Objektivierung von Vertikaldynamikkomfort in Personenkraftwagen

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1 Objektivierung von Vertikaldynamikkomfort in Personenkraftwagen Ein Vergleich bestehender Verfahren Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des Grades Bachelor of Science (B. Sc.) an der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München Betreut von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Lienkamp Erik Enders, M. Sc. Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik Eingereicht von Felix Fent Landsberger Str München Eingereicht am

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3 Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik Fakultät für Maschinenwesen Technische Universität München Aufgabenstellung Objektivierung von Vertikaldynamikkomfort in Personenkraftwagen Der Fahrkomfort eines Fahrzeugs ist eine komplexe Eigenschaft, welche von viele Einflussfaktoren abhängt. Eine wichtige Rolle spielt dabei unter anderem die Entkopplung des Fahrzeugaufbaus von den Unebenheitsanregungen der Straße. Durch die zunehmende Bedeutung von Simulationswerkzeugen im Entwicklungsprozess von Fahrzeugen ist es wünschenswert, subjektive Kriterien, wie z.b. den Federungskomfort, durch objektive (messbare) Größen beschreiben zu können. Dies ermöglicht eine Einschätzung der Leistungsfähigkeit eines Fahrzeugs anhand von Simulationsergebnissen, zu einem frühen Zeitpunkt des Entwicklungsprozesses. Im Rahmen dieser Arbeit sollen bestehende Ansätze zur Objektivierung des Vertikaldynamikkomforts untersucht und bewertet werden. Hierbei sollen anhand von Messdaten aus Realfahrzeugen verschiedene Komfortkriterien berechnet und miteinander verglichen werden. Anschließend sollen die Ergebnisse validiert werden, sowie eine Empfehlung für die Benutzung der verschiedenen Kriterien abgegeben werden. Es soll zudem evaluiert werden, ob es sinnvoll ist neue/zusätzliche Kriterien im Hinblick auf das autonome Fahren einzuführen. Folgende Arbeitspakete umfasst die zu vergebende Studienarbeit: Literaturrecherche zum Stand der Technik Erstellung eines Skriptes zu Auswertung von Messdaten und Berechnung von Komfortkriterien Durchführung eines Versuchs mit verschiedenen Fahrzeugeinstellungen Auswertung der Messdaten und Vergleich der Kriterien Gegenüberstellung der objektiven Größen mit subjektiver Bewertung der Fahrzeuge Gegebenenfalls Ableitung neuer Komfortkriterien Abschließende Bewertung und Abgabe einer Empfehlung zur Verwendung der Kriterien Die Ausarbeitung soll die einzelnen Arbeitsschritte in übersichtlicher Form dokumentieren. Der Kandidat/Die Kandidatin verpflichtet sich, die Bachelorarbeit selbständig durchzuführen und die von ihm verwendeten wissenschaftlichen Hilfsmittel anzugeben. Die eingereichte Arbeit verbleibt als Prüfungsunterlage im Eigentum des Lehrstuhls und darf Dritten nur unter Zustimmung des Lehrstuhlinhabers zugänglich gemacht werden. Ausgabe: Abgabe: Prof. Dr.-Ing. M. Lienkamp Betreuer: Erik Enders, M. Sc.

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5 Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik Fakultät für Maschinenwesen Technische Universität München Geheimhaltungsverpflichtung Herr: Fent, Felix Gegenstand der Geheimhaltungsverpflichtung sind alle mündlichen, schriftlichen und digitalen Informationen und Materialien die der Unterzeichner vom Lehrstuhl oder von Dritten im Rahmen seiner Tätigkeit am Lehrstuhl erhält. Dazu zählen vor allem Daten, Simulationswerkzeuge und Programmcode sowie Informationen zu Projekten, Prototypen und Produkten. Der Unterzeichner verpflichtet sich, alle derartigen Informationen und Unterlagen, die ihm während seiner Tätigkeit am Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik zugänglich werden, strikt vertraulich zu behandeln. Er verpflichtet sich insbesondere: derartige Informationen betriebsintern zum Zwecke der Diskussion nur dann zu verwenden, wenn ein ihm erteilter Auftrag dies erfordert, keine derartigen Informationen ohne die vorherige schriftliche Zustimmung des Betreuers an Dritte weiterzuleiten, ohne Zustimmung eines Mitarbeiters keine Fotografien, Zeichnungen oder sonstige Darstellungen von Prototypen oder technischen Unterlagen hierzu anzufertigen, auf Anforderung des Lehrstuhls für Fahrzeugtechnik oder unaufgefordert spätestens bei seinem Ausscheiden aus dem Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik alle Dokumente und Datenträger, die derartige Informationen enthalten, an den Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik zurückzugeben. Besondere Sorgfalt gilt im Umgang mit digitalen Daten: Für den Dateiaustausch dürfen keine Dienste verwendet werden, bei denen die Daten über einen Server im Ausland geleitet oder gespeichert werden (Es dürfen nur Dienste des LRZ genutzt werden (Lehrstuhllaufwerke, Sync&Share, GigaMove). Vertrauliche Informationen dürfen nur in verschlüsselter Form per versendet werden. Nachrichten des geschäftlichen Kontos, die vertrauliche Informationen enthalten, dürfen nicht an einen externen Anbieter weitergeleitet werden. Die Kommunikation sollte nach Möglichkeit über die (my)tum-mailadresse erfolgen. Die Verpflichtung zur Geheimhaltung endet nicht mit dem Ausscheiden aus dem Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik, sondern bleibt 5 Jahre nach dem Zeitpunkt des Ausscheidens in vollem Umfang bestehen. Die eingereichte schriftliche Ausarbeitung darf der Unterzeichner nach Bekanntgabe der Note frei veröffentlichen. Der Unterzeichner willigt ein, dass die Inhalte seiner Studienarbeit in darauf aufbauenden Studienarbeiten und Dissertationen mit der nötigen Kennzeichnung verwendet werden dürfen. Datum: Unterschrift:

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7 Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik Fakultät für Maschinenwesen Technische Universität München Erklärung Ich versichere hiermit, dass ich die von mir eingereichte Abschlussarbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Garching, den Felix Fent

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9 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis... III Formelzeichen... V 1 Einleitung Was ist Komfort? Motivation und Ziel der Arbeit Aufbau der Arbeit Stand der Technik Normen ISO BS VDI Korrelative Ansätze Nach Rericha Nach Cucuz Nach Klingner Nach Hennecke Nach Kosfelder Maschinelle Lernverfahren Menschmodelle Grundlagen Grundlagen der empirischen Forschung Grundlagen der Statistik Probandenstudie Versuchsaufbau Versuchspopulation Versuchsdurchführung Analyse und Vergleich Analyse und Selektion der subjektiven Messwerte I

10 Inhaltsverzeichnis 5.2 Bestimmung der objektiven Kennwerte Zuordnung und Vergleich der Ergebnisse Ergebnisse Ergebnisse des Vergleichs der subjektiven und objektiven Messwerte Ergebnisse der Selektion und Analyse der subjektiven Messwerte Ergebnisse der Selektion der subjektiven Messwerte Ergebnisse der Analyse der selektierten subjektiven Messwerte Diskussion Diskussion der Ergebnisse Diskussion der Ergebnisse des Vergleichs der subjektiven Messwerte und objektiven Kennwerte Diskussion der Ergebnisse der Analyse und Selektion der subjektiven Messwerte Diskussion des Designs Probandenstudie Diskussion des Aufbaus des Messinstruments zur Erfassung der subjektiven Messwerte Diskussion der Zusammensetzung der Versuchspopulation Diskussion der Versuchsdurchführung Zusammenfassung und Ausblick Abbildungsverzeichnis... i Tabellenverzeichnis... iii Literaturverzeichnis... v Anhang... xii II

11 Abkürzungsverzeichnis B-Aufnehmer BS CAN dof DIN IQR ISO KNN Beschleunigungsaufnehmer Standard nach dem British Standard Controller Area Network (Bussystem) Degrees of freedom (Freiheitsgrade) Standard nach dem Deutschen Institut für Normung Interquartilsabstand Norm nach der International Organization for Standardization Künstliche neuronale Netze K-Wert Bewertete Schwingstärke nach der VDI :1997 MTVV Pkw r.m.s. TKF VDI VDV VP-Nr. Χ²-Test Maximum transient vibration value (Höchstwert des gleitenden Effektivwerts) Personenkraftwagen Root-mean-square (Quadratischer Mittelwert) Totalkomfortwert Richtlinie nach dem Verein Deutscher Ingenieure Vibration dose value (Schwingungsdosiswert) Versuchsperson-Nummer Chi-Quadrat-Test III

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13 Formelzeichen Formelzeichen Einheit Beschreibung A(t) a ges a v a w a wi m/s² oder rad/s² m/s² oder rad/s² m/s² oder rad/s² m/s² oder rad/s² m/s² oder rad/s² Vektor der Amplituden der einzelnen globalen Bewegungsformen nach KOSFELDER Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke nach der ISO :1997 oder dem BS 6841:1987 Bewertete Schwingstärke der einzelnen Messpunkte nach der ISO :1997 Bewertete Schwingstärke nach der ISO :1997 Bewertete Schwingstärke der Koordinatenrichtung i nach der ISO :1997 B Matrix der Positionen der Messpunkte nach KOSFELDER BF Frequenzabhängige Bewertungsfunktion nach RERICHA B M B pi E evdv m/s 1,75 oder rad/s 1,75 Frequenzabhängige Bewertungsfunktion nach KOSFELDER Frequenzabhängige Bewertungsfunktion nach KLINGNER für die periodische Anregung i Wert des unsystematischen Messfehlers Näherungswert des Schwingungsdosiswerts nach der ISO :1997 f Hz Frequenz f b,i Beobachtete Häufigkeit der Merkmalsausprägung i f e,i G Mai G Sti i Erwartete Häufigkeit der Merkmalsausprägung i Multiaxialer Gewichtungsfaktor der Anregung i nach KLINGNER Stochastischer Gewichtungsfaktor der Anregung i nach KLINGNER Imaginäre Einheit V

14 Formelzeichen Formelzeichen Einheit Beschreibung I IF w Anzahl der Inversionen Instationärfaktor nach HENNECKE K Bewertete Schwingstärke nach der VDI 2057: K(t) m/s² oder rad/s² Schwingungssignal (Beschleunigung) K eq Energieäquivalenter Mittelwert nach der VDI 2057: K erw KF Erweiterte bewertete Schwingstärke nach HENNECKE Komfortfaktor nach RERICHA K g Gesamtschwingungskomfort nach KLINGNER K ges K j k n K r,j K r,ges K Sti Ku Ku S Gesamtwert der bewerteten Schwingstärke nach CUCUZ Bewertete Schwingstärke der globalen Bewegungsform j nach KOSFELDER Filternormierungskonstante der Anregung n Bewertete, fahrzeugbezogene Schwingstärke der globalen Bewegungsform j nach KOSFELDER Gesamtwert der fahrzeugbezogenen, bewerteten Schwingstärke nach KOSFELDER Bewertete Schwingstärke der stochastischen Anregung i nach KLINGNER Kurtosis Kurtosis einer Sinusanregung K VDI Bewertete Schwingstärke nach der VDI 2057: KZ erw K τ (t) Kφ erw M(t) MTVV N m/s² oder rad/s² m/s² oder rad/s² Erweiterte bewertete Schwingstärke für Hubanregungen nach HENNECKE Gleitender Effektivwert der bewerteten Schwingstärke K nach der VDI 2057: Erweiterte bewertete Schwingstärke für Nickanregungen nach HENNECKE Vektor der Messdaten (Beschleunigungen) nach KOSFELDER Höchstwert des gleitenden Effektivwerts nach der ISO :1997 Zahl der Spektren VI

15 Formelzeichen Formelzeichen Einheit Beschreibung net N r P PSD Nettoinput eines künstlichen Neurons Skalenstufe des subjektiv empfundenen Diskomforts nach KOSFELDER Anzahl der Provisionen Spektrale Leistungsdichte Q p R r tt m/s² oder rad/s² p %-Quantil Fehlervektor nach KOSFELDER Reliabilität s E Varianz der Messfehler S t Straßenfaktor nach KOSFELDER s T Varianz der konstanten (wahren) Werte s X Varianz der beobachteten Messwerte T s Mittelungsdauer t s Zeit T Anzahl Rangbindungen der Ankerreihe t 0 s Momentane Zeit T e s Gesamte Dauer der Messung (des Versuchs) TKF U VDV W i w i m/s 1,75 oder rad/s 1,75 Totalkomfortwert Anzahl Rangbindungen der Vergleichsreihe Schwingungsdosiswert Frequenzabhängige Bewertungsfunktion nach der ISO :1997 oder dem BS 6841:1987 der Anregung i Gewicht i der Verbindung zweier künstlicher Neuronen x x (n) Arithmetischer Mittelwert Wert n der Werte einer nach der Größe sortierten Sichtichprobe VII

16 Formelzeichen Formelzeichen Einheit Beschreibung x i X j z z m/s oder rad/s m/s² oder rad/s² Eingangssignal i eines künstlichen Neurons Fahrzeugspezifischer Vorfaktor der globalen Bewegungsform j nach KOSFELDER Effektivwert der Schwingungsgeschwindigkeit Beschleunigung in z-richtung (Hubbeschleunigung) f Hz Filterbandbreite nach RERICHA ω rad/s Breite des betrachteten Spektrums nach KLINGNER ξ s Laufende Zeitkoordinate nach der VDI 2057: ρ τ τ τ b ϕ ϕ pi s Rangkorrelationskoeffizient Spearmans Roh Integrationszeitkonstante nach der ISO 2631:1997 oder der VDI 2057: Rangkorrelationskoeffizient - Kendalls Tau Rangkorrelationskoeffizient - Kendalls Tau für Rangreihen mit Rangbindungen in beiden Vergleichsreihen Spektrale Leistungsdichte Spektrale Leistungsdichte einer periodischen Anregung i ϕ Sti Spektrale Leistungsdichte einer stochastischen Anregung i Χ² Wert des Χ²-Signifikanztests ω rad/s Kreisfrequenz VIII

17 1 Einleitung Personenkraftwagen haben heutzutage einen hohen technischen Stand erreicht. Neben Kriterien wie Design, Preis, Verbrauch oder Sicherheit ist auch der Komfort ein wichtiges Verkaufsargument. [1, S. 1] 1.1 Was ist Komfort? Zu Beginn dieser Arbeit soll zunächst der Begriff des Komforts näher erläutert werden, der Gegenstand dieser Untersuchung ist. Die Begriffe des Komforts und des Diskomforts werden hierbei aus einer wissenschaftlichen Sicht heraus betrachtet, die maßgeblich durch die wissenschaftliche Disziplin der Ergonomie geprägt ist. Fälschlicherweise wird Komfort oft als die Abwesenheit von Diskomfort definiert, was auf eine Definition nach HERTZBERG [2] zurückzuführen ist. Bei den Begriffen Komfort und Diskomfort handelt es sich jedoch um zwei unterschiedliche Empfindungen. Dies konnte durch ZHANG [3] anhand einer Clusteranalyse nachgewiesen werden. ZHANG [3] bestimmte die beiden Begriffe Komfort und Diskomfort als zwei voneinander unabhängige Begriffe, deren Aspekte dem Gefallen oder dem Erleiden zugeordnet werden konnten [4, S. 106]. Demnach konnte das Bestehen unabhängiger Dimensionen beider Begriffe gezeigt werden. Es handelt sich also um orthogonale Größen [1, S. 1]. Neuere Untersuchungen wiesen jedoch eine Beeinflussung des Komfortempfindens durch das Vorhandensein von Diskomfort nach [5]. Der aktuelle Stand der Wissenschaft weist ein Wahrnehmungsmodell (Abb. 1.1) auf, das die beiden Empfindungen Komfort und Diskomfort als eigenständige, jedoch nicht vollkommen unabhängige, Größen enthält [4, 6]. Die Wahrnehmung der beiden Empfindungen (Komfort und Diskomfort) wird hierbei durch unterschiedliche Aspekte beeinflusst. Diese sind: die Biomechanik, physiologische Faktoren, Umwelteinflüsse, kognitive Faktoren und persönliche Erwartungen [7, 8]. Eine Beeinflussung des Komforts durch individuelle Vorlieben, wie Design und Ästhetik [5, 9], erschwert eine Objektivierung dieser Größe, weshalb sich die Wissenschaft (und diese Arbeit) meist auf die Objektivierung des Diskomforts beschränkt. 1

18 1 Einleitung Sitz-Diskomfort Sitz-Komfort Mensch Physikalische Belastbarkeit Reaktionen Persönliche Grenze Externe Belastung Erwartungen Emotionen Sitz Physikalische Merkmale Physikalische Merkmale Ästhetische Gestaltung Umwelt Physikalische Umgebung Aufgabe Physikalische Umgebung Aufgabe Psychosoziale Faktoren Abbildung 1.1: Theoretisches Komfort/Diskomfort-Wahrnehmungsmodel nach LOOZE [6] im Kontext der Mensch-Sitz-Interaktion. 1.2 Motivation und Ziel der Arbeit Die Automobilbranche ist ein dynamischer, sich schnell entwickelnder Wirtschaftszweig, der gerade in den letzten Jahren einen fundamentalen Wandel durchlaufen hat [10]. Die immer schneller voranschreitende technische Entwicklung, vor allem im Bereich des autonomen Fahrens, und die davon begleitete Entwicklung steigender Kundenanforderungen an den Komfort eines Fahrzeugs [11], bedarf der Fähigkeit einer schnellen Reaktion der Automobilindustrie auf einen sich dynamisch verändernden Markt. Diese und die immer bestehende Anforderung der Kostenreduktion im Entwicklungsprozess führen zu einer zunehmenden Bedeutung von Simulationswerkzeugen im Fahrzeugentwicklungsprozess. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es wünschenswert subjektive Kriterien wie den Vertikaldynamikkomfort durch objektive (messbare) Größen beschreiben zu können. Eine derartige Fähigkeit die Bewertung des Komforts eines Fahrzeugs anhand von Simulationsergebnissen ermöglichte es, die Leistungsfähigkeit eines Fahrzeugs bereits zu einem frühen Stand des Entwicklungsprozesses einzuschätzen und mögliche Änderungen ableiten zu können. Es existieren bereits unterschiedlichste Ansätze, welche die Objektivierung des Schwingungsdiskomforts zum Ziel haben (Kap. 2). Gerade diese Fülle an zur Verfügung stehenden Verfahren zur Objektivierung des Vertikaldynamikdiskomforts erschwert jedoch die Auswahl einer geeigneten Methode. Die meisten dieser Verfahren basieren zudem ausschließlich auf 2

19 1 Einleitung Untersuchungen, die an einem Simulator durchgeführt wurden und konnten nicht unter realen Fahrbedingungen validiert werden. Zudem ist unklar, wie die einzelnen Verfahren im Vergleich zueinander stehen und welche Güte (Fähigkeit der Abbildung des subjektiv wahrgenommenen Schwingungsdiskomforts) die jeweiligen Verfahren unter realen Fahrbedingungen aufweisen. Diesen Missstand zu verringern ist das Ziel dieser Arbeit. Erreicht werden soll dieses Ziel durch die Identifikation geeigneter Verfahren zur Objektivierung des Vertikaldynamikdiskomforts in Personenkraftwagen (Pkw) und anschließender Bewertung dieser. Eine Überprüfung der Performance (Güte) der einzelnen Verfahren wird anhand einer Feldstudie und einem anschließenden Vergleich der objektiven Kennwerte der einzelnen Verfahren mit den subjektiven Messwerten (Angaben) der Probanden der Studie durchgeführt. Daraufhin werden die Ergebnisse der einzelnen objektiven Verfahren miteinander verglichen und eine Empfehlung der Verwendung des jeweiligen Verfahrens wird auf Basis der Untersuchungsergebnisse ausgesprochen. Untersucht wird hierbei lediglich der hervorgerufene Diskomfort aufgrund mechanischer Schwingungen an den Kontaktstellen zwischen dem Fahrer und dem Fahrzeug durch Anregungen der Fahrbahn. 1.3 Aufbau der Arbeit Das Vorgehen zum Erreichen des beschriebenen Ziels besteht im Wesentlichen aus drei essenziellen Bestandteilen: Die Bestimmung objektiver Kennwerte zur Beschreibung des subjektiv empfundenen Diskomforts anhand ausgewählter Objektivierungsverfahren, die in Kapitel 2 dargestellt werden. Die Gewinnung subjektiver Diskomfortwerte, die im Rahmen einer Probandenstudie unter realen Fahrbedingungen abgefragt werden. Dieser Aspekt wird in Kapitel 4, auf Grundlage empirischer Forschungsmethoden, die in Kapitel 3 aufgezeigt werden, behandelt. Der Vergleich der objektiven Kennwerte mit den subjektiven Messwerten, der in Kapitel 5, anhand geeigneter statistischer Verfahren, die im Kapitel 3 erläutert werden, durchgeführt wird. Die Ergebnisse des Vergleichs, der zuvor gewonnenen objektiven und subjektiven Diskomfortwerte, werden im Kapitel 6 dargestellt. Erst nach dem Erfüllen dieser Voraussetzungen kann eine anschließende Bewertung der Verfahren stattfinden, die in Kapitel 7 behandelt wird. Um schließlich in Kapitel 8 eine abschließende Empfehlung zur Verwendung der einzelnen Kriterien auszusprechen und einen Ausblick zu geben, in welchem Bereich es zusätzlicher Untersuchungen bedarf. Zusammenfassend wird in der Abbildung 1.2 ein schematischer Überblick zum Aufbau der vorliegenden Arbeit gegeben. 3

20 1 Einleitung Kapitel Kapitel 1: Einleitung 1: Einleitung Kapitel Kapitel 3: Grundlagen 2: Kapitel 2: 3: Stand der Technik Objektive Diskomfortwerte messen Kapitel 4: 4: Probandenstudie Subjektive Diskomfortwerte berechnen Vergleich Kapitel Kapitel 5: Analyse 5: Analyse und und Vergleich befragen evaluieren Kapitel Kapitel 6: Ergebnisse 6: Evaluation Kapitel 7: Diskussion Kapitel 8: Zusammenfassung und und Ausblick Abbildung 1.2: Schematischer Aufbau der vorliegenden Arbeit. 4

21 2 Stand der Technik Das folgende Kapitel gibt einen Überblick über die aktuell bestehenden Methoden zur Objektivierung des Vertikaldynamikkomforts. Es dient zudem als Grundlage für die Auswertung der im Versuch generierten Daten. Zu Beginn werden in Abschnitt 2.1 die derzeit bestehenden Normen dargestellt, um im darauffolgenden Abschnitt 2.2 auf die korrelativen Ansätze einzugehen, die teilweise auf den Normen basieren. Zuletzt werden zwei, chronologisch gesehen modernere, Verfahren zur Komfortwertbestimmung mittels maschineller Lernverfahren im Abschnitt 2.3 und anhand von Menschmodellen im Abschnitt 2.4 aufgezeigt. 2.1 Normen In diesem Kapitel werden die aktuell bestehenden internationalen sowie nationalen Normen zum Thema der Objektivierung des Schwingungsdiskomforts dargestellt, wobei sich auf die Schwingungseinwirkung auf Pkw-Insassen beschränkt wird. Angefangen mit dem, in der Anwendung am weitesten verbreiteten, Verfahren nach der ISO :1997 im Abschnitt 2.1.1, woraufhin ein Verfahren nach dem britischen Standard BS 6841:1987, das hauptsächlich durch GRIFFIN [12 15] beeinflusst wurde, im Abschnitt aufgezeigt wird. Zuletzt wird ein Verfahren nach der (bereits ersetzten) VDI 2057: , aufgrund der wiederholten Verwendung in den dargestellten korrelativen Ansätzen (Abs. 2.2), im Abschnitt vorgestellt ISO 2631 Die ISO :1997 stellt ein Verfahren zur Quantifizierung von Ganzkörperschwingungen in Bezug auf Gesundheit und Komfort dar. Es werden Methoden zur Bewertung von periodischen, stochastischen sowie transienten Ganzkörperschwingungen im Frequenzbereich von 0,5 bis 80 Hz und einem Scheitelfaktor (englisch crest factor ) kleiner gleich neun definiert. Eine Bewertung findet auf Basis von Beschleunigungswerten an ausgewählten Einleitungsstellen und -richtungen (Abb. 2.1) statt, wobei die Koordinatenrichtungen als körperfest definiert sind. Dementsprechend werden die Beschleunigungen in allen drei Koordinatenrichtungen am Sitzkissen, der Rückenlehne und den Füßen sowie die Winkelbeschleunigungen um die drei Achsen am Sitzkissen gemessen. 5

22 2 Stand der Technik r z - Gieren z Rückenlehne / seatback y x z y r y - Nicken Sitzfläche / sitting area x z r x - Rollen Füße / feet y x Abbildung 2.1: Basiskoordinatensystem für einen sitzenden Menschen nach ISO [16, S. 3]. Die menschliche Wahrnehmung von Schwingungen wird durch frequenzabhängige Bewertungsfunktionen (Abb. 2.2) an den jeweiligen Einleitungsstellen und -richtungen (Tab. 2.1) berücksichtigt. Die Bewertung findet durch Multiplikation des gemessenen Beschleunigungssignals a(t) mit der jeweiligen Bewertungsfunktion W (Tab. 2.1) im Frequenzbereich statt. Die Maxima der Bewertungsfunktionen zwischen 0,5 bis 8 Hz erklären sich dabei durch die Lage der Resonanzfrequenzen des menschlichen Körpers in einem Frequenzbereich von ca. 2 bis 12 Hz [17 19]. Der starke Abfall der Bewertungsfunktionen an den Rändern des betrachteten Frequenzbereichs entsteht durch die Verwendung von Hoch- und Tiefpassfiltern mit einer Butterworth-Charakteristik und einer Eckfrequenz, die eine Drittel-Oktave außerhalb des betrachteten Frequenzbereichs liegt (0,4 Hz für den Hochpass- und 100 Hz für den Tiefpassfilter) [16, S. 12]. 6

23 2 Stand der Technik Tabelle 2.1: Zuordnung der Bewertungsfunktionen und Gewichtungsfaktoren bei multiaxialer Anregung zu den Einleitungsstellen und -richtungen nach der ISO [16, S. 15]. Einleitungsstelle Richtung Bewertungsfunktion Gewichtungsfaktor Sitz x, y Wd 1 z Wk 1 rx We 0,63 ry We 0,4 rz We 0,2 Rückenlehne x Wc 0,8 y Wd 0,5 z Wd 0,4 Fuß x, y Wk 0,25 z Wk 0,4 Abbildung 2.2: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach ISO :1997 [16, S. 11]. 7

24 2 Stand der Technik Der Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges (overall vibration total value) ergibt sich entsprechend Gl. (2.1) aus dem quadratischen Mittelwert der bewerteten Schwingungsstärke der einzelnen Messpunkte a v (point vibration total value) am Sitz, der Rückenlehne und der Füße [16, S. 15]. Der Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke der einzelnen Messpunkte a v berechnet sich nach Gl. (2.2) ähnlich wie der Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges aus dem quadratischen Mittelwert der bewerteten Schwingungsstärken der einzelnen Richtungen a wi multipliziert mit einem Gewichtungsfaktor k der jeweiligen Einleitungsstelle und - richtung (Tab. 2.1) [16, S. 15]. Der Gewichtungsfaktor k berücksichtigt hierbei den unterschiedlich starken Einfluss der Schwingungen an den jeweiligen Einleitungsstellen und -richtungen auf das Diskomfortempfinden des Menschen bei multiaxialer Anregung (je kleiner der Faktor, desto geringer der Einfluss auf das Diskomfortempfinden) a ges = (a Sitz + a Rücken + a Fuß + a 2 Rot ) 1/2 (2.1) a v = (k 2 x a 2 wx + k 2 y a 2 wy + k 2 z a 2 wz ) 1/2 (2.2) Zur Berechnung der bewerteten Schwingungsstärken a wi werden in der ISO 2631 verschiedene Verfahren definiert, wobei als Basis-Methode die Verwendung des gewichteten quadratischen Mittelwerts (weighted root-mean-square), wie er in Gl. (2.3) definiert ist, herangezogen wird [16, S. 5-6]. Da diese Methode jedoch vor allem bei längerer Belastungsdauer [20, S ] einige Nachteilemit sich bringt, werden zudem die Methode nach dem gleitenden Effektivwert (running r.m.s. method) sowie eine Methode, welche die Schwingungsdosis (vibration dose) bewertet, definiert. Den Äquivalenzwert zur bewerteten Schwingstärke a w der Basis-Methode stellte bei der Methode nach dem gleitenden Effektivwert der MTVV-Wert (maximum transient vibration value) dar, der den Maximalwert der Einzelwerte a w(t 0), der nach Gl. (2.4) definierten Berechnungsvorschrift, wiedergibt [16, S. 9]. Der VDV-Wert hingegen (vibration dose value) Gl. (2.5) ist eine nicht über die Belastungsdauer gemittelte Bewertungsgröße, die eine höhere Sensitivität für transiente Signalanteile aufweist. Die bewertete Schwingungsstärke a w nach der Basis-Methode steht mit dem VDV-Wert nach Gl. (2.6) annäherungsweise in Beziehung [16, S. 25]. a w = [ 1 T 1/2 T a w 2 (t)dt] 0 a w (t 0 ) = { 1 τ t 0 t 0 τ [a w(t)] 2 dt T 1/4 VDV = { [a w (t)] 4 dt} 0 1/2 } (2.3) (2.4) (2.5) evdv = 1,4 a w T 1/4 (2.6) Die Verwendung der alternativen Verfahren wird bei Erfüllung des jeweiligen Verhältnisses (Gl. (2.7) und Gl. (2.8)) empfohlen. Zudem werden Anhaltspunkte zur Diskomfortbewertung anhand von Wertebereichen (Tab. 2.2) des Gesamtwerts der bewerteten Schwingungsstärke a ges nach der Basis-Methode gegeben. In Beziehung gesetzt wird hierbei der subjektiv empfundene Diskomfort, hervorgerufen durch die Einwirkung mechanischer Schwingungen, mit dem Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges. 8

25 2 Stand der Technik MTVV a w = 1,5 VDV = 1,75 a w T 4 (2.7) (2.8) Die Überschneidung der einzelnen Wertebereiche macht die Charakteristik der Tabelle in Form einer Orientierungshilfe im Vergleich zu einer strikten Definition (ein-eindeutigen Abbildung) nochmals deutlich. Zudem handelt es sich hierbei um eine Abbildung metrisch skalierter Daten auf Merkmalsausprägungen eines ordinal skalierten Datenniveaus (Abs. 3.2). Tabelle 2.2: Wertebereich Beziehung zwischen dem Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke ages und dem subjektiven Komfortempfinden nach ISO [16, S. 25]. Subjektivurteil < 0,315 m/s 2 Nicht unkomfortabel 0,315 m/s 2 bis 0,63 m/s 2 Etwas unkomfortabel 0,5 m/s 2 bis 1 m/s 2 Relativ unkomfortabel 0,8 m/s 2 bis 1,6 m/s 2 Unkomfortabel 1,25 m/s 2 bis 2,5 m/s 2 Sehr unkomfortabel > 2 m/s 2 Extrem unkomfortabel BS 6841 Das Verfahren des BS 6841:1987 ist ein der ISO :1997 Norm ähnliches Verfahren [21, ii] zur Bewertung der Auswirkungen von Ganzkörperschwingungen auf den Komfort und die Gesundheit des Menschen. Die Methode ist in einem Frequenzbereich von 0,5 bis 80 Hz, einem Scheitelfaktor von kleiner gleich sechs und einer Beobachtungszeit von größer 60 s definiert [21, S ], jedoch wird zudem ein alternatives Verfahren zur Bewertung von Schwingungen mit einem Scheitelfaktor größer sechs vorgestellt [21, S. 20]. Die Anregungspunkte entsprechen denen der ISO (Abs ) (Abb. 2.1). Die frequenzabhängige Wahrnehmung von Schwingungen des Menschen wird anhand von verschiedenen Bewertungsfunktionen [21, S. 6] (Abb. 2.3) für die entsprechenden Anregungsstellen und -richtungen (Tab. 2.3) berücksichtigt. Der Kurvenverlauf ist wie bei der ISO 2631 durch die Resonanzfrequenzen des menschlichen Körpers und die daraus resultierende Verwendung eines Hoch- und Tiefpassfilters zu erklären. Der Kurvenverlauf der Bewertungsfunktionen (Abb. 2.3) ist, qualitativ gesehen, gleich zu dem der ISO (Abb. 2.2). Lediglich die Werte der Bewertungsfunktionen beider Verfahren unterscheiden sich, was den eigentlichen Unterschied beider Verfahren darstellt. 9

26 2 Stand der Technik Tabelle 2.3: Zuordnung der Bewertungsfunktionen und Gewichtungsfaktoren bei multiaxialer Anregung zu den Einleitungsstellen und -richtungen nach dem BS 6841:1987 [21, S. 12]. Einleitungsstelle Richtung Bewertungsfunktion Gewichtungsfaktor Sitz x, y Wd 1 z Wb 1 rx We 0,63 ry We 0,4 rz We 0,2 Rückenlehne x Wc 0,8 y Wd 0,5 z Wd 0,4 Fuß x, y Wb 0,25 z Wb 0,4 Abbildung 2.3: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach BS 6841:1987 [21, S. 9]. 10

27 2 Stand der Technik Der Gesamtwert der bewerteten Beschleunigungen a ges bei multiaxialer Anregung berechnet sich aus dem quadratischen Mittelwert der einzelnen Vektorsummen der vier Anregungspunkte gemäß Gl. (2.9) bis Gl (2.10) [21, S. 13]. Die Summanden der Vektorsummen nach Gl. (2.10) werden aus den nach Gl. (2.3) definierten quadratischen Mittelwerten der frequenzbewerteten und mit dem jeweiligen Gewichtungsfaktor (Tab. 2.3) gewichteten Beschleunigungssignalen gebildet. 2 a ges = (a Sitz 2 + a Rücken 2 + a Fuß + a 2 rot ) 1/2 (2.9) a = (a 2 xw + a 2 yw + a 2 zw ) 1/2 (2.10) Der BS 6841:1987 gibt anhand von Wertebereichen (Tab. 2.4) des Gesamtwerts der bewerteten Beschleunigungen a ges Anhaltspunkte zum Subjektivempfinden bei betrachteter Anregung [21, S. 21]. In Beziehung gesetzt wird hierbei der subjektiv empfundene Diskomfort, hervorgerufen durch die Einwirkung mechanischer Schwingungen, mit dem Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges. Die Überschneidung der einzelnen Wertebereiche macht die Charakteristik einer Orientierungshilfe im Vergleich zu einer strikten Definition nochmals deutlich. Wie bei der ISO (Abs ) handelt es sich hierbei um eine Abbildung metrisch skalierter Daten auf Merkmalsausprägungen eines ordinalen Datenniveaus (Abs. 3.2). Tabelle 2.4: Wertebereich Beziehung zwischen dem Gesamtwert der bewerteten Beschleunigungen ages und dem subjektiven Komfortempfinden nach dem BS 6841:1987 [21, S. 21]. Subjektivurteil < 0,315 m/s 2 Nicht unkomfortabel 0,315 m/s 2 bis 0,63 m/s 2 Etwas unkomfortabel 0,5 m/s 2 bis 1 m/s 2 Relativ unkomfortabel 0,8 m/s 2 bis 1,6 m/s 2 Unkomfortabel 1,25 m/s 2 bis 2,5 m/s 2 Sehr unkomfortabel > 2 m/s 2 Extrem unkomfortabel VDI 2057 Angesichts der geringen Abweichung der VDI 2057: zur ISO 2631:1997 [22, S. 19] wird in diesem Abschnitt lediglich die Berechnung der bewerteten Schwingstärke K (K-Wert) der VDI 2057: , aufgrund der wiederholten Anwendung der K-Wert-Methode in mehreren korrelativen Ansätzen (Abs. 2.2), behandelt. Bereits in der VDI 2057: [23] fand eine Anpassung der Berechnungsmethode (Abs ) und Frequenzbewertungsfunktion (Abb. 2.2) an die ISO 2631:1997 [16] statt. In der VDI 2057: [24] wurde zudem die Berechnung des VDV-Werts nach Gl. (2.5) aufgenommen. Die Abweichungen der VDI 2057:2017 [24] von der ISO [16] bestehen lediglich in der Vernachlässigung der Anregungen des Rückens in y- und z-richtung (Abb. 2.1) sowie der unterschiedlichen Beschreibungen (und somit auch Grenzwerten) der Wertebereiche des Zusammenhangs zwischen dem objektiven Kennwert und der subjektiven Wahrnehmung. 11

28 2 Stand der Technik Die VDI 2057: zeigt ein einheitliches Verfahren (K-Wert-Methode) zur Beurteilung der Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen im Rahmen des Risikos von Gesundheitsschäden, Minderleistungen und Einschränkungen des Wohlbefindens (Komforts) auf [25, S. 3]. Das Verfahren für periodische, stochastische und transiente Schwingungseinwirkungen auf den sitzenden Menschen ist in einem Frequenzbereich von 1 bis 80 Hz definiert [26, S. 2]. Zur Bestimmung des K-Werts für die Beanspruchung während einer bestimmten Schwingungsdauer T e wird der energieäquivalente Mittelwert K eq gemäß Gl. (2.11) bis Gl. (2.12) herangezogen [25, S. 2]. K eq = 1 T e K T τ2 (t)dt e 0 (2.11) K τ (t) = 1 τ t ξ=0 e(t ξ) τ K 2 (ξ)dξ (2.12) Wobei die bewertete Schwingstärke K den Effektivwert des frequenzbewerteten, bandbegrenzten sowie normierten Schwingungssignals K(t) der jeweiligen Einwirkstelle und Schwingungsrichtung darstellt [25, 26]. Zudem gibt die VDI 2057: Anhaltspunkte zur Bewertung der subjektiven Wahrnehmung der auf den Menschen einwirkenden Schwingungen anhand von Wertebereichen des K-Werts (Tab. 2.5) an [22, S. 3-4]. Bei dem gegebenen Zusammenhang (Tab. 2.5) handelt es sich um eine Abbildung metrisch skalierter Daten auf Merkmalsausprägungen ordinal skalierter Daten (Abs. 3.2). Tabelle 2.5: Zusammenhang zwischen der Bewerteten Schwingstärke K und der subjektiven Wahrnehmung nach VDI 2057: [25, S. 4]. Bewertete Schwingstärke K Beschreibung der Wahrnehmung <0,1 Nicht spürbar 0,1 Fühlschwelle 0,1 bis 0,4 Gerade spürbar 0,4 bis 1,6 Gut spürbar 1,6 bis 6,3 Stark spürbar >6,3 Sehr stark spürbar 2.2 Korrelative Ansätze Im folgenden Abschnitt werden einige ausgewählte korrelative Ansätze zum Thema der Objektivierung des Schwingungsdiskomforts von Pkw-Insassen in nahezu chronologischer Reihenfolge dargestellt. Zu Beginn wird ein, aufgrund der Anzahl der Messstellen, interessantes Verfahren nach RERICHA [18] im Abschnitt aufgezeigt. Daraufhin wird die Methode nach CUCUZ [27] im Abschnitt beschrieben, die erstmalig eine stärkere Bewertung der stochastischen Schwingungen im Vergleich zu periodischen Schwingungen vornimmt. Darauffolgend 12

29 2 Stand der Technik wird das Verfahren nach KLINGNER [17] (das aus der chronologischen Reihenfolge herausgelöst ist) im Abschnitt dargestellt, das eine Erweiterung des Ansatzes nach CUCUZ [27] darstellt. Anschließend wird das Verfahren nach HENNECKE [28] im Abschnitt aufgeführt, das als einziges Verfahren eine amplitudenabhängige Bewertung vornimmt. Abschließend wird das Verfahren nach KOSFELDER [29] im Abschnitt dargestellt, das als einziges korrelatives Verfahren eine Objektivierung nicht anhand von Beschleunigungen an den Kontaktstellen zwischen Fahrer und Fahrzeug vornimmt, sondern basierend auf globalen Bewegungsformen Nach Rericha Basierend auf den Erkenntnissen von GRIFFIN [12 15] entwickelt RERICHA [18] ein Verfahren zur Objektivierung des Schwingungsdiskomforts im Rahmen des Fahrzeugentwicklungsprozesses. Die von RERICHA entwickelte Methode ist in einem Frequenzbereich von 0,8 bis 80 Hz definiert [18, S. 177] und findet Anwendung bei regellosen, in Feldversuchen ermittelten Schwingungen. Das Objektivierungsverfahren bewertet die auf den Insassen wirkenden Schwingungen an insgesamt 15 Einleitungsstellen [18, S. 177]. Gemessen werden hierbei die drei translatorischen sowie rotatorischen Beschleunigungen am Sitz und die drei translatorischen Beschleunigungen im Fußraum sowie an der Rückenlehne. Zudem werden die Beschleunigungen am Lenkrad in y- und z-richtung bewertet. Des Weiteren bewertet das Verfahren nach Rericha als einziges in dieser Arbeit vorgestelltes korrelatives Verfahren die Winkelbeschleunigungen des Lenkrads um die Lenkradachse. Die verwendeten Koordinatenrichtungen sind hierbei ebenfalls körperfest und entsprechen, bis auf die zusätzlichen Messstellen, weitestgehend den Messpunkten der ISO 2631 (Abs ) (Abb. 2.1). Der Totalkomfortwert TKF berechnet sich aus der geometrischen Addition der Komfortfaktoren KF der jeweiligen Einleitungsstellen und -richtungen nach Gl. (2.13) [18, S. 179] und verhält sich umgekehrt proportional zum subjektiven Komforturteil (bei Verwendung einer unipolaren Bewertungsskala des Komforts). Die einzelnen Komfortfaktoren werden nach Gl. (2.14) aus der Wurzel des Integrals des Produkts der, zuvor nach Gl. (2.15) bestimmten, unbewerteten, spektralen Leistungsdichte PSD mit dem Quadrat der jeweiligen (für die Einleitungsstelle und -richtung spezifischen) Bewertungsfunktion BF (Abb. 2.4) berechnet [18, S ]. 15 TKF = ( KF 2 1 1/2 ) f 2 KF = ( PSD BF 2 df f 1 ) 1/2 (2.13) (2.14) PSD = 1 1 N f N n(a n + ib n )(a n ib n ) 1 (2.15) 13

30 2 Stand der Technik Abbildung 2.4: Lineare frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach RERICHA [18, S ]. Die jeweils stärkste Gewichtung der Schwingungen findet in einem Frequenzbereich von 3,1 bis 20 Hz, bzw. 0,8 bis 1 Hz für rotatorische Schwingungen statt (Abb. 2.4) [18, S. 177]. Ein derartiger Verlauf der Bewertungsfunktionen, die das Schwingungsempfinden des Menschen abbilden, hängt mit den Resonanzfrequenzen des menschlichen Körpers, die in einem Frequenzbereich von ca. 2 bis 12 Hz [17 19] liegen, zusammen. Abgesehen von den am stärksten gewichteten Frequenzbereichen, besitzen die Bewertungsfunktionen ein lineares und frequenzabhängiges Verhalten. Das vorgestellte Verfahren erlaubt nach der Bestimmung und Bewertung zweier Grenzzustände, aufgrund des linearen Verhaltens des Totalkomfortwerts, die Berechnung beliebiger Zwischenzustände [18, S. 182]. Zudem ist eine Anpassung des betrachteten Frequenzbereichs, mittels selektiver Berechnung des Totalkomfortwerts, durch Anpassung der Integrationsgrenzen des Integrals in Gl. (2.14), möglich. RERICHA konnte in seiner Arbeit eine gute Übereinstimmung der berechneten Komfortfaktoren mit den Subjektivurteilen des Probanden nachweisen [18, S. 181]. Eine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse konnte ebenfalls (mit einer Abweichung von ±2 %) ermittelt werden [18, S. 182]. 14

31 2 Stand der Technik Nach Cucuz CUCUZ [27] entwickelt auf Basis von MITSCHKE [30, 31], bzw. der VDI 2057: [22, 26] Richtlinie ein Bewertungskriterium für den Schwingungsdiskomfort von Fahrzeuginsassen. Das Bewertungskriterium bewertet die Einwirkung regelloser, vertikaler Schwingungen an drei Einleitungsstellen im Frequenzbereich von 0,5 bis 20 Hz und gibt zudem Anhaltspunkte zur Bewertung von impulshaltigen, regellosen Schwingungsanregungen. Bewertet werden die Schwingungsanregungen am Sitz, den Füßen und den Händen in z-richtung (Abb. 2.1), wobei die Koordinatenrichtungen als körperfest definiert sind. Eine stärkere Wahrnehmung von Schwingungen stochastischer Art im Vergleich zu harmonischen Schwingungen gleicher Intensität, was die Hauptthese von CUCUZ darstellt, wurde experimentell nachgewiesen [27, S ]. Ausgehend von dieser Hypothese entwickelt er korrigierte frequenzabhängige Bewertungsfunktionen (Abb. 2.5) für regellose Schwingungen an den drei Einleitungsstellen. Der nicht stetige Verlauf der Bewertungsfunktionen ergibt sich aus der abschnittsweisen Definition der Kurven [27, S. 71]. Die Peaks der einzelnen Bewertungsfunktionen bei einer Frequenz zwischen 4 bis 8 Hz ergeben sich aus den Haupteigenfrequenzen des menschlichen Körpers, was eine erhöhte Schwingungsempfindlichkeit in diesem Bereich zur Folge hat [27, S. 82]. Der starke Anstieg der Kurven im niederfrequenten Bereich ergibt sich aus dem proportionalen Verhalten der Schwingungsempfindlichkeit des Menschen gegenüber den dominanten kinematischen Merkmalen der Schwingungsanregung in diesem Bereich [27, S. 91]. Abbildung 2.5: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach CUCUZ [27, S. 71]. 15

32 2 Stand der Technik Gewichtungsfaktoren (Tab. 2.6) zu den jeweiligen Einleitungsstellen, bei Anregung an mehreren Stellen, wurden mittels Probandenversuchen bestimmt, woraus ein Wahrnehmungsmodell für Fahrzeugschwingungen abgleitet werden konnte [27, S ]. Die Probandenstudie hatte einen Umfang von 18 bis 24, größtenteils männlichen Teilnehmern im Alter zwischen 20 und 33 Jahren. Bewertet wurden insgesamt 17 Anregungen, unterschiedlicher Frequenz, die an einem Simulator aufgebracht wurden [27, S ]. Ein größerer Gewichtungsfaktor bedeutet hierbei eine höhere Schwingungsempfindlichkeit sowie einen größeren Einfluss auf die bewertete Schwingstärke K. Tabelle 2.6: Gewichtungsfaktoren bei mehraxialer Anregung nach CUCUZ [27, S. 72]. Einleitungsstelle Gewichtungsfaktor Sitz 1,1 Fuß 1,3 Hand 0,75 Das Bewertungskriterium nach CUCUZ ist in Gl. (2.16), in Anlehnung an die bewertete Schwingstärke K der VDI 2057: (Abs ) [22, 26], dargestellt. Die Berechnungsvorschrift besteht aus drei Komponenten: den Gewichtungsfaktoren der Einleitungsstellen, dem Term zur K-Wert-Bestimmung nach der VDI 2057: und einem Term, der die Wahrnehmung der Impulsanteile beschreibt (in () Klammern). Hierbei werden die Terme, welche die Wahrnehmung der Impulsanteile beschreiben wahlweise vollständig berücksichtigt (Impulshaltigkeit festgestellt) oder nicht berücksichtigt (Impulshaltigkeit nicht festgestellt) [27, S. 107]. Die Funktionen zur Bewertung von transienten oder impulshaltigen Schwingungen wurden mittels einer Regressionsanalyse bestimmt [27, S ] und konnten mithilfe eines Detektionsverfahrens [32] in das Wahrnehmungsmodell für impulshaltige, regellose Schwingungen integriert werden. 2 K ges = 1,1 2 2 K,Sitz + 0, K,Hand + 1,3 2 2 K,Fuß 40π/s π/s = 1,1 2 2 [ B Sitz (ω)φ z Sitz (ω)dω 40π/s + 0, [ B Hand (ω)φ z Hand (ω)dω π/s 40π/s π/s + 1,3 2 2 [ B Fuß (ω)φ z Fuß (ω)dω 2 + (0,8 + 13,8z Sitz )] + (0,8 + 7,6z Hand )] 2 + (0,3 + 8,3z Fuß )] 2 (2.16) Eine Zuordnung der bewerteten Schwingstärke K zum subjektiven Schwingungsempfinden des Menschen erfolgt nach der VDI 2057: (Tab. 2.5). Hierbei sollten die Zuordnung sowie die entsprechenden Wertebereiche als eine Art Orientierungshilfe verstanden werden und keinesfalls als exakte Abbildung des subjektiven Empfindens des Insassen. 16

33 2 Stand der Technik Nach Klingner Das Verfahren nach KLINGNER [17] stellt eine Methode zur Bewertung des Schwingungsdiskomforts sowie zur Bestimmung der Belastungsgrenze des Menschen aufgrund wirkender Ganz- Körper-Schwingungen dar. Betrachtet werden hierbei periodische und stochastische Schwingungen in einem Frequenzbereich von 0 bis maximal 80 Hz [17, S. 66]. KLINGNER erweitert den von CUCUZ entwickelten Ansatz (Abs ) um zwei rotatorische Komponenten (Nicken und Wanken), sowie zwei translatorische Komponenten an der Rückenlehne als auch die bei CUCUZ jeweils zwei fehlenden translatorischen Komponenten an den Füßen und dem Sitz [17, S ]. Für eine frequenzabhängige Bewertung der Beschleunigungen an den jeweiligen Einleitungsstellen und -richtungen greift KLINGNER auf Bewertungsfunktionen (Abb. 2.6) verschiedener Autoren zurück. Hierbei verwendet er für Anregungen am Sitz, den Händen und den Füßen in z- Richtung (Abb. 2.1) die, für periodische Anregungen angepassten, Bewertungsfunktionen nach CUCUZ [27, S. 71]. Die Bewertungsfunktionen für Anregungen am Sitz in x- und y-richtung (Abb. 2.1) entnimmt KLINGNER der VDI 2057:1987 [26, S. 2-3]. Die Bewertungsfunktionen der Winkelbeschleunigungen (Nicken und Wanken) entstammen der Arbeit von SIMIC [33], wobei die Werte der Bewertungsfunktion für Winkelbeschleunigungen um die x-achse (Wanken) mit einem von GRIFFIN [34] ermittelten Faktor, für das Verhältnis von Wanken zu Nicken, von 1,575 multipliziert wurden. Alle weiteren Bewertungsfunktionen sind der Arbeit von GRIFFIN [34] entnommen [17, S ]. Abbildung 2.6: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach KLINGNER [17, S ]. 17

34 2 Stand der Technik Der Gesamtschwingungskomfort berechnet sich nach Gl. (2.17), wobei zur Berechnung der bewerteten Schwingstärke K nach Gl. (2.18) auf das Verfahren nach der VDI 2057:1987 [22, 26] zurückgegriffen wird [17, S. 68]. Das unterschiedlich starke Empfinden von Schwingungen an den verschiedenen Einleitungsstellen und -richtungen wird hierbei in Gl. (2.17) bis Gl. (2.18) durch multiaxiale Gewichtungsfaktoren G Mai (Tab. 2.8) berücksichtigt. Eine stärkere Bewertung der stochastischen Schwingungen, aufgrund der größeren Empfindlichkeit für stochastische Schwingungen im Vergleich zu periodischen Schwingungen [12, 13, 27, 28, 35 39], findet anhand der stochastischen Gewichtungsfaktoren G Sti (Tab. 2.8) statt [17, S. 36] K pi K 2 g = K 2 p + K 2 St = G Mai i= K Sti + G Mai i=1 (2.17) K g 2 = 11 i=1 2 G Mai ω 1 + ω 2 ω 1 ω 2 B 2 pi (ω)φ pi (ω)dω 11 + G Mai i=1 2 G Sti 2 B 2 pi (ω)φ Sti (ω)dω 0 (2.18) Tabelle 2.7: Zuordnung der stochastischen und multiaxialen Gewichtungsfaktoren zu den entsprechenden Einleitungsstellen und -richtungen nach KLINGNER [17, S. 67]. Einleitungsstelle Richtung Stochastische Gewichtungsfaktoren GSti Multiaxiale Gewichtungsfaktoren GMai Sitz x, y 1,23 1,47 z 1,26 1,1 rx 1,23 0,98 ry 1,23 1,16 Rückenlehne x 1,25 1,09 y 1,23 1,085 Fuß x, y 1,28 1,28 Hand z 1,26 0,75 Die Methode nach KLINGNER erlaubt die Angabe einer Komfort- sowie einer Beanspruchungsgrenze des Menschen in einem Fahrzeug bei auf ihn einwirkenden Ganz-Körper-Schwingungen anhand des Gesamtschwingungskomforts K g [17, S ]. Demnach entsprechen Schwingungen, die einen Gesamtschwingungskomfortwert K g unterhalb des Werts der Komfortgrenze (Tab. 2.8) aufweisen, einem nicht unkomfortablen Subjektivempfinden. 18

35 2 Stand der Technik Tabelle 2.8: Komfort- und Beanspruchungsgrenze anhand des Werts des Gesamtschwingungskomforts Kg nach KLINGNER. Art der Grenze Gesamtschwingungskomfort Kg Standardabweichung Komfortgrenze 17,2 3,3 Beanspruchungsgrenze 36,4 5, Nach Hennecke Beruhend auf der zentralen These, dass stochastische Schwingungen vom Menschen stärker empfunden werden als regelmäßige, entwickelt HENNECKE [28] einen Kennwert zur objektiven Beschreibung des Schwingungsdiskomforts im Frequenzbereich von 1 bis 50 Hz. Die Gültigkeit der Methode nach HENNECKE schränkt sich zudem auf die Summe von Hub- und Nickschwingungen ein, wobei HENNECKE eine Gültigkeit der Methode für andere Anregungspositionen und -richtungen in Aussicht stellt, sollte eine geeignete Summationsvorschrift vorliegen [28, S ]. Der Kennwert des Schwingungsdiskomforts nach HENNECKE berechnet sich, in Anlehnung an die K-Wert-Methode nach der VDI 2057 [22, S. 5-6], durch Multiplikation eines Instationärfaktors IF w mit dem K-Wert der VDI-Norm Gl. (2.19). Wobei IF w, unter Berücksichtigung der Ermittlung der Bewertungsfilter der VDI, nach Gl. (2.20) als vierte Wurzel der normierten Kurtosis Ku zur Kurtosis einer reinen Sinusschwingung Ku S definiert ist [28, S ]. Aus Gründen der Berechenbarkeit in der Praxis wird jedoch auf die Methode des kubischen Mittelwerts (root-meanquad) nach GRIFFIN und WHITHAM [19], die bis auf einen konstanten Faktor von 0,9 äquivalent zu der Methode von HENNECKE ist [28, S ], zurückgegriffen Gl. (2.21). K erw = K VDI IF w = K VDI [ Ku 1,5 ] 0,25 IF w = [ Ku 0,25 ] Ku S K erw = 0,9 k n [ 1 T e T e a 4 w (t) dt 0 0,25 ] (2.19) (2.20) (2.21) HENNECKE konnte, durch die Einführung eines Instationärfaktors erstmals eine Berücksichtigung der Amplitudeneigenschaften der Anregung in ein korrelatives Verfahren aufnehmen. Damit bewältigt das Verfahren einen der großen Kritikpunkte von korrelativen Ansätzen mit einer Bewertung der Schwingungen im Frequenzbereich [1, S. 2]. Eine Frequenzbewertung der Beschleunigungswerte erfolgt für Nickschwingungen anhand einer Filterfunktion nach SIMIC [33] (Abb. 2.1) sowie für Anregungen am Sitzkissen in z-richtung (Abb. 2.1) nach der VDI 2057:1987 [26, S. 2-3] (Abb. 2.7). Zudem wird vor der Frequenzbewertung eine Bandbegrenzung der Anregungssignale anhand eines in der DIN :1981 [40, S. 8-9] definierten Frequenzgangs, durchgeführt [28, S. 98]. Der Gesamt-K-Wert bei gleichzeitiger Hub- und Nickanregung wird nach Gl. (2.22) aufbauend auf den Arbeiten von MITSCHKE [31] und CUCUZ [27] als Vektorsumme mit zusätzlichen Gewichtungsfaktoren berechnet. K ges = KZ2 erw + (2,34 Kφ erw ) 2 (2.22) 19

36 2 Stand der Technik Abbildung 2.7: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach HENNECKE [28, S ] Nach Kosfelder KOSFELDER [29] entwickelt ein von den Kontaktpunkten zwischen dem Fahrer und dem Fahrzeug abweichendes Verfahren zur Objektivierung des Schwingungsdiskomforts. Die Komfortbewertung beruht auf der Bewertung der, in globale Bewegungsformen zerlegte, Fahrzeugbewegung. Die Komfortbewertung findet anhand der Bewegungsformen Hub, Nicken, Wanken und Torsion in einem Frequenzbereich von 0,5 bis 40 Hz unter Ausschluss transienter Anregungen statt [29, S ]. Vernachlässigt werden die elementaren Biegeformen (Uund Z-Biegung), weil diese bei normaler Straßenfahrt nur mit geringen Amplituden angeregt werden [29, S. 1632]. Die Messung der Beschleunigungen fand an zehn steifen Strukturpunkten des Fahrzeugs statt [29, S. 1636]. Zudem wurden die Beschleunigungen an den Kontaktstellen Boden, Lenkrad und Sitz triaxial erfasst [29, S. 1636]. Zur Steigerung der Reproduzierbarkeit wurden die Messungen von jeweils zehn Messfahrten gemittelt [29, S. 1636]. Die bewertete Schwingstärke K r,ges berechnet sich aus der Summe der Quadrate der bewerteten Schwingstärken K j der einzelnen Bewegungsformen j, die zuvor mit einem fahrzeugspezifischen Vorfaktor X j multipliziert wurden Gl. (2.23) [29, S. 1637]. Die bewerteten Schwingstärken K j der einzelnen Bewegungsformen j werden nach der Methode der K-Wert-Berechnung der VDI :2002 [23] aus dem, über die Frequenz integrierten, Produkt der quadrierten Bewertungsfunktion B M und der spektralen Leistungsdichte Φ j der jeweiligen Bewegungsform berechnet Gl. (2.24) [29, S ]. 20

37 2 Stand der Technik K r,ges = X 1 K r,hub + X 2 K r,nicken + X 3 K r,wanken + X 4 K r,torsion (2.23) f 2 K 2 j = B 2 M (f)φ j (f)df f 1 (2.24) Die Amplituden der einzelnen globalen Bewegungsformen werden zuvor mithilfe einer orthogonalen Ansatzform [41, 42] aus den gemessenen Beschleunigungen an den zehn steifen Strukturpunkten bestimmt Gl. (2.25) [29, S. 1633]. Hierbei bezeichnet M den Vektor der Messdaten, R einen Fehlervektor, B eine Matrix mit den Positionen der Messpunkte und A den Vektor der Amplituden der einzelnen globalen Bewegungsformen [29, S. 1633]. Die Bewertungsfunktion B M bestimmt KOSFELDER aus der Mittelung der drei interpolierten (bis 40 Hz erweiterten) Bewertungsfunktionen nach CUCUZ (Abb. 2.5) [29, S ]. Schließlich erfolgt eine Abbildung (Anpassung) der berechneten, bewerteten Schwingstärke K r,ges auf eine Skalenstufe N r, der verwendeten zehnstufigen Skala (eins bis zehn) zur Bewertung des subjektiv empfundenen Diskomforts durch die Probanden Gl. (2.26) [29, S ]. M(t) R(t) = B A(t) (2.25) N r = S t (9 5 log(k r,ges )) (2.26) Der in der Abbildungsvorschrift Gl. (2.26) verwendete Faktor ( Straßenfaktor ) S t sowie die in der Gl. (2.24) verwendeten Vorfaktoren X j wurden, im Rahmen eines Vorversuchs durch eine Korrelation über einen Datensatz (bestehend aus der bewerteten Schwingstärke K r,ges und dem zugehörigen Subjektivurteil N r) von acht Fahrzeugen, ermittelt [29, S. 1639]. Diese Faktoren sind abhängig von der jeweiligen Versuchsstrecke und dem verwendeten Versuchsfahrzeug. Das dargestellte Verfahren nach KOSFELDER ist jedoch ausschließlich bei unauffälligen Schwingungseigenschaften an den Kontaktstellen zwischen dem Fahrer und dem Fahrzeug definiert [29, S. 1639]. Im Allgemeinen sind jedoch zur Berechnung des Komfortkennwerts K r,ges nach KOSFELDER Ergänzungen notwendig [29, S. 1639]. Diese Ergänzungen umfassen eine Erweiterung der Berechnungsvorschrift für K r,ges Gl. (2.23) um die Summanden der einzelnen bewerteten Schwingstärken K j Gl. (2.24) der drei Kontaktstellen (Boden, Lenkrad und Sitz) zwischen Fahrer und Fahrzeug [29, S. 1639]. 2.3 Maschinelle Lernverfahren Maschinelles Lernen hat zum Ziel, ausgehend von Beispieldaten die Muster oder Gesetzmäßigkeiten einer Problemstellung zu erlernen. [43, S. 1] Hierbei wird zwischen dem überwachtem, unüberwachtem oder halb-überwachtem Lernen, je nach Verfügbarkeit der (zu den Trainingsdaten zugehörigen) Zielwerten, unterschieden. Dementsprechend liegen beim überwachten Lernen zu allen Trainingsdatensätzen bereits die zugehörigen Zielwerte vor [43, S. 1-2]. Bei der Objektivierung des Vertikaldynamikdiskomforts handelt es sich, aufgrund des Übergangs von n Merkmalen zu einem quantifizierbaren Komforturteil, um ein typisches Klassifikationsproblem, was die Anwendung maschineller Lernverfahren nahelegt [1, S. 4]. Aufgrund dessen werden beispielhaft zwei Methoden des maschinellen Lernens zur Lösung eines Klassifikationsbzw. Regressionsproblems der Objektivierung des Vertikaldynamikkomforts vorgestellt. Vorgestellt werden die Anwendung künstlich neuronaler Netze (KNN) sowie die Methode der 21

38 2 Stand der Technik Random Forests zur Komfortwertbestimmung. Es handelt sich bei beiden Verfahren um ein überwachtes maschinelles Lernen. Künstliche Neuronale Netze (KNN) sind informationsverarbeitende Systeme, mit denen es möglich ist, einen Eingangsdatensatz (objektive Messwerte) mit einem Ausgangsdatensatz (subjektiver Komfortwert) zu verknüpfen [44, S. 159]. Dabei ist es ihnen möglich beliebige Zusammenhänge zwischen Ein- und Ausgangsdaten zu approximieren [45, S. 199]. KNN besitzen die Fähigkeit das Lösen einer Aufgabe selbstständig aus Trainingsbeispielen zu erlernen, ohne explizit darauf programmiert werden zu müssen [46]. KNN sind aus einzelnen Neuronen aufgebaut, die in ihrer Topologie schichtweise zueinander angeordnet sind. Ein KNN besitzt dabei immer eine Eingabeschicht, eine Ausgabeschicht und beliebig viele, aber mindestens eine, verdeckte Schichten (Zwischenschichten) [1, S. 22]. Die Anzahl der Neuronen in der Ein- und Ausgabeschicht entspricht jeweils der Anzahl der Ein- und Ausgebewerten [44, S. 171]. Die Anzahl der Neuronen der verdeckten Schicht ist frei wählbar (beträgt aber mindestens Eins) [44, S. 171]. Die einzelnen Neuronen sind untereinander verknüpft, wobei die Eingänge eines jeden Neurons sowohl Netzeingänge, als auch Ausgänge anderer Neuronen sein können [45, S. 203]. Die Art der Verbindung ist frei wählbar und kann sowohl zu Neuronen in Richtung Netzausgang, als auch in Richtung Netzeingang erfolgen. In den für diese Arbeit relevanten Bereichen haben sich jedoch Feedforward-Netze durchgesetzt, bei denen eine Informationsweiterleitung lediglich in Richtung Netzausgang stattfindet. Jeder Verbindung in einem KNN ist eine reelle Zahl als Gewicht w i zugeordnet, welche die Stärke (Bedeutsamkeit) der Verbindung beschreibt [44, 171]. Die Summe der gewichteten Eingangssignale entspricht dem Nettoinput net Gl. (2.27) des Neurons [44, S. 171]. Die Übertragungsfunktion (meist nicht linear) bestimmt, in Abhängigkeit des Nettoinputs, den Output y des Neurons [44, S. 171]. Anschaulich lässt sich die Arbeitsweise eines künstlichen Neurons wie folgt beschreiben: Die Verbindungen eines Neurons nehmen Aktivierungen x i mit bestimmten Verstärkungen w i auf, summieren diese und lassen am Ausgang y des Neurons eine Aktivität entstehen, sofern die Summe vorher einen Schwellenwert überschritten hat [47]. Der schematische Aufbau eines künstlichen Neurons ist in Abbildung 2.8 dargestellt. net = w i x i i (2.27) 22

39 2 Stand der Technik Eingänge x 2 x 1 x 3 w 1 w 2 w 3 Gewichte b Schwellwert Übertragungsfunktion y Ausgang Abbildung 2.8: Schematischer Aufbau eines künstlichen Neurons. Auf Basis von Trainingsdaten müssen während des Netztrainings die Wichtungen w i nach einmaliger Initialisierung so angepasst werden, dass die errechneten Ausgabewerte möglichst genau dem gewünschten Zielwert entsprechen [1, S. 22]. Hierbei kommen die verschiedensten Trainingsalgorithmen zum Einsatz [45, S. 205]. Das Verhalten von KNN ist von vielen Faktoren abhängig und kann unter anderem durch eine Variation der folgenden Parameter stark beeinflusst werden [44, 45]: Aufbau der Netztopologie Anzahl der verdeckten Schichten, Anzahl der Neuronen pro verdeckter Schicht, Wahl des Trainingsalgorithmus, Wahl der Übertragungsfunktion des Neurons und Anfängliche Initialisierung der Gewichte w i. Die Überanpassung (Overfitting) des KNN an die Trainingsdaten und demnach ein Verlust der Generalisierungsfähigkeit stellt das größte Problem bei der Verwendung von KNN zur Lösung 23

40 2 Stand der Technik von Klassifikationsproblemen dar. Eine Überanpassung findet immer dann statt, wenn einer großen Anzahl an verdeckten Neuronen nur eine geringe Anzahl an Beispieldaten gegenübersteht [45, S ]. Demnach ist es von Vorteil Netze mit möglichst wenig Neuronen zu verwenden [45, S. 204]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Anwendung künstlich neuronaler Netze immer dann sinnvoll ist, wenn eine Korrelation zwischen verschiedenen Daten vermutet wird, deren Gesetzmäßigkeit jedoch unbekannt ist [48]. Die Methode des Random Forests, als weitere Methode zur Lösung von Klassifikationsproblemen mittels maschineller Lernverfahren, bewältigt einige Probleme der KNN [1, S. 101]. Die Grundidee des Random Forests besteht in der Erzeugung eines idealen Klassifikators (beste Klassifizierung) durch die Verwendung mehrerer Entscheidungsbäume (Verbindung von Wenn- Dann-Aussagen) zur Findung eines Zielwerts (Komforturteil). Das Ergebnis des Random Forests ist dabei die Klasse (Wert des Zielattributs), die von den meisten Bäumen entschieden wurde (Mehrheitsprinzip) [1, S. 105]. Aufgebaut ist der Random Forest (Wald) aus einer beliebigen Anzahl von Entscheidungsbäumen, die aus einem zufällig ausgewählten Bruchteil der Trainingsdaten erstellt wurden [1, S ]. Demnach sieht jeder Knoten im Baum lediglich k der n Merkmale (aufbereitete Eingangsdaten zur Übergabe der relevanten Informationen des zu lösenden Problems) zur Bestimmung der maximalen Verringerung der Unsicherheit zur Findung des Zielattributs (Entropiebestimmung) [1, S ]. So kann ein maximal unkorrelierter Wald und eine minimale Abweichung zum idealen Klassifikator erreicht werden [49]. Aufgrund des Aufbaus des Random Forests kann eine gute Generalisierbarkeit erreicht werden und der Generalisierungsfehler bereits im Vorhinein abgeschätzt werden [1, S. 105]. Eine weitere herausragende Eigenschaft des Random Forests besteht in der Möglichkeit der Relevanzprüfung des Einflusses der einzelnen Merkmale auf den Wert des Zielattributs und damit des Einflusses (Wahrnehmungsstärke) auf das Subjektivurteil des Probanden [1, S ]. 2.4 Menschmodelle In diesem Kapitel soll auf die Verwendung von Softwaredummys zur Bestimmung des Vertikaldynamikkomforts eingegangen werden. Hierbei werden weitestgehend numerische Modelle der menschlichen Morphologie (Zusammenfassung der Anatomie (innere Gestalt) und der Eidonomie (äußere Gestalt) [50, S. 1214]) verwendet, um Komfortindikatoren, wie beispielsweise die Sitzdruckverteilung, zu simulieren [51, S ]. Menschmodelle lassen sich derzeit im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilen: anthropometrische Modelle und biomechanische Modelle [1, S. 25]. Wobei anthropometrische Modelle vorzugsweise zur Untersuchung ergonomischer Gesichtspunkte verwendet werden und in der Bewertung des dynamischen Sitzkomforts selten Anwendung finden [1, S. 25]. Als wichtigster Vertreter der anthropometrischen Modelle sei als derzeit umfangreichstes Modell RAMSIS zu erwähnen, weil dieses weltweit in der Industrie und Forschung zur Packagebewertung sowie Konstruktion eingesetzt wird [1, 51]. Anhand von anthropometrischen 24

41 2 Stand der Technik Modellen werden demnach die Grundlagen einer weiteren Betrachtung des statischen und dynamischen Sitzkomforts gebildet. Zur Bestimmung des Vertikaldynamikkomforts, bzw. im Allgemeinen zur Bestimmung des statischen sowie dynamischen Sitzkomforts, werden biomechanische Modelle herangezogen. Ein ausführlicher Vergleich der bestehenden Modelle wurde in [1, 51] durchgeführt. Die wesentlichen Ergebnisse werden in (Tab. 2.9) zusammengefasst. Tabelle 2.9: Übersicht der numerischen biomechanischen Menschmodelle zur Sitzkomfortbewertung. Umfang Charakterisierung MOES, 2000 SCHMALE, 2002 VERVER, 2004 WÖLFEL et. al. Detailliertes FE-Modell eines Oberschenkels und einer Hälfte des Beckens. MKS-Modell des Menschen und FE-Modell des Sitzes. Kombiniertes MKS und FE-Modell. CASIMIR FE-Modell des sitzenden Menschen. Zur Bewertung des Sitzkomforts erstellt Abbildung der Weichteile und Knochenstruktur Modell nicht validiert Anbindung an RAMSIS Druckverteilung nicht berechenbar, aufgrund nicht deformierbarer Weichteile Nicht validiert Zur Bewertung des Sitzkomforts erstellt Lediglich bei statischen Bedingungen validiertes FE-Modell Kontur basiert auf einem postmortalen männlichen Körper Detailliertes Modell der Skelettstruktur sowie der Weichteile des Oberschenkels, des Gesäßes und des Rückens [52, S. 416] Variabel in Perzentil und Haltung Sitzdruckverteilung berechenbar Sitzübertragungsfunktion berechenbar Ungeachtet der Möglichkeiten der Bestimmung der Sitzdruckverteilung sowie der Sitzübertragungsfunktion mithilfe des derzeit umfangreichsten biomechanischen Modells: CASIMIR ist es dennoch nicht möglich auf ein subjektives Komforturteil zu schließen. KNAUER [1] weißt auf das Fehlen eines Wahrnehmungsmodells sowie eines Reizverarbeitungsmodells hin, mittels derer (auf Grundlage berechneter Spannungen und Kräfte im menschlichen Körper) ein Komforturteil bestimmt werden könnte. Diese wären notwendig, weil die Sitzübertragungsfunktion (die mithilfe eines biomechanischen Modells berechnet werden kann) nicht als alleiniger Indikator für den dynamischen Sitzkomfort zu Rate gezogen werden kann. Demnach ist zum aktuellen Stand der Technik weder mit einem anthropometrischen noch mit einem biomechanischen Modell die Bildung eines repräsentativen Komforturteils (aufgrund eines fehlenden Wahrnehmungs- und Reizverarbeitungsmodells) möglich. 25

42 2 Stand der Technik 26

43 3 Grundlagen Dieses Kapitel umfasst eine Einführung in die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Grundlagen der empirischen Forschung und Statistik. Es wird hierbei jedoch kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben, sondern nur die im Rahmen dieser Arbeit relevanten Methoden und Teilbereiche erläutert. Im Abschnitt 3.1 werden Methoden zur systematischen Sammlung von Daten und Prüfung theoretischer Aussagen im Hinblick auf das Ausmaß ihrer Übereinstimmung mit der Realität [53, S ] dargestellt. Der Abschnitt 3.2 umfasst die Grundlagen der Analyse und Auswertung der gesammelten Daten mittels statistischer Methoden sowie eine Erklärung der verwendeten Begrifflichkeiten der Statistik. 3.1 Grundlagen der empirischen Forschung Das Vorgehen dieser Arbeit folgt allgemein gesehen einem deduktiven Ansatz. Entsprechend werden die prognostizierten Ergebnisse (Komfortwerte) bestehender Verfahren mit tatsächlich gewonnenen Ergebnissen konfrontiert [53, S. 60]. Ist das Gegenteil der Fall, sprich eine Generalisierung von beobachteten Regelmäßigkeiten, handelt es sich um eine Induktion [53, S. 60]. Des Weiteren basiert die vorliegende Arbeit auf dem Grundgedanken des kritischen Rationalismus nach POPPER [54]. Dieser stellt einen Gegensatz zur konventionellen Wissenschaftstheorie dem logischen Empirismus dar und geht von einer nicht verifizierbaren Theorie (Verfahren) aus [53, S ]. Stattdessen folgt der Ansatz des kritischen Rationalismus der Idee der Überprüfung einer Theorie (Verfahren) mittels einem Falsifizierungsversuch (also dem Nachweis, dass sie falsch ist) [55, S ]. Ein gescheiterter Falsifizierungsversuch hat die Steigerung der Güte einer Theorie (Verfahren) zur Folge. Zur Überprüfung eines Verfahrens mittels empirischer Untersuchungen ist es notwendig Daten zu erheben. Diese Daten werden anhand einer Messung gewonnen, die zum Ziel hat die Ausprägung eines Merkmals, die bei einem bestimmten Objekt (oder einer Person) zu einem bestimmten Zeitpunkt gegeben ist, zu ermitteln [55, S ]. Jede Messung ist dabei den drei Kardinalsproblemen der Messtheorie unterworfen: dem Repräsentationsproblem, dem Eindeutigkeitsproblem und dem Bedeutsamkeitsproblem [55, S ]. Das Repräsentationsproblem beschreibt die Problematik, ob ein bestimmtes Merkmal überhaupt messbar ist [55, S ]. Diese Frage stellt sich (im Rahmen dieser Arbeit) vor allem bei der 27

44 3 Grundlagen Messung subjektiver Merkmalsausprägungen, wie der Wahrnehmung des Diskomforts. Das Eindeutigkeitsproblem beschreibt das Problem der Transformation der Messwerte ohne einen Verlust der enthaltenen Informationen [55, S ] und tritt in dieser Arbeit bei der Anpassung der objektiven Kennwerte zu den Skalenstufen der subjektiven Messwerte auf (Abs. 5.3 und Abs. 6.1). Das Bedeutsamkeitsproblem behandelt die Frage, welche mathematischen Operationen mit den Messwerten zu empirisch sinnvollen Aussagen führen [55, S ] und stellt die Grundlage der Einschränkungen der Verwendbarkeit einiger mathematischer Verfahren für Daten niedriger Datenniveaus (Abs. 3.2) dar. Für die Erhebung von Daten ist erforderlich Messungen, bzw. Tests durchzuführen. Eine Messung sollte dabei stets die drei Hauptgütekriterien: Objektivität, Reliabilität und Validität erfüllen [56, S. 9]. Die drei genannten Hauptgütekriterien bauen in gewisser Weise aufeinander auf [55, S ]. Objektivität beschreibt die Unabhängigkeit der Ergebnisse vom Beobachter (Versuchsleiter) [55, S. 70]. Die Objektivität eines Tests kann in drei Aspekte differenziert werden: Durchführungs-, Auswertungs- und Interpretationsobjektivität [55, S. 70]. Die Durchführungsobjektivität beschreibt die Unabhängigkeit der Ergebnisse von Verhaltensvariationen des Untersuchenden während der Testdurchführung [55, S. 70]. Die Auswertungsobjektivität beschreibt die Unabhängigkeit des Testergebnisses von der Auswertung der Messergebnisse durch unterschiedliche Anwender [55, S. 70]. Die Interpretationsobjektivität beschreibt die Unabhängigkeit der Folgerungen verschiedener Anwender aus demselben Testergebnis [55, S. 71]. Die Reliabilität bezeichnet die Zuverlässigkeit oder Messgenauigkeit eines Messinstruments [55, S ]. Es gilt, dass die Messung eines unveränderten Objekts stets zu demselben Messergebnis führen sollte [55, S ]. Die klassische Testtheorie geht jedoch von der Grundannahme aus, dass jeder beobachtete Messwert X aus einem konstanten (wahren) Wert T und einem unsystematischen Messfehler E zusammengesetzt ist. Demnach lässt sich die Reliabilität r tt eines Messinstruments als Quotient der Varianz der wahren Werte T durch die Varianz der Messwerte X definieren Gl. (3.1) [55, S. 73]: r tt = s T 2 s X 2 = s 2 T s 2 2 T + s E (3.1) Die Überprüfung der Reliabilität eines Verfahrens basiert auf der grundlegenden Idee der Bestimmung von mindestens zwei Messwerten für jeden Probanden [55, S ]. Eine Überprüfung findet beispielsweise mittels der Testhalbierungsmethode statt, bei der ein Proband einen Test (Messung) lediglich einmal durchläuft und dessen Ergebnisse im Anschluss geteilt werden, um zwei Messwerte für einen Probanden zu erhalten [55, S. 75]. Die Validität beschreibt die Übereinstimmung des gemessenen Merkmals mit dem Merkmal, das gemessen werden soll [55, S ] und demnach die Güte der Operationalisierung des interessierenden Merkmals [55, S. 75]. Dementsprechend gestaltet sich die Überprüfung der Validität des Messinstruments bei der Messung einer latenten (nicht direkt beobachtbaren) Variable wie dem subjektiv empfundenen Diskomfort als äußerst schwierig [55, S. 75]. Die 28

45 3 Grundlagen Validität eines Messinstruments lässt sich in drei Aspekte gliedern: der Inhaltsvalidität, der Kriteriumsvalidität und der Konstruktvalidität [55, S ]. Die Inhaltsvalidität beschreibt die Repräsentativität der Auswahl der Items eines Tests (Bestandteile aus denen eine Test oder Fragebogen aufgebaut ist) aus der Menge aller Items, die das Merkmal erfassen [55, S. 76]. Eine formale Überprüfung der Inhaltsvalidität ist nicht möglich und wird lediglich auf der Basis subjektiver Urteile von Experten durchgeführt [55, S. 76]. Die Kriteriumsvalidität beschreibt die Übereinstimmung der Testergebnisse mit bestimmten Kriterien (Variablen), die mit den Testwerten zusammenhängen [55, S ]. Die Konstruktvalidität beschreibt die Übereinstimmung möglichst vielfältiger Hypothesen über das gemessene Merkmal mit dem Testergebnis und stellt einen fortdauernden Prozess dar [55, S. 78]. Im Rahmen einer Messung können verschiedene (störende) Effekte auftreten, welche im Folgenden kurz erläutert werden sollen. So können neben personengebundenen Störvariablen (Eigenschaften der Probanden, die das Ergebnis der Messung beeinflussen, jedoch nicht als Ursache der untersuchten Hypothese genannt werden) zudem störende Effekte durch das Design (Aufbau) der Studie selbst auftreten. Für diese Arbeit relevante störende Effekte sind hierbei: der Erwartungseffekt, der Positionseffekt und der Carry-Over-Effekt Der Erwartungseffekt beschreibt das Phänomen der Beeinflussung des Verhaltens der Probanden und der daraus resultierenden Beeinflussung des Ergebnisses durch eine bestehende Erwartungshaltung der Probanden gegenüber einem oder mehreren Bestandteilen des Versuchs [55, S ]. Der Positionseffekt beschreibt die Veränderung des Verhaltens der Probanden über die Zeit bei einem aufeinanderfolgendem Durchlaufen mehrerer experimenteller Bedingungen [55, S. 152]. Der Carry-Over-Effekt beschreibt eine Beeinflussung des Verhaltens aufgrund der Reihenfolge der verschiedenen experimentellen Bedingungen [55, S ]. Im Rahmen des Carry-Over-Effekts kann unteranderem von einem Lern-Effekt gesprochen werden. Die Kontrolle dieser Störvariablen kann anhand verschiedener Strategien erfolgen. Die Kontrolle stellt neben der Manipulation der unabhängigen Variable (Variable, die während des Experiments manipuliert wird und Auswirkungen auf die zu messende Variable (abhängige Variable) hat [55, S. 124]) das zweite essenzielle Bestimmungsstück von Experimenten dar [55, S. 126]. Die wohl wichtigste Kontroll-Methode besteht in der Randomisierung [55, S. 130]. Randomisierung bezeichnet die zufällige Zuweisung der Probanden zu den verschiedenen Bedingungen eines Experiments und bietet den Vorteil, dass neben bekannten Störvariablen (wie personengebundener Störvariablen) zusätzlich unbekannte Störvariablen kontrolliert werden [55, S ]. Ausbalancieren (Balancieren) bezeichnet die Erstellung und gleichmäßige Zuweisung aller möglichen Reihenfolgen der Versuchsbedingungen zu einer gleich großen Anzahl an Probanden [55, S ]. Generell handelt es sich bei einem Experiment, bei dem unterschiedliche Bedingungen verschiedenen Personen (oder Objekten) zugeordnet werden, um ein experimentelles Design mit unabhängigen Gruppen bzw. ein Between-Subjects-Design [55, S. 129]. 29

46 3 Grundlagen 3.2 Grundlagen der Statistik Die Analyse und Auswertung der, mittels der empirischen Methoden gewonnenen, Daten erfordert eine Abbildung der empirischen Relationen auf ein numerisches Relativ. Das empirische Relativ umfasst hierbei eine Menge von Objekten und ein oder mehrere beobachtbare Relationen zwischen diesen Objekten [55, S. 56]. Die Menge von Objekten enthält jeweils diejenigen Objekte (oder Personen), die gemessen werden sollen [55, S. 56]. Innerhalb des empirischen Relativs können folgende Relationen beobachtet werden: Äquivalenzrelation: Beschreibt die gleiche Ausprägung eines Merkmals verschiedener Objekte [55, S. 56]. Ordnungsrelation: Bringt die stärkere Ausprägung eines Merkmals bei einem Objekt im Vergleich zu der Ausprägung des gleichen Merkmals bei einem anderen Objekt zum Ausdruck [55, S. 56]. Das numerische Relativ besteht aus einer Menge von Zahlen und einer bestimmten Anzahl von definierten Relationen zwischen diesen Zahlen, welche die Eigenschaften der Relationen des empirischen Relativs anhand der Gleichheitsrelation (=) sowie der Größer-Kleiner-Relation (>) wiedergeben [55, S. 56]. Die Abbildung (Abbildungsvorschrift) beschreibt die Regel, nach der die Zuordnung eines Objekts aus dem empirischen Relativ zu einer Zahl aus dem numerischen Relativ erfolgt [55, S. 56]. Ausschlaggebend für eine weitere Analyse der Daten ist hierbei, dass es sich bei der gewählten Abbildung um eine homomorphe Abbildung handelt. Homomorphismus bezeichnet hierbei die Bedingung, dass die beobachteten Relationen zwischen den Objekten einer Messung durch die Relationen zwischen den zugeordneten Zahlen des numerischen Relativs zum Ausdruck gebracht werden [55, S. 57]. Eine Skala ist die Gesamtheit aus: einem empirischen Relativ, einem numerischen Relativ und einer homomorphen Abbildung zwischen diesen [57, S ]. Skalen können in verschiedene Skalenniveaus klassifiziert werden, die den jeweiligen Informationsgehalt der Daten der Skala zum Ausdruck bringen. Das Skalenniveau ist eine Beschreibung der Relationen, die im empirischen Relativ bestimmt werden können und die bei der Messung berücksichtigt werden [55, S. 57]. Die Eigenschaften der wichtigsten Skalenniveaus werden in Tabelle 3.1 zusammengefasst und sind in der Reihenfolge eines zunehmenden Informationsgehalts sortiert. Aufgrund ihrer Verwendung in dieser Arbeit werden die Eigenschaften der Nominal- und Ordinalskala im Folgenden näher erläutert. 30

47 3 Grundlagen Tabelle 3.1: Eigenschaften der wichtigsten Skalenniveaus [55, S. 67]. Skala Mögliche Aussage Zulässige Transformation Lagemaße Nominal Gleichheit/ Ungleichheit Ein-eindeutige Modus (Modalwert) Ordinal Größer-Kleiner-Relation Monoton steigende + Median Intervall Gleichheit von Differenzen Lineare (y = ax + b) + arithmetisches Mittel Verhältnis Gleichheit von Verhältnissen Proportionale (y = ax) + geometrisches Mittel Absolut + natürliche Maßeinheit Keine Eine Messung auf dem Niveau nominalskalierter Daten setzt lediglich das Bestehen einer Äquivalenzrelation im empirischen Relativ voraus [55, S. 61]. Dementsprechend beinhalten nominalskalierte Messwerte ausschließlich Informationen über die Gleichheit oder Verschiedenheit (Ungleichheit) von Merkmalsausprägungen [55, S ]. Statistische Verfahren zur Analyse solcher Daten (nominalskalierter Daten) nutzen ausschließlich Informationen über die Häufigkeit, mit der verschiedene Merkmalsausprägungen aufgetreten sind [55, S ]. Messungen auf dem Niveau ordinalskalierter Daten setzten das Bestehen einer schwachen Ordnungsrelation im empirischen Relativ voraus [55, S ]. Die Feststellung einer stärkeren, schwächeren oder genauso großen Ausprägung eines Merkmals zweier Objekte muss möglich sein [55, S ]. Ordinalskalierte Daten erlauben keine Aussage über die Größe des Unterschieds zwischen den Ausprägungen eines Merkmals zweier Messobjekten [55, S ]. Alle Transformationen, welche die Rangfolge der Messwerte erhält, sind zulässig dies sind alle monoton steigenden Transformationen [55, S ]. Statistische Verfahren zur Analyse ordinalskalierter Daten nutzen ausschließlich Ranginformationen der Ausprägungen der Merkmale der Messobjekte (Merkmalsträger) [55, S ]. Die verwendeten statistischen Verfahren zur Analyse der Messdaten richten sich stets nach dem zugrundeliegenden Datenniveau. Allgemein ausgedrückt: Je höher das zugrundeliegende Datenniveau ist, desto mehr und desto aussagekräftigere statistische Verfahren stehen zur Analyse der Daten zur Verfügung. Statistische Kennwerte zur Charakterisierung der Messdaten richten sich ebenfalls nach dem zugrundeliegenden Datenniveau (Tab. 3.1). Als Lagemaß (Maß der zentralen Tendenz) ordinalskalierter Daten steht zudem der Median zur Verfügung (zusätzlich zum Modalwert). Der Median einer Stichprobe von Werten ist definiert als der Wert, der größer als 50 Prozent der Werte der Stichprobe ist. [58, S. 26] Der Median kennzeichnet demnach die Mitte der Stichprobenwerte. Die Berechnung des Medians erfolgt durch vorangehende Sortierung der Werte nach ihrer Größe, wobei x (1) den kleinsten Wert einer Stichprobe und x (n) den größten Wert einer Stichprobe mit n Werten bezeichnet. Die Berechnung des Median unterscheidet sich bei Stichproben mit einer geraden oder ungeraden Anzahl an Stichprobenwerten Gl. (3.2) [58, S. 27]. Median = { x ( n+1 2 ) (x ( n 2 ) + x ( n 2 +1)) 2, falls n ungerade, falls n gerade (3.2) 31

48 3 Grundlagen Der Median wird zudem als robustes Maß bezeichnet. Gemeint ist damit, dass der Median nicht oder nur gering durch einzelne Werte (etwa am Rand der Verteilung) beeinflusst wird [55, S. 189]. Das wohl gebräuchlichste Lagemaß der arithmetische Mittelwert (x ) berechnet sich aus der Summe aller Werte dividiert durch die Anzahl der Werte Gl. (3.3) und setzt mindestens ein intervallskaliertes Datenniveau voraus [58, S ]. x = n i=1 x i n (3.3) Die Maße der Variabilität der Messwerte richten sich ebenfalls nach dem zugrundeliegenden Datenniveau. Als Maß der Variabilität ordinalskalierter Daten wird der Interquartilbereich IQR angegeben. Dieser berechnet sich aus der Differenz der beiden Quartile (0,25 %-Quantil und 0,75 %-Quantil) Gl. (3.4) und ist wie der Median unempfindlich gegenüber Ausreißern [58, S ]. IQR = Q 0,75 Q 0,25 (3.4) Das p %-Quantil Q p (auch Perzentil genannt) bezeichnet denjenigen Messwert einer Stichprobe, unter dem p-prozent aller Werte der Stichprobe liegen [58, S ]. Demzufolge ist der Median genaugenommen das 50 %-Quantil einer Stichprobe sowie das obere Quartil dem 75 %-Quantil und das unter Quartil dem 25 %-Quantil entspricht. Die Stärke und Richtung eines Zusammenhangs zweier Variablen lassen sich in der Statistik durch Zusammenhangsmaße (Korrelationskoeffizienten) ausdrücken [55, S ]. Die Wahl der Methode zur Berechnung eines Korrelationskoeffizienten richtet sich nach dem zugrundeliegenden Datenniveau der Messdaten der Stichprobe. Die Bestimmung der Stärke und Richtung des Zusammenhangs ordinalskalierter Daten beschränkt sich auf die Bestimmung von Rangkorrelationskoeffizienten. Verbreitet sind hierbei hauptsächlich zwei Rangkorrelationskoeffizienten: Spearmans Roh (ρ) und Kendalls Tau (τ), wobei sich in dieser Arbeit auf die Berechnung des Zusammenhangsmaßes Kendalls Tau, aufgrund der höheren Robustheit und Effizienz von Kendalls Tau im Vergleich zu Spearmans Roh [59], beschränkt wird. Zudem wird sich auf die Berechnung von Kendalls τ b, für den Fall von vorliegenden Rangbindungen in beiden (verglichenen) Rangreihen was den allgemeinsten Fall darstellt beschränkt. Zur Berechnung von Kendalls τ b werden für die Variablen x und y (welche die Werte der Ausprägungen der zwei zu vergleichenden Merkmale darstellen) zunächst die Rangplätze R(x) und R(y), gemäß der vorhandenen Ordnungsrelationen des zugrundeliegenden empirischen Relativs, vergeben (Abb. 3.1) [60, S. 109]. Anschließend wird eine der beiden Reihen der Größe nach sortiert und im Folgenden als Ankerreihe bezeichnet (Abb. 3.1) [60, S. 109]. Die Werte der jeweils anderen Reihe werden der Ankerreihe entsprechend vertauscht und diese im Folgenden als Vergleichsreihe bezeichnet (Abb. 3.1) [60, S ]. Gemeint ist, dass die Wertepaare (Werte mit dem gleichen Index in der ursprünglichen Sortierung) nach der Sortierung den Wertepaaren der ursprünglichen Sortierung entsprechen. 32

49 3 Grundlagen xi 3,5 15,0 3,5 15,0 7,0 3,5 7,0 30,0 3,5 15,0 yi 4,0 12,0 4,0 20,0 4,0 4,0 11,0 11,0 4,0 14,0 Vergabe der Rangplätze. (mittels der Ordnungsrelationen) R(xi) R(yi) Bilden einer Ankerreihe. (durch Sortierung von R(x)) R(xi) R(yi) Abbildung 3.1: Beispieldaten zur Veranschaulichung der Bildung einer Anker- und Vergleichsreihe. Im Anschluss daran werden alle existierenden Rangkombinationen der Vergleichsreihe miteinander vergleichen [60, S. 110]. Ist der Rangplatz des ersten Elements (des Vergleichs) kleiner als der Rangplatz des Vergleichselements, liegt eine Proversion (+) vor [60, S. 110]. Ist das Gegenteil der Fall handelt es sich um eine Inversion (-) [60, S. 110]. Sollten beide Vergleichselemente den gleichen Rangplatz aufweisen, so liegt weder eine Proversion, noch eine Inversion vor (0). Rangkombinationen der Vergleichsreihe innerhalb einer Rangbindung der Ankerreihe werden nicht miteinander verglichen (Abb. 3.1) [60, S. 112]. Kendalls τ b berechnet sich gemäß Gl. (3.5), wobei P für die Anzahl der Provisionen und I für die Anzahl der Inversionen des Vergleichs aller Rangkombinationen der Vergleichsreihe steht. τ b = P I n (n 1) n (n 1) ( 2 T) ( 2 U) (3.5) Die Variablen T Gl. (3.6) und U Gl. (3.7) sind hierbei definiert als: die Länge der b Rangbindungen der x-variablen, wobei t i der Anzahl der Rangbindungen in der i-ten der b Gruppen von Rangbindungen der x-variablen entspricht [60, S. 112]: T = b i=1 t i(t i 1) 2 (3.6) 33

50 3 Grundlagen die Länge der c Rangbindungen der y-variablen, wobei u i der Anzahl der Rangbindungen in der i-ten der c Gruppen von Rangbindungen der y-variablen entspricht [60, S. 112]: U = c i=1 u i(u i 1) 2 (3.7) In dem oben aufgeführten Beispiel (Abb. 3.1) ergibt sich für Kendalls τ b ein Wert von: 0,696. Es sei darauf hingewiesen, dass eine bestehende Korrelation keineswegs einen Nachweis einer bestehenden Kausalität (ursächliche Beeinflussung der einen Variable durch die andere Variable) bedeutet [55, S ]. Nicht nur die Bestimmung der Stärke und Richtung eines Zusammenhangs zweier Variablen, sondern auch die Vorhersage einer Variable Y (dem Kriterium) anhand einer Variable X (dem Prädikator) mittels klassischer Regressions-Verfahren ist bei einem vorliegenden ordinalen Datenniveau nicht möglich. Gemeint ist die Bestimmung einer Regressionsgeraden nach dem Kriterium der kleinsten Fehlerquadrate, dessen Berechnung jedoch auf der Bestimmung der Kovarianz und der Varianz der Stichprobendaten beruht, die für ordinalskalierte Daten nicht definiert sind [55, S ]. Stattdessen erfordert die Bestimmung einer Vorhersageregel für ordinalskalierte Daten mittels der Regressionsanalyse geeigneter (komplexerer) Verfahren, wie sie in [61] beschrieben sind. Eine Überprüfung des Ergebnisses einer Stichprobe (einer Verteilung innerhalb einer Stichprobe) in Bezug auf das angenommene Ergebnis (die prognostizierte Verteilung) in der Population, das in Form einer Hypothese formuliert wird, erfolgt anhand eines Signifikanztests [55, ]. Das Ergebnis eines Signifikanztests ist dann grob gesagt eine Wahrscheinlichkeitsaussage über ein Stichprobenergebnis im Lichte der zuvor aufgestellten Hypothese. [55, S. 358] Der Wert des vorgestellten Signifikanztests dem Chi-Quadrat-Test (Χ²-Test) ist ein, für mindestens nominalskalierte Daten definiertes Maß, mit dem die beobachtete Häufigkeitsverteilung einer Stichprobe, auf eine signifikante Abweichung, von der angenommenen oder vermuteten Häufigkeitsverteilung in der Population, hin überprüft werden kann [55, S. 542]. Der Χ²-Wert berechnet sich aus der Summe der Quotienten der quadrierten Differenzen der beobachteten Häufigkeit f b,i und der erwarteten Häufigkeit f e,i der Merkmalsausprägung i dividiert durch die erwartete Häufigkeit f e,i Gl. (3.8). k Χ 2 = (f b,i f e,i ) 2 i f e,i (3.8) Die Signifikanz des Ergebnisses (des Χ²-Werts) wird anhand eines kritischen Χ²-Werts, der durch das Signifikanzkriterium α aus der Χ²-Verteilung des entsprechenden Freiheitsgrads, der beobachteten Häufigkeiten (Anzahl der Häufigkeiten, die frei variieren können), bestimmt wird, überprüft (Anhang A). Ist der berechnete Χ²-Wert kleiner als der betrachtete kritische Χ²-Wert, ist das Ergebnis nicht signifikant und die überprüfte Hypothese kann demnach nicht zurückgewiesen werden [55, S ]. 34

51 4 Probandenstudie In diesem Kapitel wird der Aufbau und die Durchführung einer Probandenstudie zur Untersuchung des Vertikaldynamikdiskomforts in Personenkraftwagen beschrieben. Die Durchführung einer Probandenstudie bedarf einer detaillierten Planung der einzelnen Komponenten dieser Untersuchung, die im Abschnitt 4.1 dargestellt wird. Im Abschnitt 4.2 wird ausführlich auf die Zusammensetzung und Eigenschaften der Teilnehmer (Probanden) der Studie eingegangen. Die eigentliche Durchführung der Studie wird schließlich im Abschnitt 4.3 aufgezeigt. 4.1 Versuchsaufbau Grundlage des Designs (Planung) der Studie ist die Überprüfung der Arbeitshypothese (der Fähigkeit der Abbildung des subjektiven Diskomfortempfinden durch die ausgewählten objektiven Verfahren) [55, S. 17]. Das Vorgehen ist hierbei auf der Methode des kritischen Rationalismus, sprich einem Falsifizierungsversuch [55, S ] aufgebaut. Diese Entscheidung erfolgte aus folgenden Gründen: Die Messung einer latenten Variable (dem Vertikaldynamikkomfort) ermöglicht keine bzw. erschwert eine direkte Validierung der in Kapitel 2 genannten Verfahren. Ein Kausalschluss [55, S. 123] (Nachweis eines ursächlichen Einflusses der Schwingungsanregung auf das Komfortempfinden) ist aufgrund der Fülle der Alternativerklärungen in einem Feldversuch nahezu nicht möglich. Die Kontrolle aller im Versuch vorhandenen Störvariablen (Variablen, die in der untersuchten Hypothese nicht als Ursache genannt werden, die aber dennoch einen Einfluss auf die abhängige Variable haben [55, S. 126]) ist aufgrund der hohen Anzahl an Störvariablen nicht möglich. Folglich bietet sich eine Überprüfung der Hypothese durch einen Falsifizierungsversuch (Nachweis einer falschen Hypothese) nach der Methode des kritischen Rationalismus (Abs. 3.1) an. Die Versuchsplanung wie der Versuch selbst gliedert sich in einen objektiven und einen subjektiven Teilbereich. Gemeint ist hiermit die Erfassung der objektiven Messwerte (den Beschleunigungen) sowie deren Verarbeitung und die Messung sowie die Analyse oder Verarbeitung der Angaben der Probanden über deren empfundenen Diskomfort (subjektive Messwerte). Der Versuch, beziehungsweise dessen Parameter, beeinflussen das Merkmal Diskomfort und das Merkmal Beschleunigungen, deren Ausprägungen im Rahmen des Versuchs gemessen werden. Die Messung der Ausprägungen des Merkmals Beschleunigungen, das nach Gl.(4.1) mit der Dämpfung (der Ausprägung der unabhängigen Variable) für Anregungen durch Unebenheiten der Fahrbahn in Beziehung steht [62, S. 312], findet auf mehreren Arten statt. Einerseits werden die Ausprägungen der Beschleunigungen an den Kontaktstellen des Menschen (Probanden) mit dem Fahrzeug gemessen, andererseits werden zusätzlich die fahrzeuginternen Signale anhand des Fahrzeug-Karosserie-CAN gemessen (Abb. 4.1). 35

52 4 Probandenstudie Vektor Messverstärker Karosserie-CAN Abbildung 4.1: Darstellung der Messkette zur Erfassung der Beschleunigungen. z ĥ = v2 η D 2 η 2 (1 η 2 ) 2 + 4D 2 η 2 (4.1) Eine Messung der Ausprägungen der Beschleunigungen mittels Beschleunigungsaufnehmern (Datenblatt siehe Anhang B) fand an den folgenden Stellen statt: Sitzkissen, Rückenlehne, Fußraum und Lenkrad. Gemessen wurden hierbei jeweils die Beschleunigungen in drei Koordinatenrichtungen (Abb. 2.1) sowie die Drehraten um die drei Achsen des Sensors am Sitzkissen. Die Aufzeichnungen der Daten des Fahrzeug-Karossiere-CAN lieferten zudem die Messwerte des Lenkradwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Messung der Schwingungen fand mit einer Abtastrate (Sampling rate) von 1000 Hz statt, wohingegen der Fahrzeug- Karosserie-CAN mit einer Abtastrate von mindestens 5 Hz aufgezeichnet wurde. Die ungefähre Lage der Beschleunigungsaufnehmer (B-Aufnehmer) kann der Abbildung 4.2 entnommen werden. Zur Minderung des statischen Sitz-Diskomforts, hervorgerufen durch die angebrachten B- Aufnehmer und eine daraus hervorgehende Verfälschung des empfundenen Diskomforts, wurden die angebrachten Sensoren mit einem Polster bedeckt. Eine genaue Auflistung des verwendeten Messequipments ist dem Anhang B zu entnehmen. Hände Füße Sitz Rücken Abbildung 4.2: Schematische Darstellung der Positionen der Beschleunigungsaufnehmer. Die Messung der Ausprägung des Merkmals Diskomfort fand anhand eines Fragebogens (Abb. 4.3) statt. Der Fragebogen besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: der Abfrage des empfundenen Diskomforts anhand einer Ordinalskala von eins (nicht unkomfortabel) bis sechs 36

53 Nicht unkomfortabel Etwas unkomfortabel Recht unkomfortabel Unkomfortabel Sehr unkomfortabel Extrem unkomfortabel 4 Probandenstudie (extrem unkomfortabel) und einem semantischen Differential zur Charakterisierung der empfundenen Schwingungen (Beschleunigungen). Das Ziel der Befragung (Messung der Subjektivurteile) bestand darin, einen Wert des subjektiv empfundenen Diskomforts, hervorgerufen durch die auftretenden Beschleunigungen (aufgrund vertikaldynamischer Effekte), für die jeweilige Dämpfereinstellung zu erfassen, um diesen mit dem, aus den objektiven Messdaten errechneten, Komfortwert zu vergleichen. Die Charakterisierung der empfundenen Schwingungen anhand des semantischen Differentials diente einem besseren Verständnis des subjektiven Komfortempfindens, sowie einer Überprüfung der Fähigkeit der objektiven Verfahren zur Abbildung dieser Zusammenhänge zwischen dem Charakter der Schwingungen und dem subjektiven Komfortempfinden. Fahrversuch Nr. 1 VP-Nr.: Datum: Als wie unkomfortabel empfinden Sie die Schwingungen? Am Gesäß Am Rücken An den Füßen An den Händen Gesamturteil Wie empfanden Sie die Schwingungen? Begriffe bitte einkreisen. zitternd oder hüpfend rau oder stoßartig Abbildung 4.3: Fragebogen zur Messung des subjektiv empfundenen Schwingungsdiskomforts. Im ersten Teil des Fragebogens sollte der empfundene Schwingungsdiskomfort an ausgewählten Einleitungsstellen und ein Gesamtempfinden (empirisches Relativ) einem Zahlenwert (numerisches Relativ) auf einer diskreten, unipolaren Ordinalskala durch Zuhilfenahme der verbalen Beschreibungen der Merkmalsausprägungen, durch den Probanden zugeordnet werden. Der Aufbau des Fragebogens lehnt sich hierbei an die Ausführungen von MAIER [63, S , 63, S. 99] an. Die Wahl der Skalenstufen von eins bis sechs sowie die verbalen Beschreibungen sind der Wertebereichseinteilung der ISO [16, S. 25] entnommen und dienen einer besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse (Abs. 5.3). Zudem führt eine mittelwertfreie Skala (Skala mit einer geraden Anzahl an Skalenstufen) nach Ansicht einiger Experten eines Automobilherstellers zu besseren Ergebnissen, weshalb diese Skalenstufen-einteilung gewählt wurde. Im zweiten Teil des Fragebogens dem semantischen Differential wurden zwei Wortpaare, bestehend aus jeweils zwei Wörtern (charakteristischen Eigenschaften der Schwingungen), aufgezeigt, wobei sich die Probanden jeweils für eines der beiden Wörter entscheiden mussten, welches die empfundenen Schwingungen am passendsten beschrieb. Die Wahl der Begriffe basiert auf einer von LENNERT und WÖLFEL [64] durchgeführten Studie zur Findung von geeigneten Begriffen zur Beschreibung des Schwingungsempfinden. Die einzelnen Begriffe sind hierbei wie folgt definiert: 37

54 4 Probandenstudie Hüpfend: Ein sich auf- und abwärtsbewegendes Gefühl, vergleichbar mit einer Achterbahnfahrt. Zitternd: Ein eher vibrationsartiges Gefühl, vergleichbar mit der Bedingung einer hochfrequenten Maschine. Rau: Ungleichmäßige, einzeln nicht zu unterscheidende Schwingungen. Stoßartig: Einzelne, spürbare Schwingungen bzw. Stöße. Da es sich bei dem verwendeten Fragebogen um einen eigens für diese Studie erstellten Fragebogen handelt, wird im Folgenden kurz auf die Güte des Fragebogens anhand der drei Hauptgütekriterien: Objektivität, Reliabilität und Validität eingegangen (Abs. 3.1). Hierbei ist zu beachten, dass die Gütekriterien in gewisser Hinsicht aufeinander aufbauen (Abs. 3.1). Die Objektivität des Fragebogens (Messinstruments) lässt sich in drei Teilaspekte aufteilen: die Durchführungsobjektivität, die Auswertungsobjektivität und die Interpretationsobjektivität (Abs. 3.1). Die Durchführungsobjektivität wird in dieser Studie durch die Verwendung eines Versuchsablauf-Masterskripts (Anhang C) erreicht, das sicherstellt, dass jedem Probanden dieselben Informationen und Erklärungen zu den Verwendeten Messinstrumenten zur Verfügung stehen. Dieses beinhaltet zudem die zuvor genannten Definitionen der Wörter des semantischen Differentials. Die Auswertungsobjektivität ist durch die Verwendung von diskreten numerischen Skalenstufen in Kombination mit genormten Definitionen der Werte (Wertebereiche) gegeben (Abs. 5.3). Die Interpretationsobjektivität wird durch die Verwendung von aus der ISO entnommenen verbalen Beschreibungen der Werte (Wertebereiche) und der zuvor aufgelisteten Definitionen der Wörter des semantischen Differentials gewährleistet. Lediglich die Auswertung oder Findung der Zusammenhänge zwischen der Charakteristik der Schwingungen und dem Subjektivempfinden unterliegt der Freiheit des Beurteilers. Die Reliabilität des Fragebogens wurde in Anlehnung an die Testhalbierungsmethode (Abs. 3.1) überprüft. Hierfür wurde jeweils die letzte Messfahrt eines jeden Probanden mit der gleichen Einstellung der ersten Messfahrt durchgeführt. Somit konnten zwei Messwerte für eine Einstellung erfasst und miteinander verglichen werden. Dieser Vergleich dient als Nachweis der Reliabilität des Messinstruments. Die Absolutbeträge der Differenzen der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der zwei Vergleichsfahrten (der bereits selektierten Messdaten (Abs. 5.1)) weisen einen Median-Wert von 0,5 auf. Der Betrag der Differenz der zwei Vergleichsfahren der einzelnen Probanden nimmt Werte zwischen Null und Vier an (Tab. 4.1). Das Messinstrument (Fragebogen) wird aufgrund der geringen Differenzen als reliabel angesehen. 38

55 4 Probandenstudie Tabelle 4.1: Absolutbeträge der Differenzen der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der zwei Vergleichsfahrten der selektierten Messdaten. VP-Nr. Absolutbetrag der Differenz VP-Nr. Absolutbetrag der Differenz Die Überprüfung der Validität des Fragebogens erweist sich, aufgrund der Messung einer latenten Variable (dem Diskomfort), als äußerst schwierig [55, S ]. Dennoch wurde versucht die Inhaltsvalidität durch eine Überprüfung der ausgewählten Test-Items durch verschiedene Experten (Experten eines Automobilherstellers) zu gewährleisten. Des Weiteren wurde eine Überprüfung der Validität (Kriteriumsvalidität) anhand der Übereinstimmung des Zusammenhangs des Komforturteils mit der ausgewählten Charakteristik der Schwingungen eines jeden Probanden mit den Erkenntnissen aus der Literatur vorgenommen. Eine Überprüfung der Konstruktvalidität konnte im zeitlichen Rahmen dieser Arbeit nicht stattfinden. Der Versuch unterliegt einer Reihe von Störvariablen, die nachfolgend in absteigender Reihenfolge bezüglich ihres Einflusses auf die abhängige Variable (subjektives Komfortempfinden) aufgelistet sind. Hierbei kann aufgrund der Fülle der auftretenden Störvariablen innerhalb eines Feldversuchs keine Garantie auf die Vollständigkeit der aufgelisteten Störvariablen in Bezug auf die auftretenden Störvariablen gegeben werden. Die Reihenfolge der Störvariablen geht lediglich aus einer rein subjektiven Einschätzung sowie der Erfahrungen aus den Versuchen hervor. Vorangegangene Einstellung der Versuchsfahrt zur aktuell bewerteten Einstellung. Personengebundene Störvariablen (Gewicht, Alter, Test-Erfahrung etc.). Initiale Bewertung (Skalenstufe der ersten Bewertung). Gewohnter Fahrkomfort (Fahrkomfort des privaten Pkw). Erwartungshaltung bezüglich des Fahrkomforts des Versuchsfahrzeugs. Umwelteinflüsse und Straßenverhältnisse (Nässe, Lichtverhältnisse etc.). Zur Kontrolle der identifizierten, aber auch unbekannten, Störvariablen wurden im Rahmen eines Between-Subjects-Designs (Abs. 3.1) mehrere Maßnahmen ergriffen. Um den Einfluss der vorangegangenen Messfahrt, sprich Einflüsse des Carry-Over-Effekts (Abs. 3.1), zu eliminieren wurde die Methode des Randomisierens eingesetzt. Umgesetzt wurde eine Randomisierung durch die Zuteilung eines Probanden zu einer zufälligen Reihenfolge der Dämpfereinstellungen (Anhang C), die in dem Versuch durchlaufen wurden. Hierbei wurde auf eine gleichgroße Anzahl der (im Versuch durchgeführten) möglichen Reihenfolgen der verschiedenen Dämpfereinstellungen, mittels voriger Permutation der Reihenfolge der Dämpfereinstellungen, (im Rahmen der Anzahl der Probanden) geachtet. Eine Balancierung der personengebundenen Störvariablen sowie eine Elimination der Einflüsse des Positions-Effekts (Abs. 3.1) wurde ebenfalls durch die Randomisierung erreicht. Die Zuweisung der einzelnen Dämpfereinstellungen erfolgt ohne das 39

56 4 Probandenstudie Wissen der Probanden, wodurch die Einflüsse eines möglichen Erwartungseffekts gelindert werden konnten. Alle weiteren (genannten) Störvariablen konnten im Rahmen des Versuchs nicht kontrolliert werden. Jedoch können eventuell auftretende Einflüsse dieser Störvariablen auf die Ausprägung der abhängigen Variable (subjektives Komfortempfinden) durch weitere getroffene Maßnahmen detektiert werden. So wurden personengebundene Daten, sowie deren Fahrgewohnheiten vor Versuchsbeginn anhand eines gesonderten Fragebogens erfasst. Die Erwartungshaltung des Probanden bezüglich des Fahrkomforts des Versuchsfahrzeugs wurde vor Versuchsbeginn anhand eines Fragebogens, der die Merkmalsaufprägungen luxuriös, sportlich und erwartungslos aufwies, erfasst. Die täglichen Wetterverhältnisse, Umwelteinflüsse und besonderen Ereignisse während des Versuchs wurden auf einem Messbericht festgehalten. Zudem wurden die Probanden nach dem Versuch dazu aufgefordert die einzelnen Versuchsfahrten in Bezug auf den empfundenen Schwingungsdiskomfort (unabhängig zu den zuvor getroffenen Bewertungen) zueinander in einem Ranking aufzureihen. Diese Maßnahmen sollen eine spätere Identifizierung eines Einflusses nicht kontrollierbarer Störvariablen und ein eventuelles verwerfen der verfälschten Messdaten ermöglichen. 4.2 Versuchspopulation An der Studie zur Ermittlung des Vertikaldynamikdiskomforts in einem Pkw nahmen im Rahmen dieser Arbeit insgesamt 16 Probanden (15 in der Hauptstudie und einer in den Vorversuchen) teil. Die Probanden beschränkten sich auf Mitarbeiter des Lehrstuhls für Fahrzeugtechnik der Technischen Universität München. Im Folgenden sind charakteristische Merkmale der einzelnen Probanden aufgeführt (Tab. 4.2), die Geschlecht, Alter, Größe und Gewicht des Probanden umfassen. Zudem werden statistischen Kenngrößen der Versuchspopulation (Tab. 4.3), wie der Mittelwert und die Standardabweichung der Merkmalsausprägungen, angegeben. Die Versuchspopulation setzt sich aus zwei Teilnehmern mit Erfahrungen in der Fahrzeugbewertung (Experten), zwölf Probanden aus dem Bereich der Fahrzeugentwicklung oder Forschung und zwei Probanden ohne besondere Fachkenntnisse (Laien) zusammen. Alle bis auf einen Probanden gaben an, Fahrzeuge aus dem unteren Preissegment (der Kompaktwagenklasse) privat zu nutzen. Des Weiteren gaben sechs der 16 Probanden an eine jährliche Fahrleistung von 5000 bis km zu absolvieren, fünf Teilnehmer gaben an weniger als 5000 km im Jahr zu fahren und die beiden Experten gaben an, mehr als km im Jahr mit einem Pkw zu fahren. Von den drei restlichen Probanden gaben zwei eine jährliche Fahrleistung von bis km an und einer eine von bis km. 40

57 4 Probandenstudie Tabelle 4.2: Charakteristische Merkmalsausprägungen der Probanden. VP-Nr. Geschlecht Alter in Jahren Größe in cm Gewicht in kg männlich männlich männlich männlich männlich männlich männlich männlich männlich männlich männlich weiblich weiblich weiblich männlich männlich Tabelle 4.3: Statistische Kenngrößen der Versuchspopulation. Kenngröße Alter in Jahren Größe in cm Gewicht in kg Minimum Maximum Mittelwert 29,13 182,56 77,69 Standardabweichung 4,53 10,15 14,69 41

58 4 Probandenstudie 4.3 Versuchsdurchführung In der Hauptstudie wurden insgesamt 60 Versuchsfahrten durchgeführt, bei den jeweils die translatorischen Beschleunigungen an den zuvor genannten Messstellen (Abb. 4.2) und die Daten des Fahrzeug-Karosserie-CAN erfasst wurden sowie ein Fragebogen zum subjektiv empfundenen Diskomfort (Abb. 4.3) ausgefüllt wurde. Die rotatorischen Schwingungsanregungen (Drehraten um die Achsen des B-Aufnehmers auf dem Sitzkissen) wurden in sechs unabhängigen Messfahrten für jede mögliche Kombination aus Versuchsstreckenrichtung (nördliche und südliche Richtung) und Dämpfereinstellung (Komfort, Hart und Weich) erfasst. Die 60 Versuchsfahrten gliedern sich in vier Fahrten pro Proband, mit jeweils geänderten Dämpfereinstellungen. Jeder Proband erfuhr drei verschiedene Dämpfereinstellungen in zufälliger Reihenfolge. Bei der Einstellung der jeweils vierten Fahrt handelte es sich um eine Wiederholung der Einstellung der ersten Fahrt. Die drei unterschiedlichen Dämpfereinstellungen waren hierbei: die Standardeinstellung des BMW-Komfortmodus (Einstellung: 1 ) (geregelte Dämpfereinstellung), eine maximal weiche (Einstellung: 2 ) und eine maximal harte Dämpfereinstellung (Einstellung: 3 ). Bei der Versuchsstrecke handelte es sich um die Goldacher Str. (bei Goldach, Hallbergmoos) (Abb. 4.4), die in beide Richtungen (südliche und nördliche Richtung) befahren wurde. Die Versuchsdauer (Dauer einer Messung) betrug ca. 1,5 min, was zu einer Gesamtdauer des Versuchs (inklusive Anfahrt) von ca. 50 min führte, die der Proband im Fahrzeug verbrachte. Die gefahrene Geschwindigkeit während des Versuchs betrug 60 km/h, die konstant (durch Benutzung des Tempomaten) eingehalten wurde. Bei dem Versuchsfahrzeug handelte es sich um einen BMW 650i (Erstzulassung: ). 300m 42 Abbildung 4.4: Karte der Versuchsstrecke: Goldacher Str. [65].

59 4 Probandenstudie Im direkten Anschluss zu jeder Einzelfahrt füllte der Proband einen Fragebogen zum subjektiv empfundenen Diskomfort (Abb. 4.3) aus. Nach Beendigung der insgesamt vier Messfahrten wurde zudem eine Rangordnung des empfundenen Diskomfort der vier Einzelfahrten, unabhängig von der zuvor vergebenen Bewertung, von dem Probanden abgefragt. Vor Versuchsbeginn wurde zudem die Erwartungshaltung des Probanden bezüglich des Fahrkomforts des Versuchsfahrzeugs sowie die in Abschnitt 4.2 vorgestellten Probandendaten erfasst. Ein detaillierter Ablauf der Versuche sowie alle verwendeten Dokumente können dem Anhang C entnommen werden. Die drei Versuchsfahrten des Vorversuchs wurden nach dem gleichen Aufbau wie die Versuche der Hauptstudie durchgeführt, jedoch fand keine Wiederholungsfahrt und kein anschließendes Ranking statt. 43

60 4 Probandenstudie 44

61 5 Analyse und Vergleich In diesem Kapitel werden die Vorbereitung und die Durchführung eines Vergleichs der Ergebnisse ausgewählter Verfahren (Kap. 2), zur objektiven Bestimmung des Vertikaldynamikdiskomforts in Pkw, mit den Angaben der Probanden einer Studie (Kap. 4) zur Untersuchung des Vertikaldynamikdiskomforts in Pkw beschrieben. Die Vorbereitung und die Durchführung des Vergleichs gliedern sich in drei Abschnitte (Abb. 5.1): die Verarbeitung und Analyse der gewonnenen Messdaten (der subjektiven Messdaten in Abschnitt 5.1 und objektiven Messwerte in Abschnitt 5.2), die Anpassung der berechneten objektiven Kennwerte (Abs. 5.3) und den Vergleich zwischen den berechneten Objektivwerten und den erfragten Subjektivwerten (Abs. 5.3), wobei die Ergebnisse des Vergleichs in Kapitel 6 dargestellt werden. Versuch subjektiv objektiv Messung Datenverarbeitung & Analyse Anpassung / Vergleich Abbildung 5.1: Aufbau des praktischen Teils der Arbeit. 45

62 5 Analyse und Vergleich 5.1 Analyse und Selektion der subjektiven Messwerte Ziel der Analyse der subjektiven Messwerte ist es, Messwerte der Fragebögen zum subjektiv empfundenen Diskomfort für den späteren Vergleich mit den objektiven Kennwerten zu selektieren sowie Korrelationen zwischen den charakteristischen Eigenschaften der Schwingungen und den vergebenen Diskomfortwerten für die spätere Bewertung der Verfahren zur Bestimmung der objektiven Kennwerte zu ermitteln. Zur Erreichung dieses Ziels werden mehrere Methoden eingesetzt. Eine erste Selektion der Daten erfolgt auf Basis der in den Messprotokollen aufgenommenen Aussagen der Probanden oder aufgetretenen Ereignissen während des Versuchs, welche die Daten verfälscht haben könnten. So können beispielsweise Aussagen der Probanden über eine falsche Zuordnung der Skalenstufen (Diskomfortwerte) zum empfundenen Diskomfort herangezogen werden, um diesen Messwert für den späteren Vergleich auszuschließen. Die weiterführende Analyse der subjektiven Messdaten bedient sich der Methoden der explorativen Statistik. So werden Streudiagramme und Box-Plots herangezogen um Ausreißerwerte" zu identifizieren. Als Ausreißer werden dabei diejenigen Werte definiert, die ober- oder unterhalb der Whisker der Box-Plots liegen. Die Lage der Whisker ist hierbei als der 1,5-fache Interquartilsabstand IQR (Abs. 3.2) von der oberen und der unteren Grenze der Box definiert. Die obere Grenze der Box entspricht dem Wert des oberen Quartils der Messwerte und die untere Grenze entspricht dem Wert des unteren Quartils der Messwerte. Zuletzt werden Messungen ausgeschlossen, bei denen sich die Rangfolge der Versuchsfahrten in dem nachträglich erstellten Ranking stark von der Bewertung der einzelnen Fahrten unterscheidet. Sprich die Reihenfolge im Ranking im Widerspruch zur Reihenfolge, der nach der Größe des Werts sortierten Menge der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der einzelnen Messungen, steht. Hierbei wird jedoch eine Abweichung von einer Skalenstufe toleriert. Konkret bedeutet das, dass eine widersprüchliche Reihenfolge dann akzeptiert wird, wenn der Wert des Gesamturteils (des Messwerts, der im Widerspruch zur Reihenfolge des Rankings steht) lediglich um eine Skalenstufe korrigiert werden müsste, um den Widerspruch aufzuheben. Anschließend werden die wie oben beschriebenen selektierten Daten auf vorhandene Korrelationen zwischen den charakteristischen Eigenschaften der Schwingungen, die mithilfe der Daten des semantischen Differentials gewonnen wurden, und den vergebenen subjektiven Diskomfortwerten überprüft. Die zu überprüfenden Hypothesen lauten: 1. H 1: Die Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der Einstellung 1 eines Probanden weist bei mindestens 90 % der Messkollektive (bestehend aus den vier Messungen eines Probanden) einen kleineren Wert als den Wert der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der übrigen Einstellungen (Einstellung 2 und 3) desselben Probanden auf. 2. H 2: Die Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der Einstellung 3 eines Probanden weist bei mindestens 90 % der Messkollektive einen größeren Wert als den Wert der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der übrigen Einstellungen (Einstellung 1 und 2) desselben Probanden auf. 3. H 3: Die Bewertung(en) der Einstellung(en) mit dem/den höchsten Wert(en) der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil des Messkollektivs eines Probanden 46

63 5 Analyse und Vergleich weist bei größer gleich 90 % der Messkollektive zudem die Merkmalsausprägung zitternd auf. 4. H 4: Die Bewertung(en) der Einstellung(en) mit dem/den höchsten Wert(en) der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil des Messkollektivs eines Probanden weist bei größer gleich 90 % der Messkollektive zudem die Merkmalsausprägung stoßartig auf. 5. H 5: Größer gleich 90 % der Messungen der Einstellung 2 weisen die Merkmalsausprägung hüpfend auf. Die aufgestellten Hypothesen werden anhand des Χ²-Tests überprüft (Abs. 3.2). Zur Überprüfung der Hypothesen werden die selektierten subjektiven Daten der Messung in eine geeignete Form gebracht. Gemeint ist die Bestimmung der beobachteten sowie der erwarteten (angenommenen) absoluten Häufigkeiten der möglichen zwei Fälle einer jeden Hypothese. Im Beispiel der ersten Hypothese wären diese zwei Fälle folgende: Der Wert der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der Einstellung 1 (G 1) ist kleiner als der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der Einstellung 2 (G 2) und Einstellung 3 (G 3). G 1 ist nicht kleiner als G 2 oder G 3. Alle Werte der Wiederholungsfahrten (der jeweils vierten Versuchsfahrt eines jeden Messkollektivs des Hauptversuchs) werden aus dem Test ausgeschlossen. Denn der Χ²-Test setzt Messdaten aus unabhängigen Beobachtungen voraus (Abs. 3.2). Zudem ist es erforderlich alle Messdaten eines Probanden zu isolieren (aus der Überprüfung der Hypothesen auszuschließen), sollten eine oder mehrere Bewertungen (des Messkollektivs des Probanden) in der vorangegangenen Selektion isoliert worden sein. Grund hierfür ist eine sonst auftretende Verfälschung des Ergebnisses des Tests. Ein Signifikanzniveau von 10 % wird bei der Überprüfung aller Hypothesen zugrunde gelegt. Die Signifikanzprüfung erfolgt auf Basis der Flächenanteile der Χ²-Verteilung für einen Freiheitsgrad (Anhang A). Die Analyse der subjektiven Messwerte umfasst zudem eine Bestimmung charakteristischer statistischer Größen. Es werden Maße der zentralen Tendenz (Median und Quantils-Werte) sowie ein Maß der Variabilität (Interquartilsabstand) der subjektiven selektierten Messwerte der drei Dämpfereinstellungen berechnet. 5.2 Bestimmung der objektiven Kennwerte Die Bestimmung der objektiven Kennwerte zur Beschreibung des Vertikaldynamikdiskomforts erfolgt nach den in Kapitel 2. vorgestellten Verfahren. Eine Berechnung erfolgt auf Basis der in den Fahrversuchen gemessenen Beschleunigungssignalen, an den in Abschnitt 4.1 definierten Messstellen (Abb. 4.2), und den erfassten Daten des Fahrzeug-Karosserie-CAN. Berechnet werden der Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges nach der ISO :1997 (Abs ), der Gesamtwert der bewerteten Beschleunigungen a ges nach dem BS 6841:1987 (Abs ), der Totalkomfortwert TKF nach RERICHA (Abs ), der Gesamtwert der bewerteten Schwingstärke K ges nach CUCUZ (Abs ), der Gesamtschwingungskomfortwert K g nach KLINGNER (Abs ) und der Gesamt-K-Wert K ges nach HENNECKE 47

64 5 Analyse und Vergleich (Abs ). Auf eine Berechnung der Komfortkennwerte VDV und MTVV nach der ISO :1997 (Abs ) wird, aufgrund der fehlenden Angabe einer Beziehung zwischen den Kennwerten und dem subjektiven Komfortempfinden, verzichtet. Das Verfahren nach KOSFELDER [29] (Abs ) wurde nicht weiter betrachtet. Grund hierfür sind die stark abweichenden Sensorpositionen im Vergleich zu den restlichen (im Rahmen dieser Arbeit behandelten) korrelativen Objektivierungsverfahren. Aufgrund dieser Abweichungen war eine Einbeziehung des Verfahrens nach KOSFELDER aufgrund des beschränkten zeitlichen Rahmens dieser Arbeit nicht möglich. Für eine Berechnung der Kennwerte nach der ISO :1997, dem BS 6841:1987, RERICHA, KLINGNER und HENNECKE war es notwendig die gemessenen Drehraten nummerisch zu differenzieren, um die benötigten Winkelbeschleunigungen um die drei Achsen des B-Aufnehmers auf dem Sitzkissen, (Nicken, Wanken und Gieren) zu erhalten. Um eine Berechnung des Kennwerts nach RERICHA zu ermöglichen, war es zudem notwendig den gemessenen Lenkwinkel zwei Mal zu differenzieren, um die benötigte Winkelbeschleunigung um die Lenkachse des Lenkrads zu erhalten. 5.3 Zuordnung und Vergleich der Ergebnisse Verglichen werden nicht die Werte der objektiven Kennwerte mit den Werten des numerischen Relativs der subjektiven Messwerte, sondern die durch die objektiven Kennwerte prognostizierten Aussagen über das subjektive Diskomfortempfinden mit den, durch die Skalenstufen definierten, Aussagen über das subjektive Diskomfortempfinden, das durch die Werte des numerischen Relativs repräsentiert wird. Konkreter bedeutet das, dass die Werte der berechneten objektiven Kennwerte mittels einer geeigneten Abbildung auf die Werte der Skalenstufen des Fragebogens und deren Aussagen über den subjektiv empfundenen Diskomfort, angepasst werden müssen. Es wurde sich für eine Anpassung der objektiven Kennwerte entschieden, da hierfür aufgrund des höheren Datenniveaus eine größere Anzahl an statistischen Methoden zur Verfügung steht. Eine Anpassung der Werte des Verfahrens nach der ISO :1997 erfolgt mittels der, in der ISO :1997 angegebenen, Beziehung zwischen dem Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges und dem subjektiven Komfortempfinden (Tab. 2.2). Eine derartige Anpassung ist aufgrund der Gleichheit der Definitionen der Wertebereiche (verbale Beschreibungen der Subjektivurteile der einzelnen Wertebereiche) des objektiven Verfahrens mit den (verbalen) Definitionen der Skalenstufen des Fragebogens zulässig. Schließlich bilden die Wertebereiche der ISO :1997 und deren Definitionen die Grundlage der Skalenstufen des Fragebogens (Abs. 4.1). Da es sich bei der Zuordnung der Werte des objektiven Kennwerts zu dem subjektiv empfundenen Diskomfort gemäß Tabelle 2.2 jedoch nicht um eine ein-eindeutige Abbildung handelt, müssen Kennwerte, die sich in einem überschneidenden Bereich der einzelnen Wertebereiche befinden, manuell einem Subjektivurteil zugeordnet werden. Eine Anpassung der Werte nach dem Verfahren der BS 6841:1987 erfolgt, aufgrund der Gleichheit der definierten Beziehungen zwischen dem Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges und dem subjektiven Komfortempfinden nach der BS 6841:1987 (Tab. 2.4) und der Beziehung der ISO :1997 (Tab. 2.2), nach dem Anpassungsverfahren der Werte der ISO

65 5 Analyse und Vergleich Die Werte der objektiven Kennwerte der Verfahren nach CUCUZ und HENNECKE, die auf der K- Wert-Methode der VDI 2057:1987 basieren, werden anhand einer von HENNECKE [28, S. 50] definierten Abbildungsvorschrift (Abb. 5.2) einem Wertebereich des Verfahrens nach der ISO :1997, und demnach anhand der selben Anpassung wie die Werte des Verfahrens nach der ISO :1997 einer Skalenstufe, zugeordnet. VDI ISO Sehr stark spürbar ,3 Sehr unkomfortabel Unkomfortabel Relativ unkomfortabel Etwas unkomfortabel Stark spürbar Nicht unkomfortabel Gut spürbar Gerade spürbar Nicht spürbar 1,6 0,4 0,1 Abbildung 5.2: Zuordnung der Werte des Kennwerts der VDI 2057:1987 zu den Werten des Kennwerts der ISO :1997 nach HENNECKE [28, S. 50]. Dem Verfahren nach KLINGNER, das eine Erweiterung des Ansatzes nach CUCUZ darstellt und ebenfalls auf der K-Wert-Berechnungsmethode der VDI 2057:1987 basiert (Abs ) wird trotz der Angabe einer, eigens in dem Verfahren definierten, Komfortgrenze eine Übereinstimmung mit dem in der VDI 2057:1987 definierten Zusammenhang zwischen der Bewerteten Schwingstärke K und der subjektiven Wahrnehmung (Tab. 2.5) unterstellt. Demnach lässt sich der Wert des objektiven Kennwerts nach KLINGNER ebenfalls einem Wertebereich der ISO :1997 zuordnen (Abb. 5.2) und folglich einer Skalenstufe des Fragebogens. Das Verfahren nach RERICHA erlaubt keine Zuordnung des berechneten objektiven Kennwerts zu den Skalenstufen des Fragebogens (aufgrund einer fehlenden Abbildungsvorschrift), weshalb ein Vergleich der Ergebnisse hierfür anderweitig durchgeführt wird. Es erfolgt eine Zuordnung des maximalen Werts der vier Medianwerte der drei verschiedenen Einstellungen zu dem TKF der entsprechenden Einstellung. Gleiches erfolgt mit dem minimalen Wert. Nachfolgend wird überprüft, ob die Medianwerte der verbleibenden Einstellungen die zwischen den beiden Medianwerten der übrigen Einstellungen liegen durch den TKF dieser Einstellungen wiedergegeben werden kann. Denn RERICHA unterstellt dem Zusammenhang zwischen dem TKF und dem subjektiv empfundenen Diskomfort ein lineares Verhalten (Abs ). Demnach ist nach der Bestimmung zweier Grenzzuständen die Berechnung beliebiger Zwischenzuständen möglich. 49

66 5 Analyse und Vergleich Der Vergleich der Ergebnisse (Vergleich des subjektiven Diskomfortempfinden mit dem prognostizierten Diskomfortempfinden der objektiven Verfahren) erfolgt mittels der Bestimmung eines Korrelationskoeffizienten für ordinalskalierte Daten: dem Kendalls Tau (τ b) (Abs. 3.2). Die Bestimmung von τ b erfolgt getrennt für jedes der im Abschnitt 5.2 aufgeführten objektiven Verfahren (ausgenommen dem Verfahren nach RERICHA). Die Berechnung von τ b erfolgt jeweils auf Basis der selektierten subjektiven Messwerte (Abs. 5.1) einer Einstellung und den dazugehörigen angepassten objektiven Kennwerten eines objektiven Verfahrens. 50

67 6 Ergebnisse In diesem Kapitel werden alle im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse dargestellt. Die Ergebnisse des Vergleichs (Abs. 5.3) zwischen den subjektiven Messwerten und den zugehörigen objektiven Kennwerten werden in Kapitel 6.1 dargestellt. Die Ergebnisse der vorangegangenen Selektion der subjektiven Messwerte (Abs. 5.1) und die Analyse (Abs. 5.1) der (in der Studie gewonnenen) subjektiven Messdaten werden in Kapitel 6.2 aufgezeigt. 6.1 Ergebnisse des Vergleichs der subjektiven und objektiven Messwerte Keines, der im Rahmen dieser Arbeit überprüften Verfahren (Abs. 5.2), kann das subjektive Diskomfortempfinden der Probanden, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Feldstudie, exakt wiedergeben. Die größte Übereinstimmung der objektiven Kennwerte mit den Werten der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der subjektiven Messwerte besteht bei dem Verfahren nach der ISO :1997 (Abs ). Dieses weist einen Rangkorrelationskoeffizienten (Kendalls τ b) von 0,459 auf (Tab. 6.1). Tabelle 6.1: Werte des Randkorrelationskoeffizienten Kendalls τb des Zusammenhangs der einzelnen objektiven Kennwerte mit den subjektiven Messwerten des Gesamturteils. Verfahren nach Wert von Kendalls τb ISO ,459 BS ,453 CUCUZ -0,184 KLINGNER HENNECKE Nicht definiert Nicht definiert Das Verfahren nach dem BS 6841:1987 (Abs ) weist einen ähnlich hohen Wert von Kendalls τ b (Tab. 6.1) auf wie das das Verfahren nach der ISO Das Verfahren nach CUCUZ (Abs ) weist einen kleinen Wert (nahe der Null gelegenen Wert) von Kendalls τ b auf (Tab. 6.1), was eine starke Abweichung zu einem perfekt monotonen Zusammenhang bedeutet (Abs. 3.2). Zudem ist der Wert von Kendalls τ b für das Verfahren nach CUCUZ negativ. Der Wert von Kendalls τ b für die Verfahren nach KLINGNER (Abs ) und HENNECKE (Abs ) ist nicht definiert (Division durch Null), weil deren objektiven Kennwerte für jede Versuchsfahrt denselben Wert (dieselbe Skalenstufe) aufweisen. Ein Rangkorrelationskoeffizient für das Verfahren nach RERICHA (Abs ) wurde nicht berechnet (Abs. 5.3). 51

68 6 Ergebnisse Die unangepassten Kennwerte der Verfahren nach der ISO :1997, dem BS 6841:1987, KLINGNER und HENNECKE weisen klar erkennbare Niveaus für die Werte jeder Einstellung auf (Abb. 6.1). In den Kennwerten des Verfahrens nach CUCUZ und RERICHA lassen sich keine Niveaus für die Kennwerte der einzelnen Einstellungen ausmachen (Abb. 6.1). Abbildung 6.1: Unangepasste objektive Kennwerte der drei Dämpfereinstellungen der Verfahren nach: a) ISO 2631, b) BS 6841, c) RERICHA, d) CUCUZ, e) KLINGNER und f) HENNECKE. Die Werte der Zwischenzustände (Abs ) eines jeden Messkollektivs des Vergleichs (Abs. 5.3) zwischen den selektierten Werten der Ausprägung des Merkmals Gesamturteil und den zugehörigen Werten des Kennwerts nach RERICHA, liegen weitestgehend nicht auf der Gerade, die durch die Punkte der beiden Grenzzustände des Messkollektivs verläuft (Abb. 6.2). Die Geraden, die durch die beiden Grenzzustände verlaufen, weisen stark unterschiedliche (auch negative) Steigungen auf (Abb. 6.2). Die beiden Grenzzustände, die den Verlauf der Geraden definieren, stellen jeweils den kleinsten bzw. größten Wert der Ausprägung des Merkmals Gesamturteil des jeweiligen Messkollektivs dar. Die Zwischenzustände (Punkte in der Abbildung 6.2) repräsentieren die beiden verbleibenden Bewertungen des Messkollektivs. 52

69 6 Ergebnisse Abbildung 6.2: Vergleich der subjektiven Gesamturteile mit den Kennwerten nach RERICHA und Darstellung des von RERICHA prognostizierten linearen Verhaltens. 6.2 Ergebnisse der Selektion und Analyse der subjektiven Messwerte In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der im Kapitel 5.1 beschriebenen Methoden zur Selektion und Analyse der in der Studie gewonnenen subjektiven Messwerte dargestellt. Die Ergebnisse beruhen ausschließlich auf, für ordinalskalierte Daten geeigneten, statistischen Verfahren Ergebnisse der Selektion der subjektiven Messwerte Die subjektiven Messdaten von insgesamt sieben einzelnen Versuchsfahrten mussten im Rahmen der Selektion der subjektiven Messdaten von der weiteren Auswertung ausgeschlossen werden. Unter den isolierten Messdaten befanden sich unter anderem die Daten des gesamten Messkollektivs des Probanden mit der Versuchsperson-Nummer (VP-Nr.)

70 6 Ergebnisse Isoliert werden mussten die Messdaten der ersten Versuchsfahrt des Probanden und alle Versuchsfahrten des Probanden Diese wurden aufgrund der getätigten Aussagen der Probanden (während des Versuchs) und den in den Messprotokollen festgehaltenen Beobachtungen des Versuchsleiters von einer weiteren Auswertung ausgeschlossen. Konkreter handelte es sich um die Aussage einer falschen Skalenstufenzuordnung sowie einer Überforderung des Probanden mit der Erfüllung der Fahraufgabe, sodass keine valide Bewertung des Diskomforts sichergestellt werden konnte. Die Messdaten der ersten Versuchsfahrt des Probanden mit der VP-Nr mussten aufgrund eines unvollständigen Fragebogens isoliert werden. Die subjektiven Messdaten der ersten Versuchsfahrt des Probanden wurden, nach der Auswertung der in den Streudiagrammen (Abb. 6.3) und Boxplots (Abb. 6.4) dargestellten Informationen, von einer weiteren Auswertung ausgeschlossen. Grund hierfür ist die Identifikation des Messwerts als Ausreißer (Abs. 5.1), aufgrund seiner Lage außerhalb der Whisker des Boxplots (Abb. 6.4, Einstellung 1). Abbildung 6.3: Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der subjektiven Messdaten der drei Dämpfereinstellungen der 63 Versuchsfahrten. 54

71 Gesamturteil 6 Ergebnisse Abbildung 6.4: Darstellung der Werte der Ausprägungen des Merkmals: Gesamturteil der drei Dämpfereinstellungen in Form von Boxplots. Ein Ausschluss von Messdaten aufgrund ihres Werts verglichen mit der Reihenfolge des Rankings desselben Messkollektivs war nicht erforderlich. Erkennbar ist das an dem Nichtvorhandensein einer fallenden Flanke, die ein oder mehr Skalenstufen passiert, in der nach dem Ranking (eines jeden Messkollektivs) sortieren Darstellung der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamtkomfort (Abb. 6.5). 55

72 6 Ergebnisse Abbildung 6.5: Nach dem Ranking (eines jeden Messkollektivs) sortierte Darstellung der subjektiven Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamtkomfort Ergebnisse der Analyse der selektierten subjektiven Messwerte Die in den Hypothesen H 1 bis H 4 getroffenen Aussagen (Abs. 5.1) müssen aufgrund des Ergebnisses des Χ²-Tests (Tab. 6.2) zurückgewiesen werden. Die getroffene Aussage der fünften Hypothese kann nicht zurückgewiesen werden. Hypothese Tabelle 6.2: Ergebnisse des Χ²-Tests der in Kapitel 5.1 aufgestellten Hypothesen. Wert des Χ²-Tests H1 8,495 H2 15,364 H3 41,667 H4 9,074 H5 0,01 56

73 6 Ergebnisse Der kritische Χ²-Wert bei einem Freiheitsgrad (dof = 1) und einem Signifikanzkriterium von α = 10 % beträgt 2,706 (Anhang A). Der Χ²-Wert der Hypothese H 5 ist kleiner als der kritische Χ²-Wert und das Ergebnis folglich nicht signifikant. Die Hypothese H 5 kann demnach nicht zurückgewiesen werden. Die Werte des Χ²-Tests der Hypothesen H 1 bis H 4 sind größer als der kritische Χ²-Wert und das Ergebnis demnach signifikant. Die Hypothesen H 1 bis H 5 werden abgelehnt. Ein Anstieg aller charakteristischen statistischen Kennwerte (der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der selektierten subjektiven Messwerte) von Einstellung 1 über Einstellung 2 bis hin zu Einstellung 3 kann festgestellt werden (Tab. 6.3). Als Maß der zentralen Tendenz wird der Median-Wert verwendet, der einen Wert zwischen zwei (Einstellung 1) und vier (Einstellung 3) aufweist. Als Maß der Variabilität werden zwei Quantils-Werte (das 75 %- Quantil und das 25 %-Quantil) angegeben, die Werte zwischen zwei (bzw. 1) und 5 (bzw. 3) annehmen (Tab. 6.3). Tabelle 6.3: Statistische Kennwerte der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der selektierten subjektiven Messdaten. Einstellung Median Maximum Minimum 75 %-Quantil 25 %-Quantil Komfort (1) Weich (2) 2, Hart (3)

74 6 Ergebnisse 58

75 7 Diskussion In diesem Kapitel wird auf die zentrale Fragestellung der Güte (Validität) der Ergebnisse dieser Arbeit eingegangen. Zudem werden Aufschlüsse darüber gegeben, wie sich die Ergebnisse dieser Arbeit interpretieren sowie in die Verwendung bestehender Verfahren (dem Stand der Technik) einbringen lassen. Die Diskussion der Ergebnisse in Bezug auf ihre Güte sowie deren Einfluss in der Verwendung und Differenzierung bestehender Verfahren wird im Abschnitt 7.1 behandelt. Die Diskussion des Aufbaus oder Designs der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Probandenstudie wird im Abschnitt 7.2 durchgeführt. 7.1 Diskussion der Ergebnisse In diesem Kapitel werden die Ergebnisse des Vergleichs der subjektiven Messwerte mit den objektiven Kennwerten im Abschnitt diskutiert sowie eine Diskussion der Ergebnisse der Analyse und Selektion der subjektiven Messwerte im Abschnitt durchgeführt Diskussion der Ergebnisse des Vergleichs der subjektiven Messwerte und objektiven Kennwerte Eine Validierung der Umsetzung der Verfahren bzw. ein Nachweis der Korrektheit der Ergebnisse der einzelnen Verfahren konnte im Rahmen dieser Arbeit, außer für das Verfahren nach der ISO :1997, nicht erbracht werden. Grund hierfür ist die fehlende Angabe von Prüfsignalen in Kombination mit passenden Referenzergebnissen in allen (im Rahmen dieser Arbeit verglichenen) Verfahren (ausgenommen dem Verfahren nach der ISO ). Eine valide Umsetzung der Berechnungsmethode nach dem Verfahren der ISO :1997 konnte innerhalb definierter Toleranzbereiche nachgewiesen werden. Eine Validierung des Verfahrens nach der ISO erfolgte anhand der ISO :2017 [66, S ]. Eine betragsmäßige maximale Abweichung der Ergebnisse der Frequenzbewertungen (des Verfahrens nach der ISO ) (Abs ) zu den Referenzwerten der ISO von 3,636 % (Tab. 7.1) konnte erreicht werden und liegt demnach innerhalb des (in der ISO spezifizierten) Toleranzbereichs von 10 % [66, S. 25]. 59

76 7 Diskussion Tabelle 7.1: Abweichungen der Ergebnisse der Frequenzbewertungen der Umsetzung des Verfahrens nach der ISO zu den Referenzwerten der ISO Frequenz in Hz ΔWb in % ΔWc in % ΔWd in % ΔWe in % Die Ergebnisse dieser Arbeit (Abs. 6.1) stimmen mit der vorherrschenden Meinung einiger im Rahmen dieser Arbeit konsolidierten Experten eines Automobilherstellers überein: Das Verfahren nach der ISO :1997 bildet das subjektive Diskomfortempfinden am besten ab. Gemeint ist, dass die Angaben der Probanden mit den Skalenstufen, die durch die Kennwerte der ISO wiedergespiegelt werden, am besten übereinstimmen, bzw. der Zusammenhang zwischen den Subjektivurteilen und den, nach dem Verfahren der ISO berechneten, Kennwerten am stärksten ist. Eine exakte Abbildung der menschlichen Wahrnehmung von Diskomfort (aufgrund wirkender Ganz-Körper-Schwingungen) nach dem Verfahren der ISO konnte jedoch anhand der Ergebnisse dieser Arbeit nicht gezeigt werden (Kendalls τ b 1) (Tab. 6.1). Zudem sollte beachtet werden, dass die statistische Auswertung und die Bestimmung eines Rangkorrelationskoeffizienten den Kardinalsproblemen der Messtheorie (Abs. 3.1) unterworfen sind. Vor allem das Bedeutsamkeitsproblem spielt aufgrund der starken Unterschiede in den Datenniveaus der objektiven und subjektiven Messdaten eine bedeutende Rolle. Gestützt ist diese Aussage durch den hohen Rangkorrelationskoeffizienten Kendalls τ b, der für den Zusammenhang zwischen den subjektiven Werten der Ausprägung des Merkmals Gesamturteil und den objektiven Kennwerten nach dem Verfahren der ISO errechnet werden konnte nämlich 0,459 (Tab. 6.1). Dieser Wert entspricht nahezu einem starken Zusammenhang nach Cohen ( τ = 0,5) [67, S ]. Die klar erkennbaren Niveaus (Abb. 6.1) für die einzelnen Dämpfereinstellungen in den Kennwerten nach dem Verfahren der ISO 2631 deuten auf die Fähigkeit der Abbildung der Unterschiede des Vertikaldynamikdiskomforts aufgrund der unterschiedlich starken (auf den Fahrer einwirkenden) Beschleunigungen hin. Zudem wird die Tendenz des steigenden Diskomforts (steigender Wert der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil), repräsentiert durch einen steigenden Median-Wert des Gesamturteils, von Einstellung 1 hin zu Einstellung 3 (Tab. 6.3) durch einen Anstieg der Werte des Kennwerts nach der ISO wiedergegeben (Abb. 6.1). Das Verfahren nach dem BS 6841:1987 erreicht ähnlich gute Ergebnisse wie das Verfahren nach der ISO :1997. Das Verfahren weist ein Zusammenhangsmaß (Kendalls τ b) mit einem Wert nahe 0,5 (Tab. 6.1) und demnach einen nahezu starken Zusammenhang nach COHEN [67, S ] auf. Die unterschiedlich starken (an den Kontaktstellen zwischen dem Fahrzeug und dem Fahrer wirkenden) Beschleunigungen, hervorgerufen durch die drei unterschiedlichen Einstellungen der Dämpfer, können Anhand der Niveaus der Kennwerte (Abb. 6.1) ausgemacht werden. Zudem kann die Reihenfolge der Median-Werte der Dämpfereinstellungen (Tab. 6.3) durch die Höhe des Niveaus der Kennwerte (des Verfahrens nach dem BS 6841) für die einzelnen Dämpfereinstellungen wiedergegeben werden (Abb. 6.1). 60 0,5 0,449 0,380 0,352 0, ,182 0,131 0,129 0, , ,040 0,4 10 0,062 0,026 0,149 0,2 20 0, , ,643 0,838 0,476 3,636

77 7 Diskussion Ein ähnliches Ergebnis (im Sinne einer geringen Abweichung des Rangkorrelationskoeffizienten und der Werte der Kennwerte) der Verfahren nach dem BS 6841 und der ISO 2631 war aufgrund der geringen Unterschiede beider Verfahren (Abs ) zu erwarten. Eine bessere Performance (Abbildung des subjektiven Diskomfortempfindens) des Verfahrens nach der ISO 2631 ist auf die Unterschiede in der Frequenzbewertung der Beschleunigungssignale (Abb. 2.2 und Abb. 2.3) zurückzuführen. Trotz der recht guten Performance, weisen beide Norm-Verfahren (Verfahren nach BS 6841 und ISO 2631) einige Kritikpunkte auf. Beide Verfahren vernachlässigen die (über die Kontaktstelle Hand-Lenkrad) übertragenen Schwingungen auf das Hand-Arm-System. Jedoch zeigen Untersuchungen [68] und die Ergebnisse der Probandenstudie (Tab. 6.3), dass die übertragenen Schwingungen an den Händen das Komforturteil beeinflussen. Die Median-Werte der Ausprägungen der unterschiedlichen Merkmale (Tab. 7.2) deuten darauf hin, dass Anregungen an den Händen zu Diskomfort führen. Die Messung und Bewertung der Einwirkung von mechanischen Schwingungen auf das Hand-Arm-System im Hinblick auf die Gesundheit des Menschen wird in [69] umfangreich behandelt, jedoch wird der Aspekt des Komforts außen vor gelassen. Tabelle 7.2: Median-Werte der Ausprägungen der Merkmale der selektierten subjektiven Messdaten. Gesamturteil Gesäß Rücken Füße Hände 2 2, Des Weiteren zeigen Untersuchungen [20, 70] eine bessere Abbildung des subjektiv empfundenen Diskomforts durch die Verwendung des VDV-Werts. Grund hierfür ist die stärkere Gewichtung impulshaltiger Anteile die nach [1, 19, 27, 62] einen starken Einfluss auf das Komfortempfinden besitzen durch die Verwendung der vierten Potenz innerhalb der Berechnungsvorschrift Gl. (2.5) und der Berücksichtigung der Dauer der Schwingungseinwirkung auf den Beurteiler. Der VDV-Wert ist in dem Verfahren nach der ISO und dem BS 6841 definiert (Abs und Abs ), jedoch fehlt eine geeignete Abbildungsvorschrift, welche die Werte des VDV-Werts einer Beschreibung des empfundenen subjektiven Diskomforts zuordnet. Die Bestimmung einer geeigneten Abbildungsvorschrift (des VDV-Werts zu dem subjektiv empfundenen Diskomfort) ist aufgrund der Zeitabhängigkeit des VDV-Werts jedoch äußerst schwierig. Nichtsdestotrotz bestehen bereits Abbildungsvorschriften für den VDV-Wert in Bezug auf die Bewertung der Auswirkungen von Ganzkörperschwingungen auf die Gesundheit [16, 21]. Wie auch bei der Berücksichtigung der Hand-Arm-Schwingungen, bestehen bereits standardisierte Verfahren zur Bewertung der Einflüsse impulshaltiger Schwingungen auf den Menschen [71], die sich jedoch auf den Einfluss (der Schwingungen) auf die Gesundheit beschränken und den Aspekt des hervorgerufenen Diskomforts außen vor lassen. Die Werte der Kennwerte nach dem Verfahren nach RERICHA können den subjektiv empfundenen Diskomfort der Probanden (dieser Studie) nicht oder nur schlecht wiedergeben. Dargestellt wird dieser geringe Zusammenhang zwischen den Kennwerten nach RERICHA und den subjektiven Werten der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil durch den Abstand der Werte der Zwischenzustände zu den Geraden, die durch die Werte der beiden Grenzzustände (eins jeden Messkollektivs) verlaufen (Abb. 6.2). Das Fehlen von klar ersichtlichen Niveaus, in den Kennwerten der drei Dämpfereinstellungen des Verfahrens nach RERICHA (Abb. 6.1), deutet auf die fehlende Fähigkeit des Verfahrens zur reliablen (reproduzierbaren) Abbildung der Schwingungseinwirkungen auf den Probanden und folglich des empfundenen Diskomfort (im Rahmen der Ergebnisse dieser Arbeit) hin. Die Reihenfolge der Median-Werte der Dämpfereinstellungen 61

78 7 Diskussion (Tab. 6.3) kann durch die Kennwerte des Verfahrens nach RERICHA nicht wiedergegeben werden. Erkennbar ist das unter anderem an den stark unterschiedlichen Steigungen der Geraden (die durch die zwei Grenzwerte eines jeden Messkollektivs verlaufen) (Abb. 6.2). Das durch RERICHA prognostizierte lineare Verhalten (Abs ) zwischen den Werten des Kennwerts nach RERICHA und dem subjektiven Komfortempfinden konnte anhand der Ergebnisse dieser Arbeit nicht bestätig werden. Generell ist es fragwürdig, ob der äußerst komplexe Zusammenhang zwischen den wirkenden Beschleunigungen an den Kontaktstellen zwischen dem Menschen und dem Fahrzeug und dem menschlichen Diskomfortempfinden anhand linearer Zusammenhänge abgebildet werden kann. Für einen nicht-linearen Zusammenhang sprechen unter anderem mehrere Ergebnisse von Untersuchungen zur Frequenzabhängigkeit der menschlichen Wahrnehmung von Diskomfort [12 15, 34, 38], die einen nicht-linearen Zusammenhang aufweisen. Eine starke Abhängigkeit der Werte des objektiven Kennwerts nach RERICHA von den an den Händen wirkenden Winkelbeschleunigungen um die Achse des Lenkrads ist zu beobachten (Abb. 7.1). Diese starke Gewichtung der rotatorischen Schwingungen an den Händen kann bereits an den hohen Werten der Frequenzbewertungsfunktion für rotatorische Beschleunigungen um die Achse des Lenkrads (im Vergleich zu den Bewertungsfaktoren der übrigen Frequenzbewertungsfunktionen nach RERICHA) ausgemacht werden (Abb. 2.4). Gegen eine derart hohe Bewertung (der rotatorischen Beschleunigungen um die Achse des Lenkrads) sprechen unter anderem Ergebnisse einiger Versuche [72 75], die eine deutliche Dominanz der translatorischen Schwingungen (Schwingungsanteile) bereits in einem Abstand von einigen Zentimetern zum Drehpunkt zeigen. Ein Überwiegen der transversalen Anteile von rotatorischen Schwingungen (auf die Wahrnehmung von Diskomfort), in einem Frequenzbereich über 0,5 Hz, konnte zudem von WYLLIE und GRIFFIN [76, 77] gezeigt werden. Sitz Rücken Rotation um die Lenkradachse Füße Hände Nicken, Wanken, Gieren Abbildung 7.1: Summe der arithmetischen Mittelwerte der Komfortfaktoren KF der selektierten objektiven Messwerte der einzelnen Einleitungsstellen nach RERICHA [18]. 62

79 7 Diskussion Aufgrund der niedrigen Datenrate des Fahrzeug-Karosserie-CAN, von 5 Hz, ist die Auswertung der Schwingungen (Winkelbeschleunigungen) um die Lenkradachse kritisch zu betrachten. Die Bestimmung der Kennwerte der Rotationen um die Lenkradachse nach RERICHA fand aufgrund dessen lediglich bis zu einer maximalen Frequenz von 2,5 Hz dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem folgend statt. RERICHA sieht jedoch eine Bewertung der Anregung in einem Frequenzbereich von 0,8 bis 80 Hz vor (Abs ). Zudem ist der Bereich maximaler Gewichtung der Anregungen durch Rotation um die Lenkradachse in einem Frequenzbereich von 0,8 bis 9 Hz definiert (Abb. 2.4). Eine exakte Bewertung der Anregungen nach RERICHA konnte folglich aufgrund der niedrigen Datenrate nicht erfolgen. Demnach weist der Komfortwert KF der Anregungen durch Rotation um die Lenkradachse nach RERICHA (der Ergebnisse dieser Arbeit) tendenziell einen zu geringen Wert auf. Der Anteil des Komfortwerts KF der Anregungen durch Rotation um die Lenkradachse am Wert des Totalkomfortwerts TKF nach Rericha (Abb. 7.1) würde, wie auch der Totalkomfortwert TKF selbst, folglich größer ausfallen. Die oben beschriebene Abhängigkeit würde demnach weiter verstärkt werden. Weitere Untersuchungen [13, 20, 27] zeigen zudem, dass die Anregungen am Sitz den größten Einfluss auf das subjektive Komfortempfinden ausüben. Dieser Einfluss lässt sich in den Kennwerten nach RERICHA nicht wiederfinden (Abb. 7.1). Der Einfluss transienter Anteile der Anregung auf das Diskomfortempfinden wird in dem Verfahren nach RERICHA nicht gesondert berücksichtigt (Abs ). Transiente Anteile haben jedoch einen maßgeblichen Einfluss auf die menschliche Wahrnehmung des Diskomforts [27, 28, 30, 39] (hervorgerufen durch Schwingungseinwirkungen auf den Menschen). Dieser Einfluss kann mittels des Verfahrens nach RERICHA nicht abgebildet werden. Das Verfahren nach CUCUZ weist einen geringen (negativen) Zusammenhang (Rangkorrelationskoeffizienten Kendalls τ b) zwischen den Werten des objektiven Kennwerts nach CUCUZ und den subjektiven Werten der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil auf (Tab. 6.1). Zudem lässt die Lage der Kennwerte im Streudiagramm (Abb. 6.1) keine Rückschlüsse auf die verwendete Dämpfereinstellung zu. Die Reihenfolge der Median-Werte des Subjektivurteils der drei Dämpfereinstellungen (Tab. 6.3) lässt sich nicht in der Lage der Kennwerte im Streudiagramm wiedererkennen. Die fehlende Fähigkeit der (ausreichend übereinstimmenden) Abbildung des subjektiven Diskomfortempfindens der Probanden durch das Verfahren nach CUCUZ lässt sich (im Rahmen der Ergebnisse dieser Arbeit) aus den eben genannten Punkten folgern. Eine maßgebliche Abhängigkeit des Wertes des Kennwerts nach CUCUZ von den in der Berechnungsvorschrift enthaltenen Impulsanteilen ist zu beobachten (Abb. 7.2). Dieser starke Einfluss der Impulshaltigkeit der Anregung auf den Diskomfort konnte in der durchgeführten Studie nicht festgestellt werden. Dies ist unter anderem an dem niedrigen Rangkorrelations-koeffizienten (Tab. 6.1) und den Unterschieden in den Bewertungen der einzelnen Dämpfereinstellungen (Tab. 6.3) zu erkennen. 63

80 7 Diskussion Abbildung 7.2: Vergleich der Kennwerte nach CUCUZ mit und ohne Berücksichtigung des Impulsanteils. Das Verfahren nach CUCUZ (Abs ) bewertet lediglich Anregungen in vertikaler Richtung (Abb. 2.1) an drei Anregungspunkten, was als weiterer Kritikpunk aufgeführt werden kann. Demnach werden Beschleunigungen am Rücken sowie Beschleunigungen in x- und y-richtung in der Bestimmung des Kennwerts zur Beschreibung des subjektiv empfundenen Diskomforts nicht berücksichtigt. Studien [13, 17, 20] zeigen jedoch, dass Anregungen am Rücken sowie Anregungen in der x- und y-richtung zur Wahrnehmung von Diskomfort führen können. Zudem haben rotatorische Schwingungen (Nicken, Wanken und Gieren) einen Einfluss auf die subjektive Wahrnehmung von Diskomfort [14]. Das Verfahren nach KLINGNER besitzt, trotz des nicht definierte Werts von Kendalls τ b (Tab. 6.1), die Fähigkeit der Abbildung der unterschiedlich starken (auf den Fahrer wirkenden) Beschleunigungen bzw. des unterschiedlich starken Empfindens des Diskomforts. Ersichtlich wird diese Fähigkeit durch die vorhandenen Niveaus in den Werten des Kennwerts nach KLINGNER (Abb. 6.1). Die Höhe der Niveaus entspricht zudem der Reihenfolge der Median-Werte des Subjektivurteils der drei Dämpfereinstellungen (Tab. 6.3), was eine korrekte Wiedergabe des subjektiv empfundenen Diskomforts vermuten lässt. Die Gleichheit der, in den Skalenstufen des Fragebogens ausgedrückten, Werte des Kennwerts nach KLINGNER lässt auf eine ungeeignete Abbildungsvorschrift (Abb. 5.2) des metrisch skalierten Kennwerts zu einer Skalenstufe der ordinalen und diskreten Skala des Fragebogens (der ISO 2631) schließen. Jedoch würde auch die Verwendung von KLINGNERS eigens definierter Komfortgrenze (Abs ) keinen Informationsgewinn bedeuten und auch die Verwendung der Wertetabelle nach der VDI 2057: (Tab. 2.5) (auf der die Berechnung des Kennwerts nach KLINGNER beruht (Abs )) würde zu keiner weiteren Differenzierung der zugeordneten Subjektivurteile führen. 64

81 7 Diskussion Ein weiterer Kritikpunkt aller bisher diskutierten Verfahren (ISO 2631, BS 6841, RERICHA, CUCUZ und KLINGNER) ist die Vernachlässigung des Effekts der Amplitudenabhängigkeit der menschlichen Wahrnehmung von Diskomfort. Untersuchungen [20, 28] konnten eine Amplitudenabhängigkeit der Wahrnehmung von Diskomfort zeigen. Demnach wäre es notwendig, zusätzlich zu der frequenzabhängigen Bewertung (Abb. 2.2, Abb. 2.3, Abb. 2.4, Abb. 2.5 und Abb. 2.6), eine amplitudenabhängige Bewertung in die bestehenden Verfahren zu implementieren. Die Ergebnisse des Verfahrens nach HENNECKE weisen, trotz des nicht definierten Werts von Kendalls τ b (Tab. 6.1), die Fähigkeit der Abbildung der unterschiedlich starken (auf den Fahrer wirkenden) Beschleunigungen bzw. des unterschiedlich starken Empfindens des Diskomforts auf. Die Werte der Kennwerte des Verfahrens nach HENNECKE weisen von allen (im Rahmen der Arbeit verglichenen) Verfahren die deutlichste Ausbildung unterschiedlicher Niveaus auf (Abb. 6.1). Die Lage der Niveaus (im Streudiagramm) (Abb. 6.1) stimmt jedoch nicht mit der Reihenfolge der Median-Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil (Tab. 6.3) überein. Der Diskomfort der Einstellung 2 wird nach dem Verfahren nach HENNECKE unterbewertet (im Vergleich zu den anderen Verfahren (Abb. 6.1) und den Subjektivurteilen der Probanden (Tab. 6.3)). Die Gleichheit der in den Skalenstufen des Fragebogens ausgedrückten Werte des Kennwerts nach HENNECKE lässt (wie bei dem Verfahren nach KLINGNER) auf eine ungeeignete Abbildungsvorschrift (Abb. 5.2) des metrisch skalierten Kennwerts zu einer Skalenstufe der ordinalen und diskreten Skala des Fragebogens (der ISO 2631) schließen. Es handelt sich hierbei also um einen Eindeutigkeitsproblem (Abs. 3.1). Jedoch würde auch die Verwendung der Wertetabelle nach der VDI 2057: (Tab. 2.5) (auf der die Berechnung des Kennwerts nach HENNECKE beruht (Abs )) zu keiner weiteren Differenzierung der zugeordneten Subjektivurteile und folglich einem Informationsgewinn führen. Fraglich ist jedoch, ob die Verwendung der in der VDI 2057:1987 verwendeten, verbalen Beschreibungen der Skalenstufen zu einem anderen (besser korrelierenden) Ergebnis der Verfahren nach KLINGNER und HENNECKE geführt hätten. Zumal die Antwortvorgaben und deren Beschreibungen einen großen Einfluss auf das Ergebnis einer Messung ausüben [55, S ]. Das Problem besteht demnach darin, dass der verwendete Fragebogen (Abs. 4.1) auf den Wertebereichen den ISO (Tab. 2.2) basiert wohingegen die Verfahren nach CUCUZ, KLINGNER und HENNECKE auf den Wertebereichen (und Beschreibungen des Empfindens) der VDI 2057: (Tab. 2.5) basieren. Die Berechnung eines Kennwerts nach dem Verfahren nach HENNECKE beruht lediglich auf den Anregungen am Sitz in vertikaler Richtung und Anregungen durch die Winkelbeschleunigungen um die y-achse (Nicken) (Abs ). Demnach werden alle übrigen, auf den Fahrer wirkenden Beschleunigungen in der Bestimmung des Kennwerts zur Beschreibung des subjektiv empfundenen Diskomforts nicht berücksichtigt. Untersuchungen [13, 17, 20] zeigen jedoch, dass Anregungen an den Händen, den Füßen und dem Rücken sowie Anregungen am Sitz in x- und y-richtung zur Wahrnehmung von Diskomfort führen können. Zudem haben rotatorische Schwingungen um die x- und z-achse (Wanken und Gieren) einen Einfluss auf die subjektive Wahrnehmung von Diskomfort [14]. Ein Nachteil aller im Rahmen dieser Arbeit verglichenen korrelativen Verfahren (RERICHA, CUCUZ, KLINGNER und HENNECKE) sowie der verwendeten Berechnungsmethoden nach der ISO 2631 und dem BS 6841, ist die Vernachlässigung des Einflusses der Belastungsdauer. Grund hierfür ist die Verwendung des quadratischen Mittelwerts (r.m.s.-wert) zur Bestimmung der einzelnen Kennwerte der jeweiligen Anregungsstelle und -richtung (Teilkomfortwerte), denn 65

82 7 Diskussion der Wert des quadratischen Mittelwerts steigt nicht mit zunehmender Dauer stationärer Anregungen [20, S. 688]. Viel mehr neigt der Wert des quadratischen Mittelwerts dazu niedriger auszufallen, je länger die Dauer der Belastung ist. Im Gegensatz dazu scheint (wie Untersuchungen zeigen) der empfundene Diskomfort mit steigender Dauer der Schwingungseinwirkung zuzunehmen [16, 20, 78]. Die Verfahren nach der ISO :1997 und dem BS 6841:1987 bieten jedoch die Möglichkeit der Berechnung eines alternativen Kennwerts (dem VDV-Wert) (Abs und Abs ), der die Belastungsdauer berücksichtigt. Es fehlen jedoch eine geeignete Abbildungsvorschrift für die Zuordnung des alternativen Werts zu einem entsprechenden subjektiven Diskomfortempfinden. Neuere Ergebnisse [1, 45] zeigen zudem, dass Testfahrer ihr Komforturteil anhand ausgewählter Streckenabschnitte, bzw. anhand einzelner Ereignisse treffen. Um das menschliche Komfortempfinden einer selektiven Wahrnehmung abbilden zu können, bedarf es der Implementierung einer Relevanzfilterung in den bestehenden Objektivierungsverfahren. Eine zusätzliche Verstärkung der Wahrnehmung von Diskomfort, aufgrund wirkender Relativbegegnungen zwischen dem Sitz und den Füßen sowie Phasenunterschieden in den Anregungen an verschiedenen Messtellen, konnte durch JANG und GRIFFIN [79, 80] im niederfrequenten Bereich nachgewiesen werden. Eine derartige Beziehung zwischen den wirkenden Beschleunigungen an unterschiedlichen Anregungspunkten ist in keinem der (im Rahmen dieser Arbeit verglichenen Verfahren) zu finden Diskussion der Ergebnisse der Analyse und Selektion der subjektiven Messwerte Die Selektion der Messwerte erfüllt weitestgehend die Anforderungen an ein objektives Verfahren (Abs. 3.1). Es werden eindeutige Regeln zur Selektion der Messwerte definiert (Abs. 5.1) und nur ein geringer Teil des Verfahrens bedarf der Interpretation des Anwenders. Konkreter werden eindeutige Regeln zum Ausschluss von Ausreißerwerten anhand deren Lage in den Boxplots sowie Regeln zum Vergleich des Rankings mit den Messwerten definiert. Lediglich die Selektion der Messwerte anhand der in den Messprotokollen festgehaltenen Aussagen unterliegt der Interpretationsfreiheit des Anwenders. Demnach ist die Objektivität des Selektionsvorgangs weitestgehend gewährleistet. Da die Manipulation (Selektion) der Messdaten Einfluss auf die nachfolgende Analyse der subjektiven Messdaten, wie auf den Vergleich der subjektiven Messdaten mit den objektiven Kennwerten hat, sollte eine nachvollziehbare Dokumentation des Selektionsverfahrens gegeben sein. Dieser Forderung wird im Abschnitt 5.1 und 6.2 nachgekommen. Die Überprüfung der Hypothesen erfolgt anhand des Χ²-Tests, der mindestens ein nominalskaliertes Datenniveau voraussetzt. Das vorliegenden ordinale Datenniveau der analysierten subjektiven Messdaten des Merkmals Gesamturteil sowie das nominale Datenniveau der Messdaten der Ausprägungen der Merkmale des semantischen Differentials werden dieser Forderung gerecht. Die eindeutige Zuordnung der (in der Messung) bestimmten Merkmalsausprägungen, zu einem Probanden sowie den jeweiligen objektiven Messdaten, wird anhand der Messprotokolle und der Permutationstabelle vorgenommen. Die Unabhängigkeit der Beobachtungen wird durch die Isolation, der Wiederholungsfahrten (der jeweils vierten Versuchsfahrt eines jeden Messkollektivs), sichergestellt. Demnach erfüllen die selektierten subjektiven Messdaten alle Voraussetzungen des Χ²-Tests. 66

83 7 Diskussion Das gewählte Signifikanzkriterium von α = 10 % bedeutet (bei einem Freiheitsgrad), dass bei Gültigkeit einer (überprüften) Hypothese, mit einer Wahrscheinlichkeit von 10 %, ein Χ²-Wert auftritt der größer oder gleich 2,706 ist. Die Wahl des Signifikanzkriteriums von α = 10 % orientiert sich an gängigen Literatur- und Tabellenwerten [55, S ]. Die Ergebnisse des Χ²- Tests (Tab. 6.2) lassen folgende inhaltliche Folgerungen, im Rahmen des zugrundeliegenden Signifikanzniveaus, zu: Die Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der Einstellung 1 weisen nicht in mindestens 90 % der Messungen den niedrigsten Wert auf. Die Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der Einstellung 3 weisen nicht in mindestens 90 % der Messungen den höchsten Wert auf. Die Messungen der Einstellung mit dem höchsten Wert der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil weisen nicht in mindestens 90 % der Fälle zudem die Merkmalsausprägung zitternd auf. Die Messungen der Einstellung mit dem höchsten Wert der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil weisen nicht in mindestens 90 % der Fälle zudem die Merkmalsausprägung stoßartig auf. Mindestens 90 % der Messungen der Einstellung 2 weisen die Merkmalsausprägung hüpfend auf. Abgesehen von den in den Hypothesen H 1 bis H 5 untersuchten Abweichungen der beobachteten Häufigkeitsverteilungen innerhalb der Stichprobe zu den in der Population vermuteten Häufigkeitsverteilungen, können charakteristische statistische Kennwerte der Ergebnisse der Stichprobe zur Argumentation herangezogen werden. Zur Berechnung dieser Kennwerte (Tab. 6.3) werden ausschließlich für ordinalskalierte Daten geeignete Verfahren verwendet, weshalb eine inhaltliche Aussage über die zentrale Tendenz und die Variabilität der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil gerechtfertigt ist und folglich für eine Bewertung der objektiven Verfahren herangezogen werden können. 7.2 Diskussion des Designs Probandenstudie Im Rahmen der Diskussion des Designs der Probandenstudie werden im Wesentlichen drei Teilbereiche näher untersucht: der Aufbau des Messinstruments zur Erfassung der subjektiven Messwerte (Abs ), die Zusammensetzung der Versuchspopulation (Abs ) und die Durchführung der Probandenstudie (Abs ) Diskussion des Aufbaus des Messinstruments zur Erfassung der subjektiven Messwerte Die allgemeinen Anforderungen, die das Messinstrument (der Fragebogen) (Abb. 4.3) an den Probanden stellte, konnten nicht in jedem Fall zweifelsfrei erfüllt werden (Abs. 6.2). Die differenzierte Erfassung des, durch die auf den Probanden wirkenden Schwingungen hervorgerufenen, Diskomforts an den in dem Fragebogen aufgeführten Körperregionen stellte (vor allem für unerfahrene Versuchspersonen) eine komplexe Herausforderung dar, die parallel zur Fahraufgabe erfüllt werden musste. Aufgrund dessen die Validität der Messwerte, speziell an den separat 67

84 7 Diskussion aufgeführten Körperregionen, einiger Probanden angezweifelt werden kann. Die Zuordnung der Merkmalsausprägungen des semantischen Differentials konnte ebenfalls nicht immer zweifelsfrei erfüllt werden. Das Aufzeigen der Werte des nummerischen Relativs (Skalenstufen eins bis sechs) kann zudem zu einer Fehlinterpretation, der mit den Merkmalsausprägungen verbundenen Aussagen (empirisches Relativ), geführt haben. So kann zum Beispiel die erste Skalenstufe die mit dem Wert 1 des numerischen Relativs belegt ist und die verbale Beschreibung Nicht unkomfortabel aufweist als einfach unkomfortabel, im Wiederspruch zu der eigentlich repräsentierten Abwesenheit von Diskomfort, fehlinterpretiert werden. Zudem vermittelt das Aufzeigen der Werte des nummerischen Relativs den Anschein einer äquidistanten Größe des Unterschieds zwischen den Merkmalsausprägungen (Skalenstufen), die bei dem vorliegenden ordinalen Datenniveau nicht gegeben sind. Das Gütekriterium Durchführungsobjektivität könnte durch den Versuchszeitraum von einer Woche und der Auswahl der Probanden gefährdet sein. So könnten sich Informationen über den Ablauf des Versuchs innerhalb der Versuchspopulation über den Versuchszeitraum hinweg verbreiten und den Informationsstand eines Probanden beeinflussen. Die Erfüllung der Durchführungsobjektivität kann folglich nur bei dem ersten Probanden der Studie gewährleistet werden. Die Durchführungsobjektivität kann zudem durch die Wortwahl des Versuchsleiters, auch wenn diese größtenteils durch das Dokument Versuchsablauf Masterskript (Anhang C) festgelegt ist, gefährdet werden. Die Auswertungs- und Interpretationsobjektivität sind durch standardisierte Verfahren und exakt definierte Grenzwerte nur gering gefährdet. Die Reliabilität des Messinstruments konnte anhand des geringen Median-Werts von 0,5 der Absolutbeträge der Differenzen der zwei Vergleichsfahrten eines jeden Probanden (der bereits selektierten Messdaten (Abs. 5.1)) gezeigt werden (Abs. 4.1). Eine Betrachtung der Werte der Differenzen der einzelnen Probanden (Tab. 4.1) ist nicht zielführend, weil hierbei die Effekte der Randomisierung und Permutation nicht zum Tragen kommen. Die Betrachtung der Differenz der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der jeweils ersten und letzten Versuchsfahrt ist dennoch kritisch zu betrachten, weil bei der Bewertung der letzten Versuchsfahrt unter anderem Positionseffekte und Carry-Over-Effekte das Urteil beeinflussen. Zudem ist von einer Beeinflussung der Bewertung der ersten Versuchsfahrt durch die Erwartungshaltung des Probanden (an den Komfort des Versuchsfahrzeugs) auszugehen. Des Weiteren kann durch eine Variation der Fahrtrichtung, in welche die Versuchsstrecke befahren wurde, eine exakte Übereinstimmung der Anregungen, durch die Unebenheiten der Fahrbahn, nicht sichergestellt werden. Eine vollständige Objektivität, Reliabilität und Validität des Messinstruments konnte (im Rahmen der Arbeit) nicht nachgewiesen werden. Alle erfassten Subjektivurteile unterliegen den genannten Störeinflüssen und sind in ihrer Gültigkeit zu hinterfragen. Zudem sei darauf hingewiesen, dass alle Ergebnisse der Messungen den Kardinalsproblemen der Messtheorie (Abs. 3.1) unterliegen. Demnach unterliegen die Angaben der Probanden vor allem den Auswirkungen des Repräsentationsproblems (Abs. 3.1). 68

85 7 Diskussion Diskussion der Zusammensetzung der Versuchspopulation Aufgrund der Auswahl, Zusammensetzung und Anzahl der Studienteilnehmer kann nicht von einer repräsentativen Studie [53, 81] ausgegangen werden. Die Einschränkung der Versuchspopulation auf Mitarbeiter des Lehrstuhls für Fahrzeugtechnik der Technischen Universität München limitiert alle oben genannten Merkmale. Als zentrale Kritikpunkte sind das niedrige Durchschnittsalter der Probanden von ca. 29 Jahren, der hohe Anteil männlicher Probanden von ca. 81 % und der nahe Bezug der Probanden zur Fahrzeugentwicklung und -forschung, zu nennen. Demnach sind vor allem weibliche, ältere und fachfremde Verkehrsteilnehmer innerhalb der Studie unterrepräsentiert. Als Vergleichswerte werden hierbei der Anteil der Frauen am Bestand der ausgestellten Fahrerlaubnisse für Pkw in der Bundesrepublik Deutschland von 50 % - sowie die deutlich breitere Verteilung der Anzahl der Fahrerlaubnisse innerhalb der Altersstruktur der Verkehrsteilnehmer (Abb. 7.3) [82], herangezogen. Durch den Umfang der Studie (Anzahl der Studienteilnehmer) kann zudem nicht sichergestellt werden, dass alle Merkmalsausprägungen der heterogenen Gesamtheit (der Verkehrsteilnehmer oder Fahrzeughalter) in der Studie repräsentiert sind. Abbildung 7.3: Altersverteilung der Inhaber einer Pkw-Fahrerlaubnis innerhalb der Bundesrepublik Deutschland. 69

86 7 Diskussion Diskussion der Versuchsdurchführung Der Forderung nach einer reliablen Messung wurde, durch die gewählten Parameter der Versuchsdurchführung, weitestgehend nachgekommen. So konnten reproduzierbare, auf das Fahrzeug wirkende, Anregungen durch eine gleichbleibende Versuchsstrecke, einem gelichbleibendem Versuchsfahrzeug und ähnliche Wetterverhältnisse erreicht werden. Eine Übereinstimmung der Parameter der einzelnen Dämpfereinstellungen wurde durch die Verwendung von gespeicherten Initialisierungsdateien sichergestellt. Eine konstante Geschwindigkeit während der Versuche konnte durch die Verwendung eines Tempomaten erreicht werden. Dennoch sind Abweichungen der, auf die Probanden wirkenden, Anregungen festzustellen, die sich unter anderem in den Unterschieden der Kennwerte der untersuchten Verfahren zur Objektivierung des Vertikaldynamikkomforts wiederspiegeln. Grund hierfür ist unter anderem die Befahrung der Versuchsstrecke in südlicher sowie nördlicher Fahrtrichtung, wodurch sich unterschiedliche Anregungen durch die Fahrbahn ergeben. Da es sich bei der Versuchsstrecke um eine öffentliche Straße handelte, führten unter anderem andere Verkehrsteilnehmer zu Abweichungen in der Versuchsdurchführung. Während des Versuchs musste teilweise die Geschwindigkeit, aufgrund vorausfahrender Fahrzeuge, reduziert werden. Dies führte zu einer Abweichung in den auf den Probanden wirkenden Anregungen und Abweichungen in den Werten der objektiven Kennwerte. Alle aufgetretenen Irregularitäten sind den Messprotokollen zu entnehmen (siehe elektronischer Anhang). 70

87 8 Zusammenfassung und Ausblick Zu Beginn dieser Arbeit wurde ein kurzer Überblick über die Vorteile der Objektivierung des Vertikaldynamikdiskomforts in Hinblick auf einen anpassungsfähigeren (dynamischeren) und kürzeren Entwicklungsprozess, durch den Einsatz von Simulationswerkzeugen, gegeben. Diese potentiellen Vorteile können jedoch nur genutzt werden, wenn die zur Verfügung stehenden Objektivierungsverfahren reliabel und valide sind. Zusammengefasst muss ein bestehendes Objektivierungsverfahren in der Lage sein den subjektiv empfundenen Diskomfort eines potentiellen Pkw-Insassen (Fahrers) mit ausreichender Übereinstimmung anhand eines objektiven Kennwerts wiederzugeben. Diese Eigenschaft (Übereinstimmung) zu überprüfen war die Motivation dieser Arbeit. Überprüft wurde die Abbildungsfähigkeit der einzelnen (ausgewählten) Objektivierungsverfahren anhand der Übereinstimmung der Kennwerte der objektiven Verfahren, mit den Aussagen der Probanden einer durchgeführten Studie zur Bestimmung des subjektiv empfundenen Diskomforts aufgrund wirkender Beschleunigungen hervorgerufen durch die Fahrbahnanregung. Die Übereinstimmung wurde anhand geeigneter statistischer Verfahren, wie dem Rangkorrelationskoeffizienten Kendalls Tau charakteristischer statistischer Kennwerte der Maße der zentralen Tendenz und Variabilität sowie explorativer statistischer Verfahren zur Identifikation von Trends, diskutiert. Die Auswahl der überprüften Objektivierungsverfahren wurde anhand einer Literaturrecherche zum aktuellen Stand der Technik getroffen, wobei sich in der späteren Ausarbeitung auf korrelative Verfahren konzentriert wurde. Korrelative Verfahren beschränken sich, im Gegensatz zu maschinellen Lernverfahren oder auf Menschmodellen basierende Verfahren, auf die Bestimmung eines Kennwerts anhand einer eindeutigen Berechnungsvorschrift basierend auf objektiven Messwerten. Eine weitere Einschränkung auf Verfahren, die ausschließlich Beschleunigungen an den Kontaktstellen zwischen dem Fahrer und dem Fahrzeug bewerten, wurde im Rahmen dieser Arbeit getroffen. Eine Überprüfung der Abbildungsfähigkeit (Güte) wurde für die Objektivierungsverfahren nach der ISO :1997 [16], dem BS 6841:1987 [21], RERICHA [18], CUCUZ [27], KLINGNER [17] und HENNECKE [28] durchgeführt. Die subjektiven Diskomfort-Referenzwerte wurden anhand einer, im Rahmen dieser Arbeit, durchgeführten Probandenstudie ermittelt. Die Studie wies einen Umfang von 16 Probanden auf, die jeweils drei unterschiedliche Dämpfereinstellungen in insgesamt vier Versuchsfahrten pro Proband, anhand eines (eigens für die Studie erstellten) Fragebogens in Bezug auf den wahrgenommenen Diskomfort, bewerteten. Bewertet wurden hierbei der aufgrund der wirkenden Beschleunigungen empfundene Diskomfort, an verschiedenen Körperregionen und der Gesamtwahrnehmung sowie die wahrgenommenen Eigenschaften der Schwingungen. Ein starker Zusammenhang (Korrelation) der ermittelten objektiven und subjektiven Diskomfortwerte für die Verfahren nach der ISO und dem BS 6841 wurde gezeigt. Für die restlichen 71

88 8 Zusammenfassung und Ausblick vier Objektivierungsverfahren konnte kein (oder kein ausreichend starker) Zusammenhang bestimmt werden. Jedoch wurde anhand weiterer Analysen der Daten des Vergleichs die Fähigkeit der differenzierten Abbildung unterschiedlicher Belastungsniveaus (Diskomfortniveaus) der Verfahren nach der ISO , dem BS 6841, KLINGNER und HENNECKE aufgezeigt. Die Fähigkeit der Abbildung der Trends in den Angaben der Probanden (in der Stärke ) des subjektiv empfundenen Diskomforts für die unterschiedlichen Dämpfereinstellungen wurde für die Verfahren nach der ISO , dem BS 6841 und KLINGNER beobachtet. Zur Gewinnung einer ersten Abschätzung des Diskomforts eines Fahrzeugs in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses eignet sich das Verfahren nach der ISO , basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit, am besten. Jedoch konnte auch für das Verfahren nach der ISO keine absolute Übereinstimmung mit den Angaben der Probanden gezeigt werden, weshalb eine endgültige Bewertung des Diskomforts eines Fahrzeugs anhand eines korrelativen Verfahrens zum aktuellen Stand der Technik nicht möglich ist. Aufgrund dessen sollte eine Weiterentwicklung der bestehenden Verfahren angestrebt werden. Vor allem die aufgezeigten Erkenntnisse neuerer Untersuchungen zur menschlichen Wahrnehmung von Diskomfort sollten in bestehende Verfahren implementiert werden. Zudem gilt es die positiven Eigenschaften der Verfahren nach KLINGNER und HENNECKE nutzbar zu machen, indem die Methode nach HEN- NECKE um weitere Messpunkte erweitert wird und für beide Verfahren eine geeignete Abbildungsvorschrift der objektiven Kennwerte auf die subjektiven Messwerte bestimmt wird. Außerdem sollte eine geeignete Wertetabelle, nach dem Vorbild der ISO , für die Zuordnung der VDV-Werte zu den subjektiven Diskomforturteilen bestimmt werden. Darüber hinaus sollte disziplinübergreifend an der Weiterentwicklung eines menschlichen Wahrnehmungsmodells bezüglich Diskomfort gearbeitet werden. Über eine Anpassung der korrelativen Verfahren zur Objektivierung von Vertikaldynamikdiskomfort in Pkw in Bezug auf den bestehenden Trend einer Entwicklung hin zum autonomen Fahren sollte nachgedacht werden. Eine derartige Entwicklung könnte eine Veränderung der Kontaktstellen zwischen Fahrer und Fahrzeug bewirken [83, S. 65], die in den bestehenden Verfahren berücksichtigt werden müsste. Kinetose-Effekte könnten, aufgrund einer Abwendung von der Erfüllung der Fahraufgabe, verstärkt auftreten und eine Anpassung der Bewertungsfunktionen der korrelativen Verfahren erforderlich machen. Allgemein sollten möglicherweise erforderliche Anpassungen der bestehenden Verfahren aufgrund zukünftiger Trends in der Automobilbranche untersucht werden. 72

89 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1: Theoretisches Komfort/Diskomfort-Wahrnehmungsmodel nach LOOZE [6] im Kontext der Mensch-Sitz-Interaktion Abbildung 1.2: Schematischer Aufbau der vorliegenden Arbeit Abbildung 2.1: Basiskoordinatensystem für einen sitzenden Menschen nach ISO [16, S. 3] Abbildung 2.2: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach ISO :1997 [16, S. 11] Abbildung 2.3: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach BS 6841:1987 [21, S. 9]. 10 Abbildung 2.4: Lineare frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach RERICHA [18, S ] Abbildung 2.5: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach CUCUZ [27, S. 71] Abbildung 2.6: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach KLINGNER [17, S ]. 17 Abbildung 2.7: Frequenzabhängige Bewertungsfunktionen nach HENNECKE [28, S ] Abbildung 2.8: Schematischer Aufbau eines künstlichen Neurons Abbildung 3.1: Beispieldaten zur Veranschaulichung der Bildung einer Anker- und Vergleichsreihe Abbildung 4.1: Darstellung der Messkette zur Erfassung der Beschleunigungen Abbildung 4.2: Schematische Darstellung der Positionen der Beschleunigungsaufnehmer. 36 Abbildung 4.3: Fragebogen zur Messung des subjektiv empfundenen Schwingungsdiskomforts Abbildung 4.4: Karte der Versuchsstrecke: Goldacher Str. [65] Abbildung 5.1: Aufbau des praktischen Teils der Arbeit Abbildung 5.2: Abbildung 6.1: Abbildung 6.2: Zuordnung der Werte des Kennwerts der VDI 2057:1987 zu den Werten des Kennwerts der ISO :1997 nach HENNECKE [28, S. 50] Unangepasste objektive Kennwerte der drei Dämpfereinstellungen der Verfahren nach: a) ISO 2631, b) BS 6841, c) RERICHA, d) CUCUZ, e) KLINGNER und f) HENNECKE Vergleich der subjektiven Gesamturteile mit den Kennwerten nach RERICHA und Darstellung des von RERICHA prognostizierten linearen Verhaltens i

90 Abbildungsverzeichnis Abbildung 6.3: Abbildung 6.4: Abbildung 6.5: Abbildung 7.1: Abbildung 7.2: Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der subjektiven Messdaten der drei Dämpfereinstellungen der 63 Versuchsfahrten Darstellung der Werte der Ausprägungen des Merkmals: Gesamturteil der drei Dämpfereinstellungen in Form von Boxplots Nach dem Ranking (eines jeden Messkollektivs) sortierte Darstellung der subjektiven Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamtkomfort Summe der arithmetischen Mittelwerte der Komfortfaktoren KF der selektierten objektiven Messwerte der einzelnen Einleitungsstellen nach RERICHA [18] Vergleich der Kennwerte nach CUCUZ mit und ohne Berücksichtigung des Impulsanteils Abbildung 7.3: Altersverteilung der Inhaber einer Pkw-Fahrerlaubnis innerhalb der Bundesrepublik Deutschland Abbildung B.1: Abbildung B.2: Abbildung B.3: Abbildung B.4: Abbildung B.5: Abbildung B.6: Position und Befestigung der Beschleunigungsaufnehmer auf dem Sitz.... xiv Datenblatt des Beschleunigungsaufnehmers PCB 356A xv Datenblatt des Beschleunigungsaufnehmers Dyran 7556A1.... xvi Datenblatt 1 des Messverstärkers SIM-STG.... xvii Datenblatt 2 des Messverstärkers SIM-STG.... xviii Datenblatt 3 des Messverstärkers SIM-STG.... xix Abbildung C.1: Zuordnungstabelle der Dämpfereinstellungen zu den einzelnen Versuchsfahrten.... xxi Abbildung C.2: Versuchsablauf-Masterskript Seite 1 (Detaillierte Beschreibung des Versuchsablaufs)..... xxii Abbildung C.3: Versuchsablauf-Masterskript Seite 2 (Detaillierte Beschreibung des Versuchsablaufs).... xxiii Abbildung D.1: Abbildung D.2: Ergebnisse der Messung der Ausprägungen der subjektiven Merkmale der Probanden bis xxiv Ergebnisse der Messung der Ausprägungen der subjektiven Merkmale der Probanden bis xxv ii

91 Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1: Zuordnung der Bewertungsfunktionen und Gewichtungsfaktoren bei multiaxialer Anregung zu den Einleitungsstellen und -richtungen nach der ISO [16, S. 15] Tabelle 2.2: Beziehung zwischen dem Gesamtwert der bewerteten Schwingungsstärke a ges und dem subjektiven Komfortempfinden nach ISO [16, S. 25] Tabelle 2.3: Zuordnung der Bewertungsfunktionen und Gewichtungsfaktoren bei multiaxialer Anregung zu den Einleitungsstellen und -richtungen nach dem BS 6841:1987 [21, S. 12] Tabelle 2.4: Tabelle 2.5: Beziehung zwischen dem Gesamtwert der bewerteten Beschleunigungen a ges und dem subjektiven Komfortempfinden nach dem BS 6841:1987 [21, S. 21] Zusammenhang zwischen der Bewerteten Schwingstärke K und der subjektiven Wahrnehmung nach VDI 2057: [25, S. 4] Tabelle 2.6: Gewichtungsfaktoren bei mehraxialer Anregung nach CUCUZ [27, S. 72] Tabelle 2.7: Zuordnung der stochastischen und multiaxialen Gewichtungsfaktoren zu den entsprechenden Einleitungsstellen und -richtungen nach KLINGNER [17, S. 67] Tabelle 2.8: Komfort- und Beanspruchungsgrenze anhand des Werts des Gesamtschwingungskomforts K g nach KLINGNER Tabelle 2.9: Übersicht der numerischen biomechanischen Menschmodelle zur Sitzkomfortbewertung Tabelle 3.1: Eigenschaften der wichtigsten Skalenniveaus [55, S. 67] Tabelle 4.1: Absolutbeträge der Differenzen der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der zwei Vergleichsfahrten der selektierten Messdaten Tabelle 4.2: Charakteristische Merkmalsausprägungen der Probanden Tabelle 4.3: Statistische Kenngrößen der Versuchspopulation Tabelle 6.1: Werte des Randkorrelationskoeffizienten Kendalls τ b des Zusammenhangs der einzelnen objektiven Kennwerte mit den subjektiven Messwerten des Gesamturteils Tabelle 6.2: Ergebnisse des Χ²-Tests der in Kapitel 5.1 aufgestellten Hypothesen Tabelle 6.3: Statistische Kennwerte der Werte der Ausprägungen des Merkmals Gesamturteil der selektierten subjektiven Messdaten iii

92 Tabellenverzeichnis Tabelle 7.1: Tabelle 7.2: Tabelle A.1 Abweichungen der Ergebnisse der Frequenzbewertungen der Umsetzung des Verfahrens nach der ISO zu den Referenzwerten der ISO Median-Werte der Ausprägungen der Merkmale der selektierten subjektiven Messdaten Kritische Χ²-Werte verschiedener Signifikanzniveaus und Anzahl an Freiheitsgraden [55, S. 898].... xiii iv

93 Literaturverzeichnis [1] P. Knauer, Objektivierung des Schwingungskomforts bei instationärer Fahrbahnanregung, Dissertation, Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik, Technische Universität München, München, [2] H.T.E. Hertzberg, Seat comfort, in WADC Technical Report, Annotated Bibliography of Applied Physical Anthropology in Human Engineering, H.T.E. Hertzberg, Hrsg, Philadelphia, 1958, S [3] L. Zhang, M. G. Helander, und C. G. Drury, Identifying Factors of Comfort and Discomfort in Sitting, (eng), Hum Factors, Bd. 38, Rn. 3, S , [4] A. Ulherr und K. Bengler, Bewertung von Sitzen: Eine kritische Betrachtung von Komfort und Diskomfort Modellen, Z. Arb. Wiss, Bd. 72, Rn. 2, S , [5] M. G. Helander und L. Zhang, Field studies of comfort and discomfort in sitting, (eng), Ergonomics, Bd. 40, Rn. 9, S , [6] M. P. de Looze, L. F. M. Kuijt-Evers, und J. van Dieën, Sitting comfort and discomfort and the relationships with objective measures, (eng), Ergonomics, Bd. 46, Rn. 10, S , [7] A. Naddeo, N. Cappetti, M. Vallone, und R. Califano, New trend line of research about comfort evaluation: proposal of a framework for weighing and evaluating contributes coming from cognitive, postural and physiologic comfort perceptions, in Proceedings of the 5th International Conference on Applied Human Factors an Ergonomics AHFE 2014, Ahram T, W. Karwowski, und T. Marek, Hrsg, 2014, zit. nach A. Ulherr, Bewertung von Sitzen: Eine kritische Betrachtung von Komfort und Diskomfort Modellen [8] P. Vink und S. Hallbeck, Editorial: Comfort and discomfort studies demonstrate the need for a new model, (eng), Applied Ergonomics, Bd. 43, Rn. 2, S , [9] C. M. Knoll, Einfluss des visuellen Urteils auf den physisch erlebten Komfort am Beispiel von Sitzen, Dissertation, Technische Universität München, Garching bei München, [10] O. Wyman, Future Automotive Industry Structure FAST München, [11] Verband der Automobilindustrie, New Mobility World Digitaltage. Berlin, [12] M. J. Griffin, K. C. Parsons, und E. M. Whitham, Vibration and comfort. IV. Application of experimental results, (eng), Ergonomics, Bd. 25, Rn. 8, S , [13] M. J. Griffin, E. M. Whitham, und K. C. Parsons, Vibration and comfort. I. Translational seat vibration, (eng), Ergonomics, Bd. 25, Rn. 7, S , [14] K. C. Parsons und M. J. Griffin, Vibration and comfort. II. Rotational seat vibration, (eng), Ergonomics, Bd. 25, Rn. 7, S , v

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95 Literaturverzeichnis [33] D. Simić, Beitrag zur Optimierung der Schwingungseigenschaften des Fahrzeuges: Physiologische Grundlagen d. Schwingungskomforts, Dissertation, Institut für Kraftfahrzeuge, Technischen Universität Berlin, Berlin, [34] M. J. Griffin, Handbook of Human Vibration. St. Louis: Elsevier Science, [35] A. Meister et al, Evaluation of responses to broad-band whole-body vibration, (eng), Ergonomics, Bd. 27, Rn. 9, S , [36] H. Dupuis, E. Hartung, und L. Louda, Vergleich regelloser Schwingungen eines begrenzten Frequenzbereiches mit sinusförmigen Schwingungen hinsichtlich der Einwirkung auf den Menschen, Ergonomics, Bd. 15, Rn. 3, S , [37] P. Donati, A. Grosjean, P. Mistrot, und L. Roure, The subjective equivalence of sinusoidal and random whole-body vibration in the sitting position (an experimental study using the "floating reference vibration" method), (eng), Ergonomics, Bd. 26, Rn. 3, S , [38] M. J. Griffin, Subjective equivalence of sinusoidal and random whole body vibration, The Journal of the Acoustical Society of America, Bd. 60, Rn. 5, S , [39] M. J. Griffin, Handbook of human vibration, 1st Aufl. London: Acad. Press, [40] Messung von Schwingungsimmissionen; Anforderungen an Schwingungsmesser, , [41] M. Mitschke, Dynamik der Kraftfahrzeuge: Band B: Schwingungen, 3rd Aufl. Berlin: Springer, [42] M. Mischke, Schwingungskomfort im Kraftfahrzeug, ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift, Bd. 100, Rn. 1, S , [43] T. Reitmaier, Aktives Lernen für Klassifikationsprobleme unter der Nutzung von Strukturinformationen, Dissertation, Universität Kassel, Kassel, [44] A. Albers und M. Albrecht, Application of artificial neural networks for the objective evaluation of vibration comfort at the example of the automated start-up process [Einsatz Künstlicher Neuronaler Netze zur objektiven Beurteilung des Schwingungskomforts am Beispiel des automatisierten Anfahrens], in VDI-Berichte, Bd. 1821, Humanschwingungen: Auswirkungen auf Gesundheit, Leistung, Komfort ; Lösungen zur Schwingungsoptimierung ; Fahrzeuge, Arbeitsmaschinen, handgehaltene und handgeführte Maschinen ; Tagung Darmstadt, 17. und 18. März 2004, VDI Gesellschaft, Hrsg, Düsseldorf: VDI-Verl, 2004, [45] K. Stammen und M. Meywerk, Usability of artificial Neural Networks to evaluate vehicle ride comfort - A study in the context of virtual vehicle development [Anwendbarkeit Künstlicher Neuronaler Netze auf die Bewertung des Schwingungskomforts im Kraftfahrzeug - Eine Untersuchung im Rahmen der Virtuellen Fahrzeugentwicklung], in VDI- Berichte, Bd. 1821, Humanschwingungen: Auswirkungen auf Gesundheit, Leistung, Komfort ; Lösungen zur Schwingungsoptimierung ; Fahrzeuge, Arbeitsmaschinen, handgehaltene und handgeführte Maschinen ; Tagung Darmstadt, 17. und 18. März 2004, VDI Gesellschaft, Hrsg, Düsseldorf: VDI-Verl, 2004, S [46] A. Zell, Simulation neuronaler Netze, 3rd Aufl. München: Oldenbourg, vii

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99 Anhang Anhang A Anhang B Anhang C Anhang D Χ²-Verteilung... xiii Versuchsaufbau und Mess-equipment... xiv Dokumente der Probandenstudie... xx Subjektive Messwerte... xxiv xi

100 xii

101 Anhang Anhang A Χ²-Verteilung Dargestellt werden die die kritischen Χ²-Werte (Grenzwerte) verschiedener Signifikanzniveaus und einer verschieden hohen Anzahl an Freiheitsgraden (Tab. A.1). Die kritischen Χ²-Werte ergeben sich aus den Flächenanteilen der Verteilungsfunktionen der Χ²-Verteilungen für eine unterschiedlich hohe Anzahl an Freiheitsgraden. Als Freiheitsgrade werden die Häufigkeiten einer Stichprobe bezeichnet, die frei variieren können [55, S. 545]. Tabelle A.1 Kritische Χ²-Werte verschiedener Signifikanzniveaus und Anzahl an Freiheitsgraden [55, S. 898]. dof, Fläche 0,9 0,95 0,975 0,99 0, ,706 3,841 5,024 6,635 7, ,605 5,991 7,378 9,210 10, ,251 7,815 9,348 11,350 12, ,779 9,488 11,140 13,280 14, ,236 11,070 12,830 15,090 16,750 xiii

102 Anhang Anhang B Versuchsaufbau und Messequipment Im Folgenden sind die Degenblätter der im Versuch verwendeten Messtechnik aufgeführt. Für die Messungen der translatorischen Beschleunigungen am Sitz, dem Rücken, den Füßen und den Händen wurde der Beschleunigungsaufnehmer PCB 356A16 verwendet (Abb. B.2). Für die Messung der rotatorischen Beschleunigungen am Sitz wurde der Beschleunigungsaufnehmer Dyran 7556A1 verwendet (Abb. B.3). Alle Sensorsignale wurden mithilfe eines Messverstärkers verstärkt. Hierbei handelte es sich um des Gerät SIM-STG der Firma IPTRO- NIK (Abb. B.4 bis Abb. B.6). Die Positionen der Beschleunigungsaufnehmer und deren Befestigung sind der Abbildung B.1 zu entnehmen. Abbildung B.1: Position und Befestigung der Beschleunigungsaufnehmer auf dem Sitz. xiv

103 Anhang Abbildung B.2: Datenblatt des Beschleunigungsaufnehmers PCB 356A16. xv

104 Anhang Abbildung B.3: Datenblatt des Beschleunigungsaufnehmers Dyran 7556A1. xvi

105 Anhang Abbildung B.4: Datenblatt 1 des Messverstärkers SIM-STG. xvii

106 Anhang Abbildung B.5: Datenblatt 2 des Messverstärkers SIM-STG. xviii

107 Anhang Abbildung B.6: Datenblatt 3 des Messverstärkers SIM-STG. xix

108 Anhang Anhang C Dokumente der Probandenstudie Dieser Abschnitt beinhaltet alle relevanten Dokumente, die während der Probandenstudie Anwendung gefunden haben. Abgebildet ist: das Versuchsablauf-Masterskript (Abb. C.2 und Abb. C.3), das den exakten und detaillierten Ablauf des Versuchs wiedergibt, die Liste der Zuordnung der Dämpfereinstellungen zur jeweiligen Versuchsfahrt (Abb. C.1) und ein Dokument zur Einweisung der Probanden in den Versuch, das im folgenden Text wiedergegeben ist. Dokument zur Einweisung der Probanden in den Versuch: Allgemeiner Sicherheitshinweis Die Sicherheit der Fahrzeuginsassen und anderer Verkehrsteilnehmer hat zu jedem Zeitpunkt oberste Priorität. Konzentrieren Sie sich zu jeder Zeit auf die sichere Erfüllung der Fahraufgabe. Im Falle von Unwohlsein oder einer Fahrsituation mit Gefahrenpotential, ist der Fahrversuch zu Gunsten der Sicherheit abzubrechen. Anweisungen 1. Nehmen Sie Platz auf dem Fahrersitz des Versuchsfahrzeugs und stellen Sie den Sitz so ein, dass die Sitzposition Ihrer beim Autofahren gewöhnlichen entspricht. 2. Während des Versuchs sollten Sie möglichst eine konstante Geschwindigkeit von 60 km/h beibehalten. 3. Bewerten Sie die während der Fahrt auftretenden Schwingungen anhand Ihres Einflusses auf den von Ihnen wahrgenommenen Diskomfort auf einer Skala von 1 bis Blenden Sie jegliche sonstigen komfortmindernden Einflüsse bestmöglich aus. Diese sollten Ihr Urteil nicht beeinflussen. Im speziellen akustische Reize, Gerüche oder Lichteinflüsse sind zu vernachlässigen. 5. Füllen Sie nach der Durchführung des Fahrversuchs den vorliegenden Fragebogen wahrheitsgemäß und unabhängig zu den bereits durchgeführten Versuchsfahrten aus. xx

109 Anhang Dämpfereinstellung der Versuchsfahrt Proband/Probandin Eins Zwei Drei Vier VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: VP-Nr.: Abbildung C.1: Zuordnungstabelle der Dämpfereinstellungen zu den einzelnen Versuchsfahrten. xxi

110 Anhang Abbildung C.2: Versuchsablauf-Masterskript Seite 1 (Detaillierte Beschreibung des Versuchsablaufs).. xxii

111 Anhang Abbildung C.3: Versuchsablauf-Masterskript Seite 2 (Detaillierte Beschreibung des Versuchsablaufs). xxiii