TU Darmstadt / ULB / TUprints

Road Load Determination in a Wind Tunnel

Vogeler, Isabell (2021):
Road Load Determination in a Wind Tunnel. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00019370,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Road Load Determination in a Wind Tunnel
Language: English
Abstract:

The present study contains a detailed analysis of the road load of a vehicle, the single road load components and their most important influencing factors. Furthermore, two different methods are described in detail, which are allowed by law. The first method uses coastdown runs on a proving ground, to determine the road load of a vehicle. This method is called coastdown method. However, the result quality using this method strongly depends on environmental influencing factors, but also on the road surface conditions. With the inception of WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) in September 2017, it is now possible for the first time to determine the vehicle road load using the so-called wind tunnel method. According to this method, the aerodynamic drag is measured in the wind tunnel and the remaining components are determined using a flat belt dynamometer. At the beginning of this study, the flat belt dynamometer of the BMW Group was just in commissioning. Therefore, the test procedure and the influencing factors on the determined road load, such as test bench temperature, vehicle position at the test bench, tyre inflation pressure and the additional airstream of the cooling fan, are initially investigated in detail. Due to this analysis, it was found that an additional correction factor is necessary for the wind tunnel method, to simulate the road load existing on a real road. Therefore, the so-called wind tunnel method extended was developed, which contains a further rolling resistance correction factor to simulate this. Moreover, Untermaierhofer, Petz and Vogeler developed a measurement method which enables the separation of the measurement result of the flat belt dynamometer into its two components rolling resistance and drivetrain losses with one single measurement using a custom-built torque meter. Thus, this method can be used to analyze and develop different vehicle components in vehicle installation position with the flat belt dynamometer in more detail. Furthermore, the possibility to determine the total road load of a vehicle in a wind tunnel was investigated. With the newly developed AEROLAB method it is possible to determine the road load of a vehicle excluding the residual brake forces using the AEROLAB wind tunnel of the BMW Group. In this study, the missing residual brake forces are determined using the flat belt dynamometer. It is shown that, in contrast to the wind tunnel method, no further correction factor is necessary using the AEROLAB method, to simulate the absolute value of the vehicle road load determined by the coastdown method on a proving ground. It is pointed out that mainly the lower tyre tread temperatures and transmission oil temperatures as well as an additional wheel ventilation resistance are responsible for the higher road load measured with the AEROLAB method. The measurement of the missing residual brake forces in the wind tunnel is not possible at present, because extensive constructional measures would be necessary initially. If these were implemented, it would be possible to determine the total road load of a vehicle under laboratory conditions at one single test bench for the first time. From a business perspective, using this method represents a potential to reduce test bench and proving ground booking times as well as vehicle transportation. The total analysis of the road load determination according to these methods is completed with an error calculation using GUM (Guide to the expression of Uncertainty in Measurement).

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die vorgestellte Arbeit beinhaltet eine detaillierte Analyse des Fahrwiderstands, der einzelnen Fahrwiderstandskomponenten und deren größten Einflussfaktoren. Anschließend werden zwei aktuell gesetzlich erlaubte Methoden zur Fahrwiderstandsermittlung im Detail beschrieben. Die erste Methode ermöglicht die Fahrwiderstandsermittlung auf einer Teststrecke durch sogenannte Ausrollversuche (Coastdown method). Die Ergebnisqualität dieser Methode ist jedoch stark von Umwelteinflüssen aber auch von der Beschaffenheit des Straßenbelags abhängig. Mit der Einführung von WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) im September 2017 ist es erstmalig möglich, den Fahrwiderstand auch unter Laborbedingungen nach der sogenannten Wind tunnel method zu bestimmen. Dabei werden der Luftwiderstand im Windkanal und die restlichen Fahrwiderstandskomponenten auf einem Flachbahnprüfstand bestimmt. Zu Beginn dieser Arbeit befand sich der Flachbahnprüfstand der BMW Group in der Inbetriebnahme, weshalb zunächst das Messprinzip und die einzelnen Einflussgrößen auf den gemessenen Fahrwiderstand, wie Prüfstandstemperatur, Fahrzeugausrichtung auf dem Prüfstand, Reifenfülldruck und die zusätzliche Anströmung durch das Fahrtwindgebläse, genauer untersucht wurden. Im Zuge dieser Analyse zeigte sich, dass ein zusätzlicher Korrekturfaktor nötig ist, um den Straßenfahrwiderstand korrekt abzubilden. Aus diesem Grund wurde eine erweiterte Methode (Wind tunnel method extended) entwickelt, die einen weiteren Rollwiderstandskorrekturfaktor beinhaltet, um dies darzustellen. Des Weiteren wurde durch Untermaierhofer, Petz und Vogeler eine Messmethodik entwickelt, die mit Hilfe eines speziell entwickelten Drehmomentmessflansches das Messergebnis des Flachbahnprüfstandes mit nur einer einzigen Messung in seine beiden Anteile, Roll- und Antriebsstrangwiderstand, zerlegt. Dies ermöglicht eine detaillierte Analyse und Entwicklung von verschiedenen Fahrzeugkomponenten in Fahrzeugeinbaulage am Flachbahnprüfstand. Unabhängig davon wurde die Möglichkeit untersucht, den Fahrwiderstand ganzheitlich im Windkanal zu bestimmen. Bei der dafür neu entwickelten AEROLAB method kann der Fahrwiderstand eines Fahrzeugs abzüglich der Restbremskräfte im AEROLAB Windkanal der BMW Group bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die fehlenden Restbremskräfte auf dem Flachbahnprüfstand gemessen. Es zeigte sich, dass die AEROLAB method im Gegensatz zu der Wind tunnel method keine weitere Rollwiderstandskorrektur benötigt, um das Absolutniveau des durch Ausrollversuche bestimmten Fahrwiderstands abzubilden. Wie sich herausstellte, hängt dies mit anderen Randbedingungen bei der AEROLAB method zusammen. Es konnte gezeigt werden, dass hauptsächlich niedrigere Reifenlaufflächen- und Getriebetemperaturen sowie ein zusätzlicher Felgenventilationswiderstand bei der AEROLAB method zu einem höheren Fahrwiderstand führen als bei der Wind tunnel method extended. Die Darstellung der fehlenden Restbremskräfte im Windkanal ist aktuell nicht möglich, da dies umfangreiche, bauliche Maßnahmen nach sich ziehen würde. Bei einer Umsetzung wäre es jedoch erstmals möglich, den Fahrwiderstand gesamthaft unter Laborbedingungen in einem einzigen Prüfstand zu ermitteln. Aus unternehmerischer Sicht birgt diese Methode Potenziale, bezogen auf die Reduktion von Prüfstands- und Streckenbuchungszeiten, sowie eine Reduktion von Fahrzeugtransporten. Abschließend wurden die verschiedenen Methoden bezüglich einer statistischen Fehlerrechnung nach GUM (Guide to the expression of Uncertainty in Measurement) verglichen und bewertet.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 268 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Fluid Mechanics and Aerodynamics (SLA)
Date Deposited: 06 Sep 2021 12:02
Last Modified: 06 Sep 2021 12:02
DOI: 10.26083/tuprints-00019370
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-193704
Referees: Schütz, Hon.-Prof. Thomas ; Tropea, Prof. Dr. Cameron ; Winner, Prof. Dr. Hermann
Refereed: 5 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19370
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