Aircraft design is a major challenge in the age of electro-mobility, which is mainly due to the high demands on weight restrictions. Battery electric airplanes either are designed as gliders or have limited range. The current developments in the area of batteries and of hydrogen fuel cells give a huge potential for future activities extending the operational area of CS-23 airplanes with electric propulsion. The study presented describes the dimensioning of a fuel cell drive train system for CS-23 airplanes including potentials and design optimizations. Different hydrogen fuel cell electrification concepts are analysed and compared, what is followed by an analysis of the system components. Further, different hydrogen storage systems for mobile applications and their operational handling abilities are studied. The system requirements for the CS-23 Airplane are defined, including the optimal configuration for the investigated airplane, including the battery capacity for the take-off phase. The concept closes with a discussion on system requirements by defining command variables and a discussion on trade-off decisions. / Die Konstruktion von Flugzeugen stellt mit dem Wandel zur Elektromobilität eine große Herausforderung dar, was vor allem auf die hohen Anforderungen an die Gewichtsbeschränkung zurückzuführen ist. Batterieelektrische Flugzeuge sind entweder als Segelflugzeuge konzipiert oder haben eine begrenzte Reichweite. Die aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Batterien und der Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten ein großes Potential für ein zukünftig erweitertes Einsatzgebietes von CS-23 Flugzeugen mit Elektroantrieb. Die vorgestellte Studie beschreibt die Dimensionierung eines Brennstoffzellen-Antriebsstrangs für CS-23-Flugzeuge einschließlich Potentialen und Design-Optimierungen. Es werden verschiedene Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrifizierungskonzepte analysiert und verglichen, worauf eine Analyse der Systemkomponenten folgt. Weiterhin werden verschiedene Wasserstoffspeichersysteme für mobile Anwendungen und deren betriebliche Handhabbarkeit untersucht. Die Systemanforderungen für das CS-23 Flugzeug werden definiert, einschließlich der optimalen Konfiguration für das untersuchte Flugzeug, einschließlich der Batteriekapazität für die Startphase. Das Konzept schließt mit einer Diskussion über die Systemanforderungen.

In this paper, a new methodology is presented to estimate the lifetime impact of design changes, called Failure Likelihood Assessment (FLA). The discussion in this paper is on the fatigue lifetime prediction of axial piston units, especially after a design change. The demonstration object is an axial piston pump due to extreme environmental conditions and high specification demands, where the FLA is applied to a manufacturing change in an existing product and delivers an effect on the unit reliability. The resulted reliability imp rovement, if combined with typical calculation methods like Weibull analysis, delivers an increase in predicted lifetime considering the intended modification. As demonstration subje ct, a change of the manufacturing process of the cylinder block hub in an axial piston pump is used. The effect to the lifetime is predicted via the FLA-method and the results are calculated with test data and compared to theoretical results. The paper shows that the methodology delivers highly accurate results providing that the FLA is a powerful tool to analyze design changes as weil as new designs in regard to reliability and lifetime. The benefit for the user of this methodology will hence be more reliable products with optimized designs tobest fulfil customer's performance requirements.

Im Rahmen der Arbeit wird eine Simulationsmethodik auf Grundlage der elastischen Mehrkörpersimulation dargestellt, welche eine Prognose des Körperschallverhaltens eines Bahnantriebs in einem Frequenzbereich bis 1 kHz ermöglichen soll. Randbedingung in der Modellbildung ist die Anwendbarkeit des Verfahrens im Entwicklungsprozess. Die vorgestellte Modellbildung der Anregung erfolgt für die mechanische Geräuschanregung aus den Zahneingriffen im Achsgetriebe. Für die Identifizierung dominanter Körperschallquellen wurde der Innenraumschall eines aktuellen Regionalzuges experimentell untersucht und ausgewertet. Weiterhin wurde das Schwingungsverhalten des Antriebsstrangs in einer Prüfstandsumgebung gemessen. Anhand der experimentellen Ergebnisse ist ein systematischer Vergleich zwischen Messung und Berechnung über dem gesamten Betriebsfeld des Antriebsstrangs möglich. Ein umfangreicher Messung-Rechnung-Vergleich der verzahnungsbedingten Anregungsfrequenzen zwischen gemessenen Oberflächenbeschleunigungen am Antrieb und den Berechnungsergebnissen zeigen eine akzeptable qualitative Übereinstimmung über dem Betriebsfeld. Die Anwendung des Berechnungsmodells für die akustische Auslegung des Antriebs ist somit möglich. Im Detail ergeben sich jedoch deutliche quantitative Abweichungen der Schwingwerte für einzelne Betriebspunkte. Sowohl die Analyse verschiedener Modellvarianten als auch eine Sensitivitätsstudie zeigen auf, dass die Modellbildung der Wälzlager, die Modellbildung und Parametrierung der Verzahnungsanregung und die Modellierung der Antriebswelle großen Einfluss auf die Ergebnisse haben und Ansatzpunkte für eine Verbesserung des Modells liefern.:1.1 Motivation 1.2 Problemstellung 1.3 Zielsetzung 1.4 Lösungsansatz und Abgrenzung 1.5 Wissenschaftliche Fragestellung und Gliederung der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Historische Entwicklung der Modellbildung 2.2 Entwicklung von Mehrkörperformalismen 2.3 Berechnung von Antrieben mittels Mehrkörpersimulation 2.4 Analyse aktueller Ansätze der Körperschallberechnung mittels EMKS 2.5 Zusammenfassung und Bewertung 3 Modellbildung für die Körperschallberechnung 3.1 Modellbildung dynamischer Systeme 3.2 Finite-Elemente-Methode 3.3 Elastische Mehrkörpersysteme 3.4 Lineare Modellordnungsreduktion 3.5 Zeitschrittintegrationsverfahren 3.6 Sensitivitätsanalyse 4 Grundlagen der Akustik 41 4.1 Einführung 4.2 Akustik des Schienenfahrzeugs 4.3 Akustik von Zahnradgetrieben 4.4 Akustik von elektrischen Maschinen 5 Experimentelle Untersuchung des Versuchsfahrzeugs 5.1 Fragestellungen an die experimentelle Untersuchung 5.2 Versuchsablauf und Messgrößen 5.3 Messunsicherheit und Störeinflüsse 5.4 Untersuchte Fahrzyklen 5.5 Analyse des Innenraumgeräuschs 5.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 6 Experimentelle Untersuchung am Antriebsprüfstand 6.1 Fragestellungen an die experimentelle Untersuchung 6.2 Wahl der Beurteilungsgröße zur Körperschallcharakterisierung 6.3 Aufbau des untersuchten Antriebsstrangs 6.4 Versuchsaufbau und Messgrößen 6.5 Wendebetrieb und Drehrichtungsdefinition 6.6 Messunsicherheit und Störeinflüsse 6.7 Untersuchte Betriebsszenarien 6.8 Analyse der instationären Betriebszustände 6.9 Analyse der stationären Betriebszustände 6.10 Resonanzerscheinungen der Verzahnungsanregung bis 1000 Hz 6.11 Zusammenfassung der Ergebnisse 7 Aufbau des Berechnungsmodells 7.1 Zielstellung der Modellbildung 7.2 Anmerkung zur Wahl der Simulationsumgebung 7.3 Mehrkörpersimulation im erweiterten Frequenzbereich 7.4 Erläuterungen der Modelltopologie und Submodelltechnik 7.5 Modellierung der Wuchtgüte 7.6 Modellierung der Verzahnungsanregung 7.7 Modellierung der Elastomerelemente 7.8 Modellierung der Wälzlager 7.9 Modellierung der Wellen 7.10 Erstellungsprozess eines elastischen Körpers 7.11 Modellierung des Antriebsgehäuses als Finite-Elemente Modell 7.12 Experimentelle Modalanalyse am Antriebsgehäuse und Modellkorrelation 7.13 Anbindungsmodellierung am Beispiel des Antriebsgehäuses 7.14 Modellordnungsreduktion am Beispiel des Antriebsgehäuses 7.15 Verwendete Eigenmoden für die elastischen Körper 7.16 Dämpfungsparameter der elastischen Körper 7.17 Modellierung der Hohlwelle 7.18 Anmerkung zur Lasteinleitung und zum Prüfstandseinfluss 8 Analyse des Berechnungsmodells 8.1 Fragestellungen an die Analyse des Berechnungsmodells 8.2 Referenzmodellierung und Referenzlastfälle 8.3 Eigenschaften des Systemverhaltens und Plausibilitätskontrolle 8.4 Parametereinfluss der Zeitschrittintegration 8.5 Ausgewählte Sensitivitätsanalysen 9 Vergleich von Messung und Simulation 9.1 Vorgehen in der Beurteilung 9.2 Untersuchte Modellvarianten 9.3 Qualitativer Vergleich des Betriebsverhaltens 9.4 Quantitativer Vergleich stationärer Betriebszustände 9.5 Quantitativer Vergleich instationärer Betriebszustände 9.6 Zusammenfassung und Beurteilung 10 Zusammenfassung und Ausblick

In der Projektierungsphase eines Elektrofahrzeugs entstehen optimale Antriebskonfigurationen erst durch die gezielte Kombination der einzelnen Antriebskomponenten. Um technisch vorteilhafte Auslegungszusammenhänge zu erkennen, ist eine systematische Untersuchung der Auslegungsfreiheitsgrade erforderlich. Diese Freiheitsgrade ergeben sich v. a. aus der Wahl der Auslegungsparameter, der Komponententypen und der Antriebstopologien. In diesem Artikel wird gezeigt, wie bereits in einer frühen Entwicklungsphase energieeffiziente Antriebskonfigurationen für Elektrofahrzeuge durch analytische Methoden identifiziert werden. Diese Methoden basieren grundsätzlich auf physikalischen Modellen und frei zugänglichen Datenblattangaben der Komponenten, die v. a. Energiespeicher, Wechselrichter, Elektromotor und Getriebe umfassen. Mithilfe dieser Methoden lässt sich der energetische Vergleich der zahlreichen Antriebskonfigurationen ohne großen Zeitaufwand durchführen. Die Ergebnisse führen schließlich zu einem informativen Auswahldiagramm, mit welchem aussagekräftige Prognosen zu den energieeffizienten Konfigurationen für beliebige Fahrprofile getroffen werden. / Optimal powertrain configurations develop only through the specific combination of individual powertrain components during the project planning phase of an electric vehicle. In order to identify the technically beneficial design correlations, a systematic investigation of the degrees of freedom in the powertrain design is necessary. The degrees of freedom arise primarily from the selection of design parameters, component types, and drive topologies. This article shows how energy-efficient powertrain configurations of electric vehicles can be identified at an early stage of development using analytical methods. These methods are based on physical models and freely available component data sheets. The components include a battery, inverter, electric motor, and gearbox. With these methods, the energy efficiency of various powertrain configurations can be evaluated quickly. The evaluation leads to an informative selection diagram, which allows forecasting energy-efficient configurations for different driving profiles.

Gekoppelte Umlaufrädergetriebe bilden den Antriebsstrang von Orbital- Bearbeitungsmaschinen (OBM). Aufgrund der Variantenzahl einsetzbarer Umlaufrädergetriebekombinationen ist die konstruktive Auslegung dieser Antriebsstränge anspruchsvoll. Der Vortrag liefert unter Verwendung der Mehrkörpersimulation (Software: SIMULATION X) einen Beitrag einer systematischen Herangehensweise zur Ermittlung wesentlicher Eingangsgrößen der komplexen Getriebedimensionierung. Aussagen über wirksame Drehmomente, Drehzahlen, Verzahnungskräfte und Verlagerungen des TCP unter spezieller Betrachtung des dynamischen Systemverhaltens der Antriebsstränge werden getroffen. Variantenrechnungen ermöglichen zudem den Vergleich verschiedener Getriebe- und Maschinenelementkonfigurationen. Vertiefend wird auf die erweiterte Modellierung der Besonderheiten der Getriebearchitektur mit spielbehafteten, gekoppelten Umlaufrädergetriebe und diverser Maschinenelemente, z.B. Hauptspindellagerung oder Wälzschraubtriebe, eingegangen. Maßnahmen der Modellvereinfachung mit dem Ziel reduzierter Rechenzeiten bei erhöhter Modellrobustheit werden dargestellt. Richtlinien der Modellverifikation sowie Konstruktionsvorgaben für den getriebebasierten Nebenantriebsstrang werden abschließend geschlussfolgert.

Diese Arbeit setzt sich mit der Gesamtheit des Antriebsstrangs vom Brennstoffzellen-Modul bis zum Rad auseinander. Hierfür wird das Verhalten der Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle als Einzelzelle und zusammengeschalten als Stack mithilfe eines vereinfachten Greybox-Modells in MATLAB/Simulink® beschrieben. Das Modell, welches zudem an ein idealisiertes aber aussagekräftiges Antriebsstrangmodell gekoppelt ist, erlaubt die Auslegung der Antriebskomponenten für konkrete Betriebsszenarien unter Variation der zu- und abgeführten Medien sowie der Zustandsgrößen Temperatur und Druck. Simulierte Drehmomentverläufe im berechneten Motorkennfeld mit effektivem Arbeitspunkt, Zwischenkreisspannungen und auftretende Verluste in den elektrischen Komponenten bieten die Grundlage, um bereits in der Entwicklungsphase das Zusammenwirken der Antriebskomponenten abzuschätzen und den Antriebsstrang für ein Demonstratorfahrzeug auslegen zu können. / This work addresses the entirety of the powertrain from the fuel cell module to the wheel. For this purpose, the behaviour of the low-temperature polymer electrolyte fuel cell as a single cell and assembled as a stack is described using a simplified greybox model in MATLAB/Simulink®. The model, which is also coupled to an idealized but conclusive powertrain model, allows the design of the powertrain components by varying the media supplied and discharged as well as the state variables temperature and pressure. Simulated torque progressions in the calculated engine characteristics with the effective operating point, DC link voltages and losses occurring in the electrical components provide the basis for estimating the interaction of the powertrain components in the development phase and for dimensioning the powertrain for a demonstrator vehicle.

In the present work a simulation model for examining the fundamental dynamic behaviour of a servo driven powertrain is developed. This powertrain consists of a permanent magnet synchronous motor, a cycloidal gearbox and a torque motor to apply a load. On basis of this model the selection of components for the design of a test rig is possible. This leads to the constructive draft of the test rig. In order to model the system, the fundamentals give a brief overview of the components incorporated in the test rig system. With ais of the specified task the simulation purpose is defined and the modelling process enabled. The subsequent system analysis is performed intensively to decompose the system into subsystems, which are then investigated to find the optimal modelling approach for the given simulation task. Particular emphasis is put on the investigation of the cycloidal gearbox subsystem and it shows, that approaches for modelling the dynamic behaviour of the gearbox as a whole have only been published partially. Therefore, the available modelling approaches are analysed and suitable models are developed as conceptual models. Those will be formalised and implemented in Matlab/Simulink. The model is verified and simulation experiments are performed, that help in the selection of suitable test rig components. On basis of a flexible test rig, finally the constructive draft is presented.

Die erste Chemnitzer Brennstoffzellenkonferenz wurde vom Innovationscluster HZwo und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU durchgeführt. Ausgewählte Fachbeiträge und Präsentationen werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. / The first fuel cell conference was initiated by the innovation cluster HZwo and the Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology. Selected lectures and presentations are published in the conference proceedings.

In the present work a simulation model for examining the fundamental dynamic behaviour of a servo driven powertrain is developed. This powertrain consists of a permanent magnet synchronous motor, a cycloidal gearbox and a torque motor to apply a load. On basis of this model the selection of components for the design of a test rig is possible. This leads to the constructive draft of the test rig. In order to model the system, the fundamentals give a brief overview of the components incorporated in the test rig system. With ais of the specified task the simulation purpose is defined and the modelling process enabled. The subsequent system analysis is performed intensively to decompose the system into subsystems, which are then investigated to find the optimal modelling approach for the given simulation task. Particular emphasis is put on the investigation of the cycloidal gearbox subsystem and it shows, that approaches for modelling the dynamic behaviour of the gearbox as a whole have only been published partially. Therefore, the available modelling approaches are analysed and suitable models are developed as conceptual models. Those will be formalised and implemented in Matlab/Simulink. The model is verified and simulation experiments are performed, that help in the selection of suitable test rig components. On basis of a flexible test rig, finally the constructive draft is presented.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Procedure 2 Fundamentals 2.1 Definitions 2.2 Modelling 2.3 Servo Drive 2.3.1 Introduction 2.3.2 Permanent Magnet Synchronous Motor 2.3.3 Servo Inverter 2.3.4 Control System 2.4 Torque Motor 2.5 Gearbox 3 Specified Task 4 System Analysis 4.1 Introduction 4.2 Servo Inverter 4.3 Control System 4.4 Servo Motor 4.5 Transmission Elements 4.6 Cycloidal Gearbox 5 Model Formalisation 5.1 Introduction 5.2 Servo Inverter 5.3 Control System 5.4 Servo Motor 5.5 Transmission Elements 5.6 Cycloidal Gearbox 6 Model Implementation 6.1 Introduction 6.2 Servo Inverter 6.3 Control System 6.4 Servo Motor 6.5 Transmission Elements 6.6 Cycloidal Gearbox 7 Simulation 7.1 Introduction 7.2 Solver 7.3 Verification 7.4 System Evaluation 7.4.1 Sensitivity Analysis 7.4.2 Stability Analysis 8 Design of the Test Rig 8.1 Selection of the components 8.2 Constructive Draft 9 Summary and Outlook

The transport sector contributes significantly to global energy use and emissions due to its traditional dependency on fossil fuels. Climate change, security of energy supply and increasing mobility demand is mobilising governments around the challenges of sustainable transport. Immediate opportunities to reduce emissions exist through the adoption of new bus technologies, e.g. advanced powertrains. This thesis analysed energy use and carbon dioxide (CO2) emissions of conventional, hybrid-electric, and plug-in hybrid-electric city buses including two-axle, articulated, and biarticulated chassis types (A total of 6 bus types) for the operation phase (Tank-to-Wheel) in Curitiba, Brazil. The systems analysis tool – Advanced Vehicle Simulator (ADVISOR) and a carbon balance method were applied. Seven bus routes and six operation times for each (i.e. 42 driving cycles) are considered based on real-world data. The results show that hybrid-electric and plug-in hybrid-electric two-axle city buses consume 30% and 58% less energy per distance (MJ/km) compared to a conventional two-axle city bus (i.e. 17.46 MJ/km). Additionally, the energy use per passenger-distance (MJ/pkm) of a conventional biarticulated city bus amounts to 0.22 MJ/pkm, which is 41% and 24% lower compared to conventional and hybrid-electric two-axle city buses, respectively. This is mainly due to the former’s large passenger carrying capacity. Large passenger carrying capacities can reduce energy use (MJ/pkm) if the occupancy rate of the city bus is sufficient high. Bus routes with fewer stops decrease energy use by 10-26% depending on the city bus, because of reductions in losses from acceleration and braking. The CO2 emissions are linearly proportional to the estimated energy use following from the carbon balance method, e.g. CO2 emissions for a conventional two-axle city bus amount to 1299 g/km. Further results show that energy use of city bus operation depends on the operation time due to different traffic conditions and driving cycle characteristics. An additional analysis shows that energy use estimations can vary strongly between considered driving cycles from real-world data. The study concludes that advanced powertrains with electric drive capabilities, large passenger carrying capacities and bus routes with a fewer number of bus stops are beneficial in terms of reducing energy use and CO2 emissions of city bus operation in Curitiba.