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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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 2
• 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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 3
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 4
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.
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 7
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 10
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.
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 12
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 14
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 20
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:
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 22
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:
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 24
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 26
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 28
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 29
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 30
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:
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 31
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 32
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:
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 33
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 34
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:
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 35
Optimum
Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs
Rahmenbedingungen / Parameter für die Simulation:
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 36
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 37
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 38
Steckbrief HDH15:
Optimierung eines Busgetriebes zur Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 39
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
Getriebeoptimierung - Simcenter Symposium | Dr. O. Kaufmann | 2017-10-17 40
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