur Weiterentwicklung des von VW zur Verfügung gestellten Dieselmotors zu einem RE werden hier durchgeführt. In Zusammenarbeit mit A3, wo die elektrische Seite (Generatorauswahl, Generatorregelung) bearbeitet und R3, wo die dynamische Simulation des RE (Elastisches Mehrkörpermotor- und Generatormodell) durchgeführt wird, wird der Basismotor um den Generator erweitert und in Betrieb genommen.

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Die durchgängige detaillierte Modellierung elastischer mechanischer Strukturen im Bereich der Wälzlager mittels FEM ist heute aus Rechenzeitgründen nicht durchführbar. Vereinfachte Modellierungsansätze erlauben zwar die Modellierung des Gesamtsystemverhaltens bei akzeptablen Rechenzeiten, liefern jedoch punktuell nicht die Genauigkeiten, die zur Dimensionierung und Qualitätssicherung im Bereich der Wälzlager erforderlich sind. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems stellt die Ordnungsreduktion komplexer und hochgenauer FE-Modelle und deren Einbindung in die MKS-Simulation dar. Das Ordnungsreduktionsverfahren muss dabei sicherstellen, dass ein geeigneter Kompromiss zwischen möglichst kleiner Restordnung und möglichst hoher Genauigkeit des ordnungsreduzierten Modells für definierte Betriebsbereiche des Modells (Frequenz- und Amplitudenbereiche) gefunden wird. Weiterhin muss das ordnungsreduzierte Modell als Teil eines übergeordneten MKS-Systems simuliert werden können.

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Ausgehend von vorhandenen GFDS, wird ein Basisfahrwerk mit je einem GFDS pro Rad konzipiert und ausgelegt. Hierzu wird der begonnene Integrationsprozess des GFDS fortgeführt, um neben der Piezodrossel alle für den Betrieb erforderlichen Komponenten, wie elektrische Ansteuerung, Drucksensorik, Sensorauswertung und Regler im GFDS unterzubringen. Hierfür soll die MID-Technik zum Einsatz kommen, welche eine Integration von dreidimensionalen Schaltungsträgern, Gehäuse und Fine-Pitch-Anwendung ermöglicht. In der Summe entsteht ein Subsystem, welches über eine kombinierte Energie- und Datenschnittstelle steuerbar, lokal alle erforderlichen Funktionen, wie Kraftregelung, Diagnose, Fail-Safe, Druckmessung, etc. realisiert. Ein zentraler Koordinator steuert die radbezogenen Subsysteme entsprechend den Erfordernissen des Gesamtfahrzeugs über ein geeignetes Netzwerk. In einem ersten Schritt werden passive Quer- und Längsstabilisatoren beibehalten. Lediglich ihre Funktion wird durch eine Anpassung der Feder- und Dämpferhärte unterstützt, um das Fahrverhalten in Kurven, bei dynamischen Lenkwechseln sowie in Beschleunigungs- und Bremsphasen zu verbessern. Da keine Energiezufuhr stattfindet, besitzt dieser Lösungsansatz naturgemäß Grenzen, die sich z.B. bei längeren Kurvenfahrten bemerkbar machen. Allerdings werden bei diesem Ansatz neben dem GFDS keine weiteren Elemente benötigt wodurch Kosten und Energieverbrauch nicht ansteigen. Um diese Grenzen zu verschieben werden in einem zweiten Schritt aktive Lösungen eingesetzt, die allerdings strenge Kriterien der Energieeffizienz erfüllen müssen. Im Fokus stehen hier geschlossene Luftsysteme, die entweder aktiv betrieben über Kolben oder Bälge oder passiv über schaltbare pneumatische Gegenkopplungen Kräfte in das Fahrwerk einspeisen und die problemlos an die bestehenden GFDS angebunden werden können. Diese Systeme stellen eine Erweiterung der vorhandenen langsamen Niveauregulierung dar und sollen durch Nutzung geeigneter Integrationstechniken möglichst gut in die vorhandenen Baugruppen integriert werden. Ein Kosten-Nutzen-Vergleich der erweiterten Möglichkeiten aktiver und semiaktiver Nick- und Wankstabilisierung mit den zuvor entwickelten passiven Lösungen ist ein wichtiges Resultat dieser Untersuchungen. Unter Nutzung modellbasierter Optimierungsverfahren wird eine Fahrwerkauslegung für ein Elektrofahrzeug mit Radnabenmotoren durchgeführt. Alle erforderlichen Komponenten inklusive der GFDS werden entworfen, gefertigt, nach Einzeltest integriert und in das Versuchsfahrzeug eingebaut. Die verschiedenen Stufen der Fahrwerkregelung werden entworfen und implementiert, so dass ein komplett funktionsfähiges System zur Verfügung steht mit dem sowohl das Basisfahrwerk als auch die erweiterten Nick- und Wankstabilisierungen im Fahrversuch überprüft werden können.

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Der umweltbewusste Käufer eines E-Fahrzeuges erwartet, dass sich der Antrieb im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor durch ein deutlich besseres NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) auszeichnet. Erste Erfahrungen zeigen jedoch, dass die Akustik eine dominierende Rolle spielt, weil zum einen sekundäre Geräuschanteile deutlicher wahrgenommen und zum anderen der Verbrennungsmotor des RE (Range Extender)beim automatischen Zuschalten plötzlich störende Geräusche erzeugt, die in keinem direkten Zusammenhang mit dem aktuellen Fahrzustand stehen. Hier setzt das Ziel des Teilprojektes R3 an, das darin besteht, den Elektroantrieb mit RE (Verbrennungsgeräusch, mechanisches Geräusch, Ansaug-, Abgas- und Lüftergeräusche) einschließlich der Nebenaggregate und eines geräuschbasierten Motormanagements akustisch möglichst unauffällig zu gestalten. Dazu werden sowohl passive als auch aktive Maßnahmen der Schallreduktion verfolgt und gemeinsam mit Partnern anderer Teilprojekte (R1.1, R1.2, E1, E2, E4) auch konstruktive Maßnahmen zur Geräuschbeeinflus-sung in die Betrachtungen einbezogen. Das langfristige Ziel des Teilprojektes R3 ist die Optimierung der akustischen Eigenschaften von E-Fahrzeugen mit RE, um eine möglichst hohe Akzeptanz für diese neue Technologie zu erreichen.

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Aus ökologischen und ökonomischen Gründen findet derzeit ein Wandel im Automobilwesen statt. Neben einigen Weiterentwicklungen des herkömmlichen Verbrennungsmotors und alternativen Kraftstoffen liegt der Fokus im Bereich Forschung und Entwicklung besonders auf hybride Antriebsstränge und Batterie- bzw. Brennstoffzellenelektrofahrzeuge. Um dieser neuen Ausrichtung auch in den Ingenieurswissenschaften auf dem Gebiet der Automotiven Systeme an der Otto-von-Guericke Universität Rechnung zu tragen, wurde ergänzend zu dem aktuellen Forschungsschwerpunkt AUTOMOTIVE und laufenden NEMO-Projekten (Netzwerk-Management-Ost) auf Basis eines Gesamtsystemkonzeptes ?Elektrofahrzeug? ein Demonstrationsmodell entwickelt. Dazu wurden Fördermittel aus dem Innovationsfonds und dem Konjunkturpaket II zur Verfügung gestellt, die den Anstoß der Forschung der Universität in Richtung ?Auto von morgen? und die zeitnahe Einbindung dieses aktuellen und attraktiven Gebietes in die Lehre ermöglichten.Für das angesprochene Demonstrationsmodell wurde ein industriell gefertigtes Fahrgestell verwendet und ein Antriebsstrang mit vier Radnabenmotoren realisiert. Dieses neuartige allradgetriebene, getriebelose Fahrzeugkonzept dient als Modulträger und flexibler Versuchsumgebung für Forschungs- und Studierendenprojekte im Bereich automotiver Systementwicklung, wobei aktuell die Integration eigenentwickelter Gasfederdämpfer zur Verbesserung der Fahrwerkseigenschaften fokussiert wird. Es wurden bereits jetzt Projekte geschaffen, die in den Prüfungs- und Studienordnungen der neuen ingenieurswissenschaftlichen Master-Studiengänge verankert sind. Darüber hinaus wird das Fahrzeug zur intensiven Schüler- und Studierendenwerbung eingesetzt.

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Mit dem Projekt soll ein interdisziplinärer wissenschaftlicher Beitrag zur Weiterentwicklung von numerischen und experimentellen Methoden der Produktentwicklung auf dem Gebiet der Schwingungs- und Geräuschreduktion von PKW-Komponenten (Motoren, Karosserie, Anbauteile) geleistet werden.Der Schwerpunkt der Anwendungen liegt auf PKW-Bauteilen, die wesentlich zu Schwingungen und zur Schallabstrahlung von Fahrzeugen beitragen. Hier sind die Motorlager als diskrete Einleitungspunkte für motorerregten Körperschall in die Fahrzeugstruktur, sowie flächige Strukturen an Motor und Karosserie zu nennen. Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung des Antriebstranges und dem damit einhergehenden Bemühungen zur Verbrauchsminimierung, werden aktive Motorlager für Hybridfahrzeuge bzw Range-Extender-Lösungen einen entscheidenden Beitrag zum Vibrationskomfort leisten können. Auch werden Entwicklungen wie der Einsatz von Dreizylindermotoren oder Zylinderabschaltungskonzepten zur Treibstoffersparnis die Laufruhe des Motors reduzieren. Dem kann mit einem aktiven Lagermanagement begegnet werden.Im Rahmen des Projektes wurden bereits erste Prototypen mit integrierten Piezoaktuatoren ausgelegt und aufgebaut. Ein wichtiger Bestandteil des zu entwickelnden Motorlagers ist die implementierte Regelung, sie bestimmt die erreichbare Vibrationsunterdrückung. Zurückliegend wurden modellbasierte Regelungsverfahren untersucht, die breitbanding auf das vom Verbrennungsmotor eingeprägte Anregnungsspektrum, mit seinen dominierenden ganzzahligen Motorordnungen reagieren können. An skalierten Laborprototypen wurden diese Ansteuerungen erfolgreich getestet.

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Für die Vermahlung von verschiedenen Getreidesorten werden Mehlmühlen eingesetzt. Eine komplette Anlage setzt sich aus mehreren Einzelmaschinen zusammen und wird an die Erfordernisse der jeweiligen Vermahlung angepasst. Im Mahlprozess kommen neben anderen Einzelmaschinen mehrere Walzenstühle unterschiedlicher Größe zum Einsatz. Für die Neuentwicklung eines Walzenstuhles sind die Schwerpunkte Antrieb, Mahlspaltverstellung und Steuerung durch innovative Konzepte zu bearbeiten. Ziel ist die Optimierung des Gesamtsystems. Neben der Konzipierung einer neuen Antriebslösung soll die gesamte Steuerungskonzeption für die Walzenstühle weiterentwickelt werden. Es sind neue technische Lösungen für die Sensorik, Signalkonditionierung und Ansteuerung der Aktorik herauszuarbeiten.

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Das Patent offenbart ein Elektromotor, der sich im Wesentlichen aus einem Primärteil, Sekundärteil und einer im Luftspalt, zwischen diesen beiden Elementen, angeordneten eisenlosen Wicklung zusammensetzt. Der Aufbau der Wicklung ermöglicht alternierende Stromflüsse in jeder Phase wodurch eine permanente Ausnutzung sämtlicher magnetischen Pole möglich ist.

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Im Projektbereich C Virtual Engineering ist die Erforschung und Darstellung einer virtuellen Entwicklungsplattform für automotive Komponenten geplant. Im Einzelnen werden in den eng verknüpften Teilprojekten die Modellbildung und Datenreduktion sowie die virtuelle Reality-Visualisierung und die Datenkonsistenzsicherung bearbeitet. Dieser Projektbereich hat neben der eigenen grundlagenorientierten Forschung eine starke Querschnittsfunktion für die anderen Projektbereiche.

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Adaptive Federungs- und Dämpfungssysteme ermöglichen die Anpassung der Fahrwerkabstimmung an Änderungen der Beladung, Temperatur, Verschleiß, Fahrerpräferenz, Reifenzustand usw., wodurch eine gleichzeitige Steigerung von Fahrsicherheit und Fahrkomfort erreichbar wird. Waren diese Systeme aus Kostengründen bisher nur bei Oberklassefahrzeugen bekannt, so verspricht die Integration eines Piezoaktors zusammen mit allen für den Betrieb erforderlichen Sensor-, Regel- und Ansteuerelementen direkt in die Struktur des Mengenstellelements einer Luftfeder eine leistungsfähige Lösung auch für den Mittel- und Unterklassemarkt. Eine schnelle Verstellung der Drossel eines Gasfederdämpfers erlaubt neben einer grundsätzlichen Verbesserung der Dämpfercharakteristik auch die Reaktion auf schnellere Ereignisse wie Änderungen des Fahrbahnzustand, plötzliche Fahrmanöver usw. Integrierte Piezostrukturen sind innovative, komplexe Funktionskomponenten, in denen durch gezielte Kombination von Materialien und Funktionen neuartige Leistungsmerkmale implementiert und die Eigenschaften dadurch deutlich optimiert werden. In einer ersten Projektphase wurde ein Gasfederdämpfer aus gegeneinander wirkenden Gasfedern unterschiedlicher Größe aufgebaut. Durch die Verstellung des Durchflusses zwischen diesen Gasfedern kann die Dämpfung beeinflusst werden. Zur Zeit wird ein integrierter Prototyp mit verbesserter Geometrie, Ansteuerungselektronik und Drosselelement auf Basis einer integrierten Piezokeramik aufgebaut. Das Drosselelement besteht aus einem Piezokeramischen Ring, einer Speichenstruktur als Wegvergrößerungssystem und einem Gehäuse mit Durchlassöffnungen zur Verstellung des Volumenstromes. In der nächsten Projektphase werden vier Gasfederdämpfern in ein Fahrzeug mit Radnabenmotoren eingebaut. An dem Versuchsträger mit adaptiven Fahrwerk werden dann Strategien zur optimalen Lösung des Zielkonfliktes zwischen Fahrkomfort und Fahrwerk bei sehr hohen Radmassen untersucht.In Bild 1 ist ein Piezoaktor der mit einer Speichenstruktur umspritzt ist abgebildet. Durch das Anlegen einer Spannung schrumpft der Piezoaktor. Diese Schrumpfung wird durch die Speichenstruktur in eine Drehbewegung des Aktors umgesetzt.

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Im Projektbereich C Virtual Engineering ist die Erforschung und Darstellung einer virtuellen Entwicklungsplattform für automotive Komponenten geplant. Im Einzelnen werden in den eng verknüpften Teilprojekten die Modellbildung und Datenreduktion sowie die virtuelle Reality-Visualisierung und die Datenkonsistenzsicherung bearbeitet. Dieser Projektbereich hat neben der eigenen grundlagenorientierten Forschung eine starke Querschnittsfunktion für die anderen Projektbereiche.

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Im Rahmen des Projektes soll eine vermarktungsfähige vollautomatische, selbstfahrende und elektrisch betriebene Maschine für die Ernte von weißem Spargel unter Folie entstehen. Die Maschine hat eine in Bewegungsphase und Erntphase getaktete Arbeitsweise. Die Fahrtrichtung der Maschine wird automatisch durch den Damm vorgegeben. Die Positionen der Spargelstangen werden zu Beginn der Erntephase in dem Scanbereich durch ein Bilderkennungssystem erfasst und die Koordinaten werden über die Steuerung an die Spargelstech- und Handhabetechnik übertragen, die dann automatisch den Erntevorgang für jede einzelne Spargelstange nacheinander vollziehen. Der geerntete Spargel wird in einem Behältnis gesammelt. Nach dem Abernten des Scanbereiches fährt die Maschine um eine Scanbereichslänge vor, glättet während der Fahrt den Damm und nach dem Stopp beginnt eine neue Erntsphase. Der Antrieb sämtlicher Motore der Maschine - einschließlich die Versorgung der Steuerung und des Bilderkennungssystems - erfolgt mit 24 V DC. Die Maschine kann mit einem Fahrzeuganhänger transportiert werden.  Zum Zubehör gehören ein Ladegerät, eine Batterieaustauschsatz und ein Solarpanel.

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Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens besteht in der Erforschung und Entwicklung einer komponentenorientierten Modellierungs- und Simulationsmethodik als zentrales Element eines durchgängigen Entwicklungsprozesses mechatronischer Komponenten, Baugruppen und Systeme. Behandelt werden Kombinationen aus mechanischen Starrkörpermodellen, elektrischen Netzwerken sowie elektromechanischen Bauteilen und Baugruppen, welche automatisch aus Material-, Geometrie- und anderen Bauteileigenschaften generiert werden und somit direkt bei der Analyse und Synthese mechatronischer Produkte verwendet werden können. Die wesentlichen Vorteile dieser neuen Methode sind: 1. Gemeinsame Spezifikationsplattform für mechanische und elektrische Systemteile aus einer Kombination eines um elektrische Bauteile und Baugruppen erweiterten 3D-CAD Systems mit einem elektrischen Schaltplaneditor. 2. Gemeinsame automatisierte Modellgenerierung und Simulation mechanischer, elektrischer und elektromechanischer Systemteile auf Geometrie- und Funktionsebene. 3. Sehr effiziente Simulation gekoppelter mechanischer und elektrischer Systemteile durch symbolische Vorverarbeitung der Simulationsmodelle auf Komponentenebene und über die gesamte Modellhierarchie hinweg. 4. Streng modulare Methodik, welche austauschbare und wieder verwendbare Komponenten nicht nur für die Spezifikation, sondern auch für die Simulation und den Entwurf nutzt. Die entwickelten Verfahren werden exemplarisch an zwei streng modular aufgebauten Beispielen eines Elektrofahrzeugs und Serviceroboters überprüft.

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Projektziel: Entwicklung einer Methodologie und Technologie zur zweckmäßigen Auswahl und Erstellung von leistungsfähigen mechatronic handling devices (MHD), die für den Mikro- und/oder Nanobetrieb geeignet sind. Zu diesem Zweck müssen verschiedene Teilziele erreicht werden, wie z. B. die Entwicklung einer aufgabenorientierten Methodik sowie Werkzeuge für die Modellierung, Simulation, Design, Steuerung und experimentelle Untersuchung der MHD. Als Basis dienen Antriebselemente aus strukturierter Piezokeramik, die in das mechatronische System integriert sind. Diese werden zuerst ausgewählt, getestet und dann weiterentwickelt. Bisher sind zwei Anwendungsbeispiele für die Biomechanik sowie für die Chemie vorgesehen. Das erste betrifft Zellmanipulationen, das zweite beschäftigt sich mit elektrochemischer Impedanztechnologie. Basierend auf der Methode zur Synthese von Piezostrukturen und auf dem Ansatz zur Lösung von Designproblemen, die dafür in Parameteroptimierungsprobleme umgewandelt werden, sollen spezielle Single- und Multilayer-Ansätze für das Design der MHD entwickelt werden. Unter zu Hilfenahme der experimentell ermittelten Ergebnisse wird dann eine Vergleichsstudie der MHD-Prototypen aufgestellt. Sie dienen außerdem dazu, die mathematischen sowie die Simulationsmodelle zu verbessern.

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Mikro-Controller und Signalprozessoren bilden bislang die Standard-Implementierungsplattform für eingebettete Controller. Aufgrund ihrer festen Hardware-Architektur lassen sie sich jedoch kaum an dynamisch veränderliche Hardware-Anforderungen anpassen, z. B. in bestimmten Betriebspunkten. Rekonfigurierbare Controller auf der Basis von FPGAs bieten in diesem Punkt eine wesentlich größere Flexibilität. Durch die Anpassung von Rechen- und Kommunikationsleistung sowie des benötigten Speicherplatzes und der externen Schnittstellen an das jeweilige Anforderungsprofil, erlauben rekonfigurierbare Controller eine wesentlich bessere Nutzung der verfügbaren Hardware-Ressourcen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung dynamisch rekonfigurierbarer eingebetteter Controller. Die Vorgehensweise stützt sich auf eine bitserielle Implementierung universeller signalverarbeitungs-, regelungs- und steuerungstechnischer Elemente, deren Parameter, Struktur, Wortbreite und Abtastrate dynamisch rekonfigurierbar sind und die in einem ebenfalls dynamisch rekonfigurierbaren bitseriellen Kommu-nikationsnetzwerk, entsprechend ihrem Signalfluss, verbunden werden. Die Spezifikation und Implementierung rekonfigurierbarer Systeme wird über Zustandsautomaten realisiert, welche Struktur und Signalfluss steuern. Die entwickelten Verfahren werden am Beispiel rekonfigurierbarer Ansteuerungen für Elektromotoren und Piezoaktoren sowie Kfz-Motorsteuerungen auf ihre Anwendbarkeit überprüft.

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Ventile mit piezoelektrischen Aktoren verfügen über bessere dynamische Eigenschaften als magnetisch betriebene. Der Verbrennungsprozess in Dieselmotoren kann durch eine Aufteilung des Einspritzvorgangs in mehrere einzelne Impulse optimiert werden. Der Einsatz piezoelektrischer Aktoren ermöglicht eine hochpräzise Einstellung der Länge, der Form und der zeitlichen Abfolge der einzelnen Teileinspritzungen. Mit der zu entwickelnden piezoelektrischen Kraftstoffeinspritzung kann der Einfluss vielfältiger Sequenzen Einzeleinspritzungen auf den Verbrennungsprozess im Dieselmotor erprobt werden. Der Automobilindustrie wird dadurch ermöglicht, die einzelnen Teilimpulse einer Einspritzung optimal zu gestalten.

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Im Rahmen des Kooperationsprojektes wurde mit der Zielstellung einer Teile- und Geräteintegration ein kompaktes Hydraulikaggregat, bestehend aus dem Ventilblock mit Einschraubventilen und integrierter außenverzahnter Zahnradpumpe, dem angeflanschten Unterölelektromotor und dem angebauten Öltank, entwickelt.

Die Schwerpunkte gliedern sich in eine Patent- und Literaturrecherche, Variantenerstellung mit Auswahl der Vorzugsvariante, Entwuf und Konstruktion des Ventilblockes sowie der erforderlichen Sonderbaugruppen und -teile.

Nach der Fertigung eines Prototypen werden Erprobungen und Optimierungsarbeiten realisiert, die Funktion nachgewiesen und im Zusammenhang mit einer Diplomarbeit dokumentiert.

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Mit dem Projekt soll ein interdisziplinärer wissenschaftlicher Beitrag zur Weiterentwicklung von numerischen und experimentellen Methoden der Produktentwicklung auf dem Gebiet der Schwingungs- und Geräuschreduktion von PKW-Komponenten geleistet werden. Im Projekt sollen sowohl passive Maßnahmen (verbesserte Konstruktion, Einsatz von Dämmstoffen) als auch aktive Maßnahmen (aktive Interfaces, adaptive Beeinflussung der Struktur durch strukturkonform integrierte Aktoren, u.ä.) entwickelt, untersucht und bewertet werden Ziel des Projektes ist die Entwicklung von neuen Konzepten der Schwingungs- und Schallreduktion an PKW-Komponenten und deren Verifikation durch experimentelle Untersuchungen. Ein erster erfolgversprechender Ansatz ist die Entwicklung eines aktiven, multivalent einsetzbaren und skalierbaren Interfaces, das in kompakter Bauweise parallel zu den Verbindungselementen, z.B. an den Lagerstellen des Motors bzw. zwischen Anbauteilen, in den Kraftpfad integriert werden kann.

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Integrierte Piezoaktoren sind innovative, komplexe Funktionskomponenten, in denen durch gezielte Kombination von Materialien und Funktionen neuartige Leistungsmerkmale imple-mentiert und die Eigenschaften dadurch deutlich optimiert werden. Integration bedeutet dabei einerseits die prozesstechnische Verbindung von spezifischen piezoelektrischen Materialien mit anderen Materialien andrerseits die strukturelle Verbindung verschiedener Funktionsein-heiten. Diese können wiederum Keramiken, Metalle, Halbleiter oder Gläser sein. Insbesonde-re soll durch die Integration eines Piezoaktors mit Wegvergrößerungssystemen, Drosselele-menten sowie Sensorelementen und Komponenten der Mikroelektronik ein aktives Dämpfungssystem mit bisher nicht erreichter Leistung realisiert werden.

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Ziel dieses Projekts ist die Erforschung und prototypische Darstellung einer virtuellen Entwicklungs- und Logistikplattform. Der ökonomische Einsatz virtueller Technologien bei der Entwicklung automotiver Systeme und Module setzt adaptierbare virtuelle Komponenten voraus, die innerhalb der Zuliefererpyramide die Schnittstelle zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer kostengünstiger und effizienter gestalten können. Für unterschiedliche Entwicklungsszenarien werden Modelle angepasster Genauigkeit benötigt, um den Rechen- und Bearbeitungsaufwand in Grenzen zu halten. Schließlich müssen Rechen- und Simulationsdaten an Visualisierungs- und Animationsmodelle gebunden werden, um realitätsnahe Entwicklungsszenarien zu erhalten. Generelle Zielstellung dieses Projekts ist die Verbindung der unterschiedlichen Disziplinen des virtuellen Engineerings bezogen auf die Betrachtungsebenen und Detaillierungsgrade in ihren Modellwelten. Im Zusammenspiel der Teilprojekte soll eine durchgängige Kette aus virtuellen Modellen entstehen, die von der Produktentwicklung bis hin zur Fertigung reichen. Dabei ist ein enger Austausch von Modellen, Modellierungs-Know-How und Elementen der virtuellen Entwicklungsplattform geplant

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Die Kombination von Magnet- und Direktantriebstechnik eröffnet völlig neue Einsatzbereiche für Werkzeugmaschinen. Wesentliche Kenndaten, wie die Positionier-und Verfahrgeschwindigkeit bzw. die Positioniergenauigkeit, lassen sich durch diese neuartige Lösung in bisher nicht erreichte Bereiche steigern. Um die hohen Forderungen an Werkzeugmaschinen mit Magnetschwebe-/Direktantriebstechnik einzuhalten ist es notwendig, das Gesamtsystem mit seinen elektrischen, magnetischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften als mechatronisches System ganzheitlich zu betrachten, zu analysieren und zu optimieren. Hierzu wird ein virtuelles Modell der gesamten Maschine aufgebaut, welches deren Funktion und Geometrie abbildet. Dieses Modell kann genutzt werden, um wesentliche Schritte der Entwicklung vorab zu untersuchen und Konzepte auf Brauchbarkeit zu testen. Die virtuelle Werkzeugmaschine dient als Integrationspunkt verschiedener Teilprojekte, der vor Erstellung eines eigentlichen Prototypen dazu benutzt wird, wichtige Entwicklungsfragen zu beantworten, Risiken zu minimieren und Optimierungsaufgaben zu lösen.

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Das Institut beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit der Integration von Piezoaktoren in moderne Antriebssysteme. Speziell im Bereich der Ventiltechnik und der Schwingungsdämpfung konnten bereits beachtliche Erfolge verbucht werden. Mit der Beschaffung eines Feinstbearbeitungszentrums für Piezokeramiken, die in den nächsten Wochen abgeschlossen sein wird, beginnt jetzt einen neue Ära. Waren die Integrationsrandbedingungen bisher durch die am Markt verfügbaren Aktorbauformen stark eingegrenzt, wird die Zukunft völlig neue Möglichkeiten bieten. Mehr Flexibilität bei der Formgebung der Aktoren, bei der Integration von Aktor und Wegvergrößerungssystemen, bei der Integration von Kühl- oder anderen Zusatzfunktionen, verspricht eine völlig neue Qualität von Aktoranwendungen. Bald gibt`s mehr dazu.

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Ziel der Untersuchung ist, anstelle der konventionellen Haupt- und Nebenachsen. Gelenke mit einem Freiheitsgrad >1 zu einem rüsselähnlichen, hybriden Mechanismus zusammenzufügen, der eine extreme Beweglichkeit des TCP(Tool center point) gewährleistet. Hierdurch kann eine wesentliche Vergrößerung des Arbeitsraumes sowie eine Verbesserung der Zugänglichkeit geometrisch komplex gestalteter Bearbeitungsobjekte erreicht werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den mechatronischen Baugruppen sowie der Integration geeigneter Antriebs- und Übertragungselemente.

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Durchfluss-Normalmesseinrichtungen für Flüssigkeiten mit höchsten Anforderungen bezüglich der Messunsicherheit basieren auf einer gravimetrischen Mengenbestimmung, d.h. die Mengenbestimmung wird durch die Wägung realisiert. Die Messgrößen Durchfluss und Masse von strömenden Flüssigkeiten und deren exakte messtechnische Erfassung sind in den verschiedensten Bereichen von Wissenschaft und Industrie von außerordentlicher Bedeutung. Durch das Institut für Mechatronik und Antriebstechnik wurden für die Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig (PTB) drei Diverter entwickelt, konstruiert, gefertigt, experimentell untersucht und zum Einsatz gebracht. Dabei handelt es sich um ein vollkommen neues hocheffizientes Wirkprinzip mit einem sehr hohen Genauigkeitsanspruch mit einer Gesamtmessunsicherheit von weniger 0,02%. Die entwickelten drei Laborgrossanlagen, bestehend aus Wasserführung, Düsensystem, Umschaltklappe und Waageeinlauf, mussten für Nennweiten 50, 150 und 400 mm und Durchflüssen von 3 … 2100 Kubikmeter/h realisiert werden. Sowohl die Düsen- als auch die Umschaltklappantriebe sind durch Stellmotore mit entsprechenden Spindelhubgetrieben bzw. Linearantrieben bestückt. Die Begrenzung des Spindelhubes zur Verstellung der Düsenöffnungen undf die Begrenzung der Umschaltklappenwege erfolgt durch Elektromechanische- und Softwareendschalter. Das hydrodynamische Prüffeld, mit den von uns entwickelten Divertern, repräsentiert eine hoch genaue Kalibrier- und Messeinrichtung bzw. Durchflussnormaleinrichtung für die BRD, Europa sowei weitere Länder und erfüllt die von der PTB geforderten individuellen Arbeitsbedingungen und Genauigkeitsanforderungen.

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Die Informationsverarbeitung mechatronischer Systeme bildet das Bindeglied zwischen Sensoren und Aktoren, welche an den Schnittstellen zu realen physikalischen Systemen unter harten Echtzeitbedingungen bedient werden müssen. Das Ziel des Vorhabens besteht darin, eine bessere Skalierbarkeit der Hard- und Software zur Implementierung von typischen Steuer-, Regler- und Signalverarbeitungsfunktionen mechatronischer Systeme zu erreichen. Basierend auf einem datenflußgetriebenen bitseriellen Implementierungsansatz, kann eine sehr effiziente Abbildung dieser Algorithmen direkt auf Gatterebene erfolgen, die speziell auf die Anforderungen an der Nahtstelle zwischen Sensoren, Informationsverarbeitung und Aktuatoren zugeschnitten ist. Im Rahmen der Untersuchungen wird eine umfassende Bibliothek von Grundmodulen aufgebaut, aus denen sich typische Steuer-, Regler und Signalverarbeitungsfunktionen synthetisieren lasse. Alle Grundmodule, zusammengesetzte höhere Funktionen und Testumgebungen werden in VHDL implementiert. Ausgehend von diesen Komponenten wird eine Entwicklungsumgebung erstellt, welche die Spezifikation, die Simulation und die Synthese von Steuer-, Regler- und Signalverarbeitungsfunktionen unterstützt und somit die Methode für einen breiteren Anwenderkreis verfügbar macht. Die praktische Erprobung erfolgt anhand aussagekräftiger Entwurfsbeispiele mit Implementierungen auf der Basis von FPGAs.

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Entwicklung integrierter Stellsysteme für adaptive mechanische Systeme Ziel des Projektes ist die Modellierung, Simulation und Integration piezoelektrischer Stellglieder in eine mechanische Trägerstruktur zur aktiven Schwingungsdämpfung Für piezoelektrische Stapelaktoren wird ein bereits bestehendes Simulationsmodell zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens erweitert und optimiert. Das Aktormodell soll wichtige nichtlineare Effekte berücksichtigen und sich gegenüber bereits bekannten Modellen durch eine verfeinerte Modellierung auszeichnen, die auch den Einsatz für hochfrequente Anwendungen erlaubt. Aufgrund der Parametrierung des Modells ist es möglich, unterschiedliche Aktoren und Stapelbauweise zu untersuchen. Das Aktormodell besitzt eindeutig definierte Schnittstellen, so daß eine modulare Einbindung des Aktors an ein Modell der Ansteuerschaltung und der mechanischen Trägerstruktur leicht möglich ist und ausgetestet werden soll. Die Simulation der Gesamtstruktur Aktor, Ansteuerung und mechanische Struktur dient als Grundlage zum Entwurf eines Reglers sowie zur Optimierung aller Systemparameter. Schließlich wird ein Piezoaktor in eine reale mechanische Struktur integriert und als aktive Schwingungskompensation ausgetestet.

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Das Ziel dieses Projektes besteht darin, die Diskrepanz zwischen den hochentwickelten, den Anforderungen neuer Stelltechnik angepaßten Piezofestkörperaktoren und den z.Z. noch voluminösen, unflexiblen, den Forschungen nach Systemfähigkeit, Energiebedarf und hohem Wirkungsgrad nicht gerecht werdenden Leistungsansteuerungen, zu beseitigen. Dabei soll eine Leistungsansteuerung entwickelt werden, die sich durch Programmierbarkeit, Anpassungsfähigkeit, Systemfähigkeit, Dynamik und geringes Gewicht auszeichnet. Der Einsatz von programmierbarer Logik (FPGA) gewährleistet die schnelle Abarbeitung von Regelalgorithmen im Mikrosekundenbereich.

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Entwicklung alternativer Stellantriebe für schnelle Hydraulikventile auf der Basis piezokeramischer Aktoren. Integration mechanischer und hydrostatischer Wegvergrößerungssysteme in die Stelleinheiten und Optimierung der Ansteuerung. Gestaltung angepaßter fluidischer Steuer- und Reglersysteme als direktbetätigte Schaltventile. Modellierung, Simulation und experimentelle Validierung der Funktion des Gesamtsystems. Entwicklung eines Ansteuerkonzepts auf der Grundlage des parametrierten Simulationsmodells, welches mit Ansteuerungen auf der Basis schneller, programmierbarer Logikbausteine (FPGA)realisiert werden kann. Erweiterung des FPGA-basierten Ansteuerkonzepts für den geregelten schwingungsgedämpften Betrieb des Ventils.

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Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Verfeinerung einer Modellierungs- und Simulationstechnik zur Nachbildung komplexer kontinuierlich-diskreter Systeme unter Echtzeitbedingungen. Im Mittelpunkt stehen hierbei die Vorgänge an den Schnittstellen zwischen kontinuierlichen dynamischen Systemen aus unterschiedlichen technischen Gebieten, wie z.B. Hydraulik, Pneumatik, Mechanik oder Elektronik und komplexen diskreten Regel- und Steuerungssystemen in Hard- und/oder Software-Realisierung. Die für die Modellierung kontinuierlicher und diskreter Systeme bekannten Lösungsansätze werden hierzu so aufbereitet, daß eine Simulation hybrider gekoppelter Systeme unter Echtzeitbedingungen bei einer Minimierung der an den Schnittstellen auftretenden Fehler möglich wird. Betrachtet werden gleichermaßen Problemstellungen innerhalb eines Echtzeitsimulatiosmodells als auch an den Schnittstellen zwischen simulierten und realen Komponenten, z.B. bei Hardware-in-the-Loop Experimenten oder beim Einsatz von Prozeßrechnern. Die zu entwickelnde Methodik wird von vornherein für den Einsatz auf vernetzten Parallelrechnersysstemen konzipiert, um auch anspruchsvollen Anwendungen im Bereich der Prüfstandstechnik, der Simulation großer Fertigungsanlagen oder von Baugruppen und Systemen der Automobiltechnik zu ermöglichen. Die entwickelten Methoden werden prototypisch an einer verteilten Simulationsplattform überprüft und verfeinert.

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Piezoelektrische Aktuatoren sind aufgrund ihrer geringen Reaktionszeit, ihrer hohen Stellgenauigkeit und ihres niedrigen Energiebedarfs gut zur aktiven Schwingungsunterdrückung und Formregelung geeignet. Sie besitzen ein hohes Forschungs- und Innovationspotential und finden in industriellen Anwendungen ein immer breiter werdendes Eisatzfeld. Sie erzeugen hohe Stellkräfte von mehreren kN bei Stellwegen im µm-Bereich. Als typische Anwendungungsfelder seien hier die Feinspositionierung, Schallunterdrückung und Schwingungsdämpfung genannt. Ziel des Projektes ist die Untersuchung, Modellierung und Optimierung des Betriebsverhaltens piezoelektrischer Stapelaktoren. Die Entwicklung und Optimierung neuer Stellsysteme auf piezokeramischer Basis setzt eine fundierte Kenntnis des Systemverhaltens von Piezokeramiken voraus. Es wurde daher ein mathematisches Modell entwickelt, das die Dynamik einschließlich nichtlinearer Effekte, wie z.B. das ausgeprägte Hystereseverhalten, abbildet. Das Modell wird durch einen Satz von Parametern charakterisiert, die aus speziellen Messungen ermittelt werden. Auf diese Weise ist eine Anpassung unterschiedlicher Aktortypen an das Modell möglich. Es dient als Grundlage zur Simulation und Untersuchung komplexer Wechselwirkungen zwischen der piezokeramischen Stelleinheit, der mechanischen Trägerstruktur, äußeren Anregungen und der elektrischen Ansteuerung. Die Entwicklung eines neuartigen Ansteuer- konzeptes stellt einen weiteren Schwerpunkt des Projektes dar. Herkömmliche Ansteuerungen besitzen den Nachteil, daß hohe Spannungen (einige 100 Volt) zur Verfügung gestellt werden müssen, sich hohe Betriebsströme einstellen und der Wirkungsgrad gering ist. Es wird daher ein neues Schalt- reglerkonzept auf der Basis von Ladungsrückführungen entwickelt, welches die genannten Nachteile nicht besitzt und mit niedrigen Spannungen gespeist werden kann. Der zentrale Regler wird in modernster FPGA-Technologie rea- lisiert und ist frei programmierbar. Eine hoheF lexibilität für verschiedene Anwendungsfälle ist daher mit relativ geringem Aufwand sichergestellt. Hierdurch steht der Anwendung piezokeramischer Stellsysteme eine Vielzahl von neuen Einsatzmöglichkeiten offen.

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Piezokeramische Aktoren stellen relativ neue Antriebselemente dar. Ihre Wirkung basiert auf der Volumenänderung unter dem Einfluß einer elektrischen Spannung. Während das Wissen über die Eigenschaften der Aktoren durch intensive Forschung zunimmt (mehrere 1000 Nachweisstellen), sind die Anwendungsfelder auf Bereiche, die eine Mikrometer- oder Nanometer-Genauigkeit bzw. eine hohe Frequenz erfordern, begrenzt geblieben.^a Die Anwendungen in Konsum- und Produktionsgütern sind auch auf diese Aktoreigenschaften abgestimmt und enthalten fast ausschließlich zur Anpassung an bestimmte gerätetechnische Aufgabenstellungen einfache Hebel zur Wegvergrößerung, wenn die Aktoren nicht direkt auf ein Funktionsglied wirkten.^a Dieses führt zu dem Gedanken, Piezokeramiken vielseitiger in Konsum und Produktionsgütern einzusetzen, die die hohen Ansprüche an Genauigkeit und Längenänderungsfrequenz nicht unbedingt stellen, aber größere Wege bei kleinem umbauten Raum für eine Funktion benötigen.

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