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Magnetically Actuated Hybrid Brake for Autonomous, Electrified Vehicles

Guckes, Lennart (2023)
Magnetically Actuated Hybrid Brake for Autonomous, Electrified Vehicles.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023138
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Autonomous driving, the electrification of the powertrain and the reduction of emissions are three major development trends in today’s automotive industry. New mobility solutions such as electrified, autonomous shuttles for transporting people and goods in cities are being conceived and require a change of view in development, not only on the software level but also on chassis components. For braking systems, there are changes in the requirements for these vehicles. Existing test specifications for the performance of wheel brakes for passenger cars are primarily designed for the worst-case scenarios that can be caused by a human driver. Based on a stakeholder analysis as well as a use-case consideration new requirements are generated and new test specifications are developed, which are tailored to autonomous shuttles. Especially the restriction of the Operational Design Domain of the autonomous shuttle results in significantly lower thermal requirements for the wheel brake compared to conventional passenger cars. Nevertheless, high braking torques are still required due to high vehicle masses and the scenario of non-availability of the regenerative brake. Based on the identified requirements and development goals from the analysis, the solution space of braking systems in the state of the art is considered and the suitability of different brake concepts is discussed. Although current hydraulic concepts for passenger cars meet the dynamic and thermal requirements, they have little potential for reducing emissions and tend to corrode due to the increasing duration between actuations when regenerative brakes are in use. As an alternative, the focus of development lies on electromechanical concepts for individual wheel brake modules with electromotive actuation, which in the event of a fault only leads to the failure of one of four wheel brakes. Previous concepts of electromotively actuated brakes show a development conflict in the fact that many gear stages are necessary due to the high transmission ratios, which show a high efficiency variance over temperature due to their lubricants. In the concept space of electromechanical actuators, electromagnets can be found in addition to electric motors. However, only a few concept studies have been published regarding the state of the art and research, although electromagnetic actuation promises some advantages over electromotive actuation. These include less complex actuation, smaller installation space, and less mechanical complexity. Due to the revealed gap in the state of the art, an electro-magnetic concept is selected to be investigated for its suitability as a wheel brake for an autonomous shuttle. For this purpose, either holding magnets or solenoids can be used as actuators, with holding magnets promising significantly higher magnetic forces at small air gaps. For the investigations, a first design of a drum brake actuated by a holding magnet is prototypically realized. The concept comprises a combination of a magnetically actuated solid disc brake with a downstream duplex drum brake. The interconnection of the two brakes promises the utilization of the wheel rotation angle for actuation of the drum brake and a redundant actuator design through the use of two excitation coils in the mag-netic disc brake. To evaluate the suitability of the concept, actuator forces, dynamics, total torques and disc brake torques are measured in operation. The largest deviations from the design considerations occur in the torque curve of the brake over speed, which are investigated in more detail using a hypothesis- and test-based approach. In addition to investigations into the influence of magnetic field weakening effects, such as eddy currents, the coefficient of friction of the friction partners on the holding magnet actuator is also determined and identified as the main cause of the torque drop. A dependence on both the velocity and the axial force is examined. The investigation of the torque hysteresis of the overall braking system shows the difficulty in setting small torques, since the magnet has a high current demand to pass the initial air gap, which then generates medium torques when it hits the disc. A proposal for control by means of a current pre-control is also being tested and evaluated. Through the investigations carried out, the development conflict in the use of a holding-magnetic actuator concept for the actuation of a wheel brake is recorded, and through the hypothesis-based approach the causal effect of the torque drop is identified. The realized magnetic actuator concept fulfills the requirements for dynamics and the wish for low-emission, compact braking concepts, but does not achieve the required braking torques over the entire operating range of an autonomous shuttle. In the outlook a proposed conceptual solution of actuation by means of solenoid actuators is discussed, which promises to solve the described development conflict, but in turn requires a higher transmission ratio due to the lower force potential.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Guckes, Lennart
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Magnetically Actuated Hybrid Brake for Autonomous, Electrified Vehicles
Sprache: Englisch
Referenten: Winner, Prof. Dr. Hermann ; Mayer, Prof. Dr. Ralph
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: XVI, 96 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 25 Januar 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023138
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23138
Kurzbeschreibung (Abstract):

Autonomous driving, the electrification of the powertrain and the reduction of emissions are three major development trends in today’s automotive industry. New mobility solutions such as electrified, autonomous shuttles for transporting people and goods in cities are being conceived and require a change of view in development, not only on the software level but also on chassis components. For braking systems, there are changes in the requirements for these vehicles. Existing test specifications for the performance of wheel brakes for passenger cars are primarily designed for the worst-case scenarios that can be caused by a human driver. Based on a stakeholder analysis as well as a use-case consideration new requirements are generated and new test specifications are developed, which are tailored to autonomous shuttles. Especially the restriction of the Operational Design Domain of the autonomous shuttle results in significantly lower thermal requirements for the wheel brake compared to conventional passenger cars. Nevertheless, high braking torques are still required due to high vehicle masses and the scenario of non-availability of the regenerative brake. Based on the identified requirements and development goals from the analysis, the solution space of braking systems in the state of the art is considered and the suitability of different brake concepts is discussed. Although current hydraulic concepts for passenger cars meet the dynamic and thermal requirements, they have little potential for reducing emissions and tend to corrode due to the increasing duration between actuations when regenerative brakes are in use. As an alternative, the focus of development lies on electromechanical concepts for individual wheel brake modules with electromotive actuation, which in the event of a fault only leads to the failure of one of four wheel brakes. Previous concepts of electromotively actuated brakes show a development conflict in the fact that many gear stages are necessary due to the high transmission ratios, which show a high efficiency variance over temperature due to their lubricants. In the concept space of electromechanical actuators, electromagnets can be found in addition to electric motors. However, only a few concept studies have been published regarding the state of the art and research, although electromagnetic actuation promises some advantages over electromotive actuation. These include less complex actuation, smaller installation space, and less mechanical complexity. Due to the revealed gap in the state of the art, an electro-magnetic concept is selected to be investigated for its suitability as a wheel brake for an autonomous shuttle. For this purpose, either holding magnets or solenoids can be used as actuators, with holding magnets promising significantly higher magnetic forces at small air gaps. For the investigations, a first design of a drum brake actuated by a holding magnet is prototypically realized. The concept comprises a combination of a magnetically actuated solid disc brake with a downstream duplex drum brake. The interconnection of the two brakes promises the utilization of the wheel rotation angle for actuation of the drum brake and a redundant actuator design through the use of two excitation coils in the mag-netic disc brake. To evaluate the suitability of the concept, actuator forces, dynamics, total torques and disc brake torques are measured in operation. The largest deviations from the design considerations occur in the torque curve of the brake over speed, which are investigated in more detail using a hypothesis- and test-based approach. In addition to investigations into the influence of magnetic field weakening effects, such as eddy currents, the coefficient of friction of the friction partners on the holding magnet actuator is also determined and identified as the main cause of the torque drop. A dependence on both the velocity and the axial force is examined. The investigation of the torque hysteresis of the overall braking system shows the difficulty in setting small torques, since the magnet has a high current demand to pass the initial air gap, which then generates medium torques when it hits the disc. A proposal for control by means of a current pre-control is also being tested and evaluated. Through the investigations carried out, the development conflict in the use of a holding-magnetic actuator concept for the actuation of a wheel brake is recorded, and through the hypothesis-based approach the causal effect of the torque drop is identified. The realized magnetic actuator concept fulfills the requirements for dynamics and the wish for low-emission, compact braking concepts, but does not achieve the required braking torques over the entire operating range of an autonomous shuttle. In the outlook a proposed conceptual solution of actuation by means of solenoid actuators is discussed, which promises to solve the described development conflict, but in turn requires a higher transmission ratio due to the lower force potential.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Autonomes Fahren, die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und die Senkung der Emissionen sind drei große Entwicklungstrends in der Automobilindustrie. Neue Mobilitätslösungen wie beispielsweise elektrifizierte, autonome Shuttles zum Personen- und Gütertransport in Städten werden erdacht und fordern ein entwicklungstechnisches Umdenken nicht nur softwareseitig, sondern auch auf der Fahrwerksseite. Für Bremssysteme ergeben sich für diese Fahrzeuge Änderungen in den Anforderungen. Bestehende Testspezifikationen zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit einer Pkw Radbremse sind vor allem auf Extremfälle ausgelegt, welche von einem menschlichen Fahrer ausgelöst werden können. Anhand einer Stakeholder Analyse sowie einer Use-Case Betrachtung werden im Rahmen der Arbeit Anforderungen spezifiziert und in neuen Testvorschriften umgesetzt, die auf autonome Shuttles zugeschnitten sind. Besonders die Einschränkung des Einsatzgebietes im Rahmen der Operational Design Domain des autonomen Shuttles bedingt wesentlich geringere thermische Anforderungen an die Radbremse im Vergleich zum konventionellen Pkw. Dennoch werden aufgrund der hohen Fahrzeugmassen und dem Szenario der Nichtverfügbarkeit der regenerativen Bremse hohe Bremsmomente gefordert. Anhand der identifizierten Anforderungen und Entwicklungsziele aus der Analyse wird der Lösungsraum der Bremssysteme im Stand der Technik durchsucht und die Eignung verschiedener Wirkprinzipien diskutiert. Bisherige hydraulische Konzepte für Pkw erfüllen zwar die dynamischen und thermischen Anforderungen, bergen aber wenig Potential zur Emissionsminderung und neigen zu Korrosionen durch die steigende Dauer zwischen den Betätigungen bei Verwendung der regenerativen Bremse. Als Alternative stehen vor allem elektromechanische Konzepte im Fokus der Entwicklung für einzelne Radbremsmodule mit elektromotorischer Betätigung, welche in einem Fehlerfall nur zum Ausfall einer der vier Radbremsen führen. Bisherige Konzepte elektromotorisch betätigter Bremsen zeigen einen Entwicklungskonflikt darin, dass wegen der nötigen, hoch übersetzenden Getriebe viele Getriebestufen nötig sind, die aufgrund der verwendeten Schmierstoffe eine hohe Wirkungsgradvarianz über der Temperatur besitzen. Im Lösungsraum der elektromechanischen Aktoren sind neben den Elektromotoren auch Elektromagneten zu finden. Im Stand der Technik und der Forschung sind jedoch nur wenige Konzeptuntersuchungen veröffentlicht, obwohl eine elektromagnetische Betätigung im Gegensatz zu einer elektromotorischen einige Vorteile verspricht. Unter anderem sind dies eine weniger komplexe Ansteuerung, geringerer Bauraum, sowie eine geringere mechanische Komplexität. Aufgrund der offenbarten Lücke im Stand der Forschung wird ein elektromagnetisches Konzept ausgewählt, um es auf seine Eignung als Radbremse für ein autonomes Shuttle zu untersuchen. Dafür lassen sich als Aktoren entweder Haftmagneten oder Hubmagneten einsetzen, wobei Haftmagneten wesentlich höhere Magnetkräfte versprechen. Zur Untersuchung wird eine erste Auslegung einer mit einem Haftmagneten betätigten Trommelbremse prototypisch realisiert. Das Konzept umfasst eine Kombination einer haftmagnetisch betätigten Vollbelagsscheibenbremse mit einer nachgeschalteten Trommelbremse in Duplex Bauform. Die Verschaltung der beiden Bremsen verspricht eine Ausnutzung des Raddrehwinkels zur Betätigung der Trommelbremse und eine redundante Aktorausführung durch die Verwendung von zwei Erregerspulen in der magnetischen Scheibenbremse. Für den Nachweis der Eignung des Konzepts werden Aktorkräfte, Dynamik, Gesamtbremsmomente und Scheibenbremsmomente des Konzepts im Betrieb untersucht. Die größten Abweichungen zur Modellvorstellung treten im Momentenverlauf der Bremse über der Drehzahl auf, welche mittels eines hypothesen- und testbasierten Vorgehens näher untersucht werden. Neben Untersuchungen bezüglich des Einflusses von magnetfeldschwächenden Effekten, wie beispielsweise Wirbelströmen, wird auch der Reibwert der Reibpartner am Haftmagnetaktor bestimmt und als Hauptursache für die Momentenabnahme identifiziert. Es zeigt sich eine Abhängigkeit sowohl von der Drehzahl als auch von der erreichten Axialkraft. Die beteiligten Reibpartner übernehmen sowohl die Funktion der Feldführung als auch der Reibkrafterzeugung. Der zur Feldführung notwendige Reibkontakt zwischen metallischer Scheibe und metallischem Magnetjoch zeigt einen großen Einfluss auf den Reibwert des Scheibenbremssystems. Die Untersuchung der Hysterese des Gesamtbremssystems zeigt die Schwierigkeit beim Stellen kleiner Momente, da der Magnet zum Durchfahren des Initialluftspalts einen hohen Strombedarf hat, der beim Auftreffen auf die Scheibe bereits mittlere Momente erzeugt. Ein Vorschlag zur Aktuierung mittels einer Stromvorsteuerung wird ebenfalls getestet und bewertet. Durch die getätigten Untersuchungen ist der Entwicklungskonflikt bei der Verwendung eines haftmagnetischen Aktorkonzepts zur Betätigung einer Radbremse messtechnisch erfasst und durch das hypothesenbasierte Vorgehen wird der ursächliche Effekt der Momentenabnahme identifiziert. Das realisierte Haftmagnetkonzept erfüllt die Anforderungen an die Dynamik und den Wunsch nach emissionsarmen, kompakten Bremskonzepten, erreicht jedoch nicht die geforderten Bremsmomente über den gesamten Betriebsbereich eines autonomen Shuttles. Im Ausblick wird ein konzeptueller Lösungsvorschlag einer Betätigung mittels Hubmagnetaktorik diskutiert, der den erfassten Entwicklungskonflikt zu lösen verspricht, aber wegen des geringeren Kraftpotentials wiederum einen höheren Übersetzungsbedarf aufweist.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-231381
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet Fahrzeugtechnik (FZD)
Hinterlegungsdatum: 15 Feb 2023 13:08
Letzte Änderung: 16 Feb 2023 06:14
PPN:
Referenten: Winner, Prof. Dr. Hermann ; Mayer, Prof. Dr. Ralph
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 25 Januar 2023
Export:
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