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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs Simcenter Symposium 2017 Dr. Oliver Kaufmann Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 1

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Optimierung eines Busgetriebes zur

Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs

Simcenter Symposium 2017

Dr. Oliver Kaufmann

Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 1

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs – Agenda

• Kurze Vorstellung Voith Turbo

• Motivation & Ausgangssituation: Systemsimulation in der Getriebeentwicklung

• Vom Getriebe zum Gesamtsystem – Das Referenzmodell

• Die Erweiterung des Referenzmodells:

Rekuperation & Bordnetz

• Ergebnisse & Ausblick

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• Kurze Vorstellung Voith Turbo

• Motivation & Ausgangssituation: Systemsimulation in der Getriebeentwicklung

• Vom Getriebe zum Gesamtsystem – Das Referenzmodell

• Die Erweiterung des Referenzmodells:

Rekuperation & Bordnetz

• Ergebnisse & Ausblick

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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4,25 Mrd. €

Umsatz

5Märkte

19.000Mitarbeiter

60In über

4,9 %

F&E-Quote In Familienbesitz seit

Voith in Zahlen

Ländern

1867

Voith – MärkteEnergie

Weltweit wird ein Viertel der Elektrizität aus

Wasserkraft mit Technologien und

Dienstleistungen von Voith erzeugt.

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Öl und Gas

Voith bietet Technologien und Dienstleistungen

für die Öl- und Gasindustrie zur Förderung,

zum Transport und zur Weiterverarbeitung

dieser Rohstoffe.

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Papier

Voith ist Partner und Wegbereiter der

Papierindustrie. Ein Großteil der weltweiten

Papierproduktion wird auf Voith-Anlagen gefertigt.

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Rohstoffe

Kupplungen, Getriebe und viele andere Voith-

Komponenten tragen dazu bei, dass wichtige

Rohstoffe jederzeit verfügbar sind.

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Transport und Automotive

Voith ist einer der führenden Anbieter von

Antriebskomponenten und Dienstleistungen

auf dem Transport- und Automotive-Markt.

Voith Turbo –

Mobility & Industry

Mechanical Engineering Heavy IndustryMining

Oil & Gas

Marine TechnologyRail VehiclesCommercial Vehicles

Chemicals & PetrochemicalsPower Generation

Mo

bilit

y

Ind

ustr

y

Ind

ustr

y

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The focus areas of the next DIWA Generation

are the integration of a central recuperation

unit, an extra gear and the separation of the

torque converter and retarder. The compact

48 V electric motor requires no additional

installation space.

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DIWA

Voith Turbo Mobility –

Produkte & Lösungen (Beispiele)

Next

Generation

11

The Turbo Retarder Clutch

VIAB is a powerful start-up

and braking system. Maximal

driving comfort and no wear –

for loads up to 250 tons.

Handling up to

250 Tons

SmartAssist and SmartMaintenance are digital service solutions. Real-time

performance information enables the driver to achieve immediate fuel

savings. Furthermore, a monitoring portal analyzes the state of the gearbox.

This enables predictive and proactive maintenance of the transmissions.

Maintenance and Services with

Digital Solutions

• DIWA-transmission for 124 OEMs all over the world

• 3 t/m generations in the market: DIWA.3E, DIWA.5,

DIWA.6

• Performance: from 700 Nm to 1900 nM, 3 / 4 gears

• Modular configuration concept (engine interface,

torque converter, angle drive, ...)

• Kurze Vorstellung Voith Turbo

• Motivation & Ausgangssituation: Systemsimulation in der Getriebeentwicklung

• Vom Getriebe zum Gesamtsystem – Das Referenzmodell

• Die Erweiterung des Referenzmodells:

Rekuperation & Bordnetz

• Ergebnisse & Ausblick

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Teilsystem Getriebe:

DIWA.6 Automatgetriebe für

Busse

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Gesamtsystem Bus:

• Kraftstoffverbrauch

• Lärmemissionen

• Verschleiß

• Fahrkomfort

Teilsystem Getriebe:

DIWA.6 Automatgetriebe für

Busse

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Analyse

Systemanforderungen

Entwurf

System

Abnahmetest

System

Integration & Test

SW HW

Analyse

&

Entwurf

IT-Anforderungen

Integration & Test

System

Integration & Test

IT Mechanik

Fertigungs-

mittelbau

Fertigung

Mechanik-Module

Fertigung

(Prototypen)

Implementierung

SW

5

4

3

2

1

6

7

8

9

SYSTEMEBENE

Anforderungen

Fahrzeugfunktionen

SUBSYSTEMEBENE

Anforderungen

Fahrzeugfunktionen

Systemfunktionen

KOMPONENTENEBENE

Anforderungen

Komponenten

(Mechanik, Hydraulik, Elektrik, SW)

Komponententests:

• Baugruppen

• Bauteile

• Funktion & Lebensdauer

Messergebnisse zum Modellabgleich

Simulationsergebnisse, wo

z.B. Messung nicht möglich

Fahrzeugtests:

• Fahrzeugfunktionen

• Freigabe-/Abnahmetests

• Verbrauchsermittlung

Getriebetests:

• Systemfunktionen

Getriebe

• Lebensdauer Getriebe

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• Kurze Vorstellung Voith Turbo

• Motivation & Ausgangssituation: Systemsimulation in der Getriebeentwicklung

• Vom Getriebe zum Gesamtsystem – Das Referenzmodell

• Die Erweiterung des Referenzmodells:

Rekuperation & Bordnetz

• Ergebnisse & Ausblick

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Automatikgetriebe DIWA.6

• Automatikgetriebe ist Hauptkomponente

des Antriebsstrangs im Bus

• Um Aussagen über das Verhalten des

Getriebes als EIN Bestandteil des

Gesamtsystems Fahrzeugs beurteilen

zu können, ist das Verständnis ALLER

wesentlichen Systeminteraktionen

notwendig

Das System Fahrzeug besteht aus vielen verschiedenen Subsystemen:

Motor, Achse, Räder, Streckenzyklus, Chassis, Fahrer, Steuerung, ...

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Umsetzung in System-Simulation:

DIWA – REFERENZMODELLMotor, Achse, Räder, Streckenzyklus, Chassis, Fahrer, Steuerung, ...

• Automatikgetriebe ist Hauptkomponente

des Antriebsstrangs im Bus

• Um Aussagen über das Verhalten des

Getriebes als EIN Bestandteil des

Gesamtsystems Fahrzeugs beurteilen

zu können, ist das Verständnis ALLER

wesentlichen Systeminteraktionen

notwendig

Das System Fahrzeug besteht aus vielen verschiedenen Subsystemen:

Automatikgetriebe DIWA.6

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Dynamischer Modell-Ansatz: Voith-Referenz Modell & Voith OEM-Modelle

M

vsoll: Sollwert → Dv: Regelabweichung

GetriebeTires/Diff.Reifen

TCU1

Tires/Diff.KupplungTires/Diff.DifferentialMotor

Tires/Diff.Fahrer

vist

v

Tires/Diff.Fahrzyklus

Stellglied: Fahr(Brems-)pedal

Stellgröße: Beschl.(Verz.-)signal

vist: Istwert

1 Transmission Control Unit

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n Mn Mn Mn M

DIWA – Referenzmodell: Einleitung

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

DIWA – Referenzmodell: Getriebe-Hardware

Motor Tires/Diff.ReifenTires/Diff.Differentialn1 M1 n2 M2

Torsionschwin-

gungsdämpfer

Kupplungen Planeten-

getriebe

Hydrodynamischer

Wandler

Abtriebswelle

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Mechanisch

Hydrodynamisch

DIWA – Referenzmodell: Getriebe-Hardware

DIWA-Gang – Leistungsverzweigung

• Leistungsfluss und Übersetzungen

• Wirkungsgrade

• Kupplungsansteuerung (Schaltungsablauf)

• Hydrodynamische Wandlung

• Retarderfunktion

• Massenträgheiten

Physikalische Modellierung:

Motor Tires/Diff.ReifenTires/Diff.Differentialn1 M1 n2 M2

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Verwendete Systembibliotheken: Schnittstellen:

• Versuch (Wirkungsgrad-Kennfelder)

• CFD-Berechnung (Wandler-

Kennfelder)

• Serie: Fahrzeugparametrierung über

Datenbank

Planetengetriebe Planetengetriebe

Hydrodynamischer

Wandler

Kupplungen CFD-

Berechnung

Wirkungsgrad-

Kennfelder

DIWA – Referenzmodell: Getriebe-Hardware

• Leistungsfluss und Übersetzungen

• Wirkungsgrade

• Kupplungsansteuerung (Schaltungsablauf)

• Hydrodynamische Wandlung

• Retarderfunktion

• Massenträgheiten

Physikalische Modellierung:

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Dynamischer Modell-Ansatz: Voith-Referenz Modell & Voith OEM-Modelle

M

vsoll: Sollwert → Dv: Regelabweichung

GetriebeTires/Diff.Reifen

TCU1

Tires/Diff.KupplungTires/Diff.DifferentialMotor

Tires/Diff.Fahrer

vist

v

Tires/Diff.Fahrzyklus

Stellglied: Fahr(Brems-)pedal

Stellgröße: Beschl.(Verz.-)signal

vist: Istwert

1 Transmission Control Unit

DIWA – Referenzmodell: Getriebe-Software

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Schaltprogramme z.B. SensoTop:

Verwendete Systembibliotheken: Schnittstellen:

• Versuch (Kennfelder)

• Serie (Schaltprogramme über

Datenbank)

DIWA – Referenzmodell: Getriebe-Software

• Leistungsfluss und Übersetzungen

• Wirkungsgrade

• Kupplungsansteuerung (Schaltungsablauf)

• Hydrodynamische Wandlung

• Retarderfunktion

• Massenträgheiten

Physikalische Modellierung:

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SensoTop Schaltprogramm:

• Ein Neigungssensor liefert

Informationen über die Topografie

• Die Kombination aus Fahrbahn-

neigung, Beladung und

Beschleunigung passt alle

Schaltpunkte automatisch an

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Schaltprogramme z.B. SensoTop:

DIWA – Referenzmodell: Getriebe-Software

Funktionalitäten:

• Schaltprogramme (Sensotop, BASP,

Fix-Punkt-SP)

• Beschleunigungslimitierung

• Momentenreduzierung während

Schaltungen (Komponentenschutz,

Komfort)

• ANS / EK-Off (Automatische

Neutralstellung, vorgezogenes ANS

durch Ausschalten EK)

• Preview-Anti Gearhunter

(Vermeidung von Pendelschaltungen)

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Ermittlung Auslösedrehzahl Drehzahlvorhalt

DIWA Referenzmodell

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

TCU1

GetriebeTires/Diff.Kupplung

Motor

Tires/Diff.Differential Tires/Diff.Reifen

Tires/Diff.FahrerTires/Diff.Fahrzyklus

Schnittstellen

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Gesamtmodell:

BASIS ALLER

WEITEREN

SIMULATIONEN

Bedatung?

VASOP DB

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

StreckenGetriebe

Hardware

Getriebe

Software

FahrzeugMotor

VASOP:

Datenbank für Antriebsstrang-

konfigurationen:

• Komplette Antriebsstrang-

konfigurationen

• Komponenten (Motoren, Reifen,

Nebenverbraucher, ...)

• Strecken

• Schaltprogramme

• Fahrzeugparameter

• ...

Hydraulik

DIWA – Referenzmodell: Bedatung des Modells

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• Kurze Vorstellung Voith Turbo

• Motivation & Ausgangssituation: Systemsimulation in der Getriebeentwicklung

• Vom Getriebe zum Gesamtsystem – Das Referenzmodell

• Die Erweiterung des Referenzmodells:

Rekuperation & Bordnetz

• Ergebnisse & Ausblick

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

M

vsoll: Sollwert → Dv: Regelabweichung

Integration Rekuperationseinheit: Kraftstoffersparnis durch Energierückgewinnung

GetriebeTires/Diff.Reifen

TCU1

Tires/Diff.KupplungTires/Diff.DifferentialMotor

Tires/Diff.Fahrer

vist

v

Tires/Diff.Fahrzyklus

Stellglied: Fahr(Brems-)pedal

Stellgröße: Beschl.(Verz.-)signal

vist: Istwert

1 Transmission Control Unit

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Dynamischer Modell-Ansatz: Voith-Referenz Modell & Voith OEM-Modelle

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

M

vsoll: Sollwert → Dv: Regelabweichung

Integration Rekuperationseinheit: Kraftstoffersparnis durch Energierückgewinnung

GetriebeTires/Diff.Reifen

(H)TCU1

Tires/Diff.KupplungTires/Diff.DifferentialMotor

Tires/Diff.Fahrer

vist

v

Tires/Diff.Fahrzyklus

Stellglied: Fahr(Brems-)pedal

Stellgröße: Beschl.(Verz.-)signal

vist: Istwert

1 Transmission Control Unit

Tires/Diff.E-Motor

Tires/Diff.Batterie

Start/Stopp

Tires/Diff.El. NV‘s

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Dynamischer Modell-Ansatz: Voith-Referenz Modell & Voith OEM-Modelle

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

• Bordnetz (2.5 kW)

• El. Lenkhilfpumpe

• Weitere NV‘sTires/Diff.E-Motor

Tires/Diff.Batterie Tires/Diff.El. NV‘s

Getriebe

(H)TCU1

Tires/Diff.∫ PI-Regler

SoC1

>

80%

Regelstrategie:

• Priorität 1: Rekuperation im Bremsbetrieb

• State of Charge SoC < 80%: Generator-

Betrieb (Gewährleistung Vergleichbarkeit mit

Referenz ohne Rekuperation!)

• Verbraucher #1: 2.5 kW Bordnetz

Motor

Subsysteme Rekuperation & Bordnetz:

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Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Sub-Systeme: E-Maschine, Batterie und Nebenverbraucher

2

• Leistungsfluss

• Nebenverbraucher: Bordnetz, Lenkhilfpumpe

• Regelstrategie

• Thermomanagement

Physikalische Modellierung:Verwendete Systembibliotheken: Schnittstellen:

• Versuch (Kennfelder, Versuchsfahrten)

• Serie (Schaltprogramme, Fahrzeug-

parametrierung)

• Zulieferer (Batterie, E-Maschine, el.

Nebenverbraucher)

1

2

13

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Subsysteme Rekuperation & Bordnetz:

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Verifikation Literaturwert für 2.5 kW konst. Bordnetz

Kennfeldermittlung Nebenverbraucher: Beispiel Bordnetz-Last

Strecke HVG HDH - Steinheim:Strecke HVG Busdepot – Gerstetten:

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Auswertung Bordnetzes (aus DC-DC):

Ø Wert von 2.5 kW (Literaturwert) Bordnetz für Simulation realistisch

• Kurze Vorstellung Voith Turbo

• Motivation & Ausgangssituation: Systemsimulation in der Getriebeentwicklung

• Vom Getriebe zum Gesamtsystem – Das Referenzmodell

• Die Erweiterung des Referenzmodells:

Rekuperation & Bordnetz

• Ergebnisse & Ausblick

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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Systemmatrix (Ausschnitt):

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Bordnetzlast 2.5 kW Rekuperation im

Bremsbetrieb

Start-Stopp

1 Basis, ohne Bordnetz o o o

2 Basis mit Bordnetzlast 2.5kW x o o

3 Rekuperation im Bremsbetrieb durch Generator x x o

4 Basis mit Start-Stopp ohne Rekuperation x o x

5 Rekuperation und Start-Stopp x x x

Referenz

Rahmenbedingungen / Parameter für die Simulation:

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Optimum

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Rahmenbedingungen / Parameter für die Simulation:

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Fahrzeuge:

• Solobus

• Gelenkbus

• Midibus

Zyklen:

• Flach: SORT1,2,3, Inner-, Outer-, Complete London,

Braunschweig

• Hügelig: HDH15, HDH41

0 1 2 3 4 5 65

10

15

20

25

30

35

40

[Stops/km]

v b

rutt

o [

km

/h]

25

30

35

40

45

50Betriebsdaten aus ca. 500 FahrzeugenEU27

% Stillstand(v=0)

Schwerer StadtverkehrStadtverkehrVorortverkehr

Braunschweig

HDH15

HDH41

Complete

London

Outer

London

SORT1

SORT2

SORT3

Steckbrief HDH15:

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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Übersicht:

• Länge: 9.04 km

• Dauer (Referenz Gelenkzug):

Leer: 1751 s

SORT: 1790 s

Maximal: 1847 s

• Max. Steigung: + 8.5 %

• Max. Gefälle: - 8.4 %

• vaverage (Gelenkzug):

Leer: 18.6 km/h

SORT: 18.2 km/h

Maximal: 17.6 km/h

• Anzahl Stopps: 31

Simulation – Beispiel Rekuperation

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

SoC [%]

Total Power[kW]

Start/Stopp Signal

Rekup. Signal

Laden durch RekuperationLaden durchVKM

Simulation – Plausibilisierung Regelkreis

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Steckbrief HDH15:

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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Simulation – Plausibilisierung Rekuperation

Übersicht:

• Länge: 9.04 km

• Dauer (Referenz Gelenkzug):

Leer: 1751 s

SORT: 1790 s

Maximal: 1847 s

• Max. Steigung: + 8.5 %

• Max. Gefälle: - 8.4 %

• vaverage (Gelenkzug):

Leer: 18.6 km/h

SORT: 18.2 km/h

Maximal: 17.6 km/h

• Anzahl Stopps: 31

HDH 15 – Geschwindigkeit und Rekuperation auf Teilstück:

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

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Simulation – Plausibilisierung Rekuperation

Halt Verkehr 4 Ampel 4 HS 12 HS 13 Halt Verkehr 4 HS 14

Steckbrief HDH15:

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 41

Simulation – Plausibilisierung Rekuperation

Zusammenfassung Rekuperation:

• Modell liefert plausible Ergebnisse

• Einsparungen aufgrund

Rekuperation

Start / Stopp

Elektr. Nebenverbraucher (konst.

Bordnetzlast P = 2.5 kW)

• liegen in wirtschaftlich relevanten

Bereichen!

Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

DIWAFazit:

Simulationsergebnisse des erweiterten

Referenzmodells zeigen in einer frühen

Entwicklungsphase plausible und

wirtschaftlich relevante Einsparpotentiale

Entscheidungshilfe zum Start eines

neuen Entwicklungsprojekts

Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 42

Next

Generation

Kontakt:

Dr. Oliver Kaufman

Leiter Simulation & System Evaluation

Voith Turbo Mobility

Tel. 07321 37-4054

[email protected]