Vorlesung Automotive Software-Engineering

Transkript

1 INFORMATIK CONSULTING SYSTEMS AG Vorlesung Automotive Software-Engineering Technische Universität Dresden Fakultät Informatik Professur Softwaretechnologie Sommersemester 2011 Dr. rer. nat. Bernhard Hohlfeld

2 Automotive Systems Engineering Motivation und Überblick SW-Entwicklung E/E-Entwicklung Beispiele aus der Praxis Das Automobil Normen und Standards Die Automobilherstellung Die Automobilbranche 2

3 4. Das Automobil 1.Domänen 2.X-by-Wire: Technologien und Anwendungen 3.Lastkraftwagen (LKW) 4.Landmaschinen 3

5 Entwicklungshistorie 1886: Daimler bestellt bei der Wagenbaufirma Wilhelm Wimpff & Sohn in Stuttgart eine Kutsche und baut seinen Motor ein. Heute: Komplexe mechatronische Systeme 5

6 Entwicklungshistorie! Heute:! E/E-Umfänge inkl.! Heizung,! Lüftung,! Klima und! Kabelbaum! erfordern 20-40% der Herstellungskosten eines PKW! Zukunft:! Umfassendes Energiemanagement auf E/E-Basis! Ersatz mechanisch-hydraulischer Strukturen durch E/E! Adaptive Systeme! Kostenanteil der E/E-Umfänge > 50% bei Entwicklung und Produktion! 6

7 Entwicklungshistorie 7

8 Innovationen in den einzelnen Domänen Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 8

9 Hersteller intern: Matrix-Struktur Smart A-Klasse, B-Klasse C-Klasse, E-Klasse S-Klasse, Maybach M-Klasse, G-Klasse Domänen Elektrik Fahrwerk Antrieb Karosserie... 9

10 Automotive Markt: Anforderungen! An ein modernes Automobil werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt.! Unterschiedliche Anforderungen erfordern unterschiedliche Lösungen.! NVH: Noise, Vibrations, Harshness 10

11 NVH Noise Vibration Harshness! Noise, Vibration, Harshness (deutsch.: Geräusch, Vibration, Rauheit) oder kurz NVH ist inzwischen auch im deutschsprachigen Raum die Bezeichnung für als Geräusch hörbare oder als Vibration spürbare Schwingungen in Kraftfahrzeugen oder an Maschinen. Rauheit bzw. Harshness bezeichnet den sowohl hör- als auch fühlbaren Übergangsbereich im Bereich von 20 Hz bis 100 Hz. Quelle: Wikipedia (Text) 11 (Bilder)

12 Automotive Markt: Anforderungen! Unterschiedliche Anforderungen erfordern unterschiedliche Lösungen.! Die Lösungen beeinflussen sich gegenseitig. 12

13 Automotive Markt: Anforderungen 13

42 Fahrzeugsysteme 14

43 Elektronische Systeme im Fahrzeug Anwendungsdomänen und elektronische Subsysteme (in diesem Abschnitt nach Schäuffele / Zurawka: Automotive Software Engineering)! Antriebsstrang (Powertrain)! Fahrwerk (Chassis)! Karosserie (Body)! Multi-Media (Telematics) Auch andere Klassifizierungen gebräuchlich (Beispiel Mercedes-Benz Technik transparent)! Aktive Sicherheit! Passive Sicherheit! Karosserie! Fahrwerk! Innenraumtechnik! Elektronik! Motoren/Getriebe 15

44 Elektronische Systeme im Fahrzeug Anwendungsdomänen und elektronische Subsysteme (in diesem Abschnitt nach Schäuffele / Zurawka: Automotive Software Engineering)! Antriebsstrang (Powertrain) A! Fahrwerk (Chassis) F! Karosserie (Body) K! Multi-Media (Telematics) T Auch andere Klassifizierungen gebräuchlich (Beispiel Mercedes-Benz Technik transparent)! Aktive Sicherheit F! Passive Sicherheit K! Karosserie K! Fahrwerk F! Innenraumtechnik K! Elektronik T plus Elektronik-Anteile in A, F, K! Motoren/Getriebe A 16

45 Innovationen in den einzelnen Domänen K A K A K F T Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 17

46 1. Domänen 1.Antriebsstrang 2.Fahrwerk 3.Karosserie 4.Multi-Media 5.Domänenübergreifende Systeme 6.Entwicklungen und Verschiebungen 18

48 Antriebsstrang 20

49 Elektronische Systeme des Antriebsstrangs (I) Aggregate und Komponenten des Antriebsstrangs! Antrieb! Verbrennungsmotor! Elektromotor! Hybridantrieb! Brennstoffzelle! Kupplung! Getriebe! Schaltgetriebe! Automatikgetriebe! Verteilergetriebe! Vorderachsgetriebe! Hinterachsgetriebe! Antriebs- und Gelenkwellen 21

50 Elektronische Systeme des Antriebsstrangs (II)! Nebenaggregate! Starter! Generator Beispiele für elektronische Systeme des Antriebsstrangs! Motorsteuergeräte! Getriebesteuergeräte (nach Schäuffele / Zurawka: Automotive Software Engineering) 22

51 Software is the intelligent glue for systems Camshaft Phasing Adjuster Engine ECU Piezo Common Rail Injector Electrohydraulic Shift Gear Actuator Pressure Supply Lower Fuel Consumption and Raw Emissions, Improved Torque Optimization of Shift Comfort and Engine Set Point Conical Metal Substrate ProdMod Transmission ECU Integrated Air Fuel System HPDI Pump NOx Sensor Improved Emission Treatment SINOx Catalytic Converter Heated Catalytic Converter Source: Dr. Michael Reinfrank, Siemens VDO Automotive 23

52 Einsatzgebiete und Beispiele! Integrated Powertrain Management für optimalen Wirkungsgrad! reduziert den Kraftstoffverbrauch um bis zu 15%! steigert Motorleistung sowie Fahrkomfort! NOx-Sensor! Erfüllung zukünftiger Abgasnormen! Reduzierung des Kraftstoffverbrauches 24

54 Fahrwerk 26

55 Elektronische Systeme des Fahrwerks (I) Komponenten des Fahrwerks! Achsen und Räder! Bremsen! Federung und Dämpfung! Lenkung 27

56 Elektronische Systeme des Fahrwerks (II) Beispiele für elektronische Systeme des Fahrwerks! Antiblockiersystem (ABS)! Elektronische Bremskraftverteilung (EBV)! Fahrdynamikregelung / Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP)! Feststellbremse! Elektrohydraulisch! Elektromechanisch! X-by-Wire! Brake-By-Wire! Steer-By-Wire! siehe Abschnitt X-by-Wire! Reifendrucküberwachung! Luftfederung (adaptiv)! Wankstabilisierung! siehe 5. Domänenübergreifende Systeme, Folie Rotationsbewegungen! Servolenkung! Überlagerungslenkung! Bremse 28

57 Elektronische Systeme des Fahrwerks (II) Beispiele für elektronische Systeme des Fahrwerks! Antiblockiersystem (ABS)! Elektronische Bremskraftverteilung (EBV)! Fahrdynamikregelung / Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP)! Feststellbremse! Bremse! Elektrohydraulisch! Elektromechanisch! X-by-Wire! Brake-By-Wire! Steer-By-Wire! siehe Abschnitt X-by-Wire! Reifendrucküberwachung! Luftfederung (adaptiv)! Wankstabilisierung! siehe 5. Domänenübergreifende Systeme, Folie Rotationsbewegungen! Servolenkung! Überlagerungslenkung 29

58 Feststellbremse Klimaanlage fährt hoch Gaspedal drücken Drehzahl steigt Feststellbremse wird gelöst 30

59 Reifendrucküberwachung! Kontinuierliche Überprüfung von! Luftdruck! Reifentemperatur! Rotationsgeschwindigkeit! Warnung des Fahrers bei Abweichungen vom Normbereich 31

60 Reifendrucküberwachung 32

61 Überlagerungslenkung 33

62 Elektronische Systeme des Fahrwerks (III) Einige der elektronische Systeme des Fahrwerks wie z.b.! Antiblockiersystem (ABS)! Elektronische Bremskraftverteilung (EBV)! Fahrdynamikregelung / Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) werden auch als Aktive Sicherheitssysteme bezeichnet Aktive Sicherheit! Ziel: Vermeidung von Unfällen 34

64 Karosserie 36

65 Elektronische Systeme der Karosserie (I) Komfortsysteme! Fahrzeugzugangssystem! Zentralverriegelung! Funkschlüssel! Diebstahlwarnanlage! Fensterheber siehe Teil 1 Motivation... Abschnitt 2 Systementwicklung! Heckklappe! Cabrioverdeck! Wischer und Regensensoren! Spiegel! Verstellung! Abblendung! Heizung! Lenkradverstellung 37

66 Elektronische Systeme der Karosserie (II) Komfortsysteme! Heizung und Klimatisierung des Innenraums! Beleuchtung des Innenraums! Fahrzeugscheinwerfer! Steuerung! Reinigung! Einparkhilfen Passive Sicherheitssysteme! Rückhaltesysteme (z.b. Gurtstraffer)! Airbagsteuerung incl. Sitzbelegungserkennung! Aktive Sicherheitsüberrollbügel (Cabrio) Passive Sicherheit 38! Ziel: Minderung der Unfallfolgen

67 Einparkhilfe mit Ultraschallsensoren! Aktivierung erfolgt selbstständig bei Einlegen des Rückwärtsgangs oder bei Geschwindigkeiten kleiner 15 km/h! Optische und/oder akustische Warnung, deren Wiederholfrequenz mit abnehmender Entfernung zunimmt 39

68 Trends E/E-Komponenten: Wischersysteme 40

69 Trends E/E-Komponenten: Lichtsysteme 41

70 Trends E/E-Komponenten: Lichtsysteme 42

72 Multi-Media-Systeme / Telematik 44

73 Einsatzgebiete und Beispiele! Telematiksystem ist dezentral und modular aufgebaut! Hauptfunktionen:! Navigation! Audio! Video! Telefon! Hauptbedienelement im Gesamtsystem ist der I-Drive (Beispiel BMW 7er)! Internetanbindung 45

74 Infotainmentsystem - Navi (1)! Hauptfunktionen! Navigation! Kommunikation! Multimedia! Daneben auch Steuerung und Anzeige! Fahrerassistenzsysteme! Klimaanlage!..! Navigation! Positionsbestimmung (GPS)! Uhr! Elektronische Karte! Routenplaner! Kommunikation! Telefon! Internet 46

75 Infotainmentsystem - Navi (2)! Multimedia! Audiosystem! (Kassette)! Radio! CD, DVD, Blueray! MP3-Datenträger: USB, HD,..; ipod :-), PCMIA :-(! Videosystem! Zentrale Komponenten! Antennen! Tuner! Verstärker! Lautsprecher! Active Noise Control! Verbesserung des akustischen Fahrkomforts durch Gegenschall (Prinzip des Schalldämpfers im Auspuff)! Gezieltes Sounddesign möglich! Sprachbedienung 47

76 Unterschiedliche Entwicklungs- und Lebenszyklen zwischen Produkt (Fahrzeug) und Software (Komponente) 48

77 Unterschiedliche Entwicklungs- und Lebenszyklen zwischen Produkt (Fahrzeug) und Software (Komponente) 48

78 Haupteinheit (Head Unit)! PC! SDRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory! CPU! DSP und/oder FPGA! Audioaufbereitung! Videoaufbereitung! MP3-Decodierung! Grafikberechnung! GPS-Empfänger! Betriebssystem! QNX! VxWorks! OSGi, auf Java-Basis! Bildschirm (Display)! Bedienung! Dreh-Drück-(Schiebe)-Steller! Tasten! Spracheingabe! Anbindung von weiteren Komponenten! CAN-Bus! Tachometer! Kombiinstrument!...! MOST-Bus! CD-Wechsler! Verstärker!...! 49

79 Audi 50

80 Audi 51

81 idrive im BMW X5 52

82 NTG1 im Mercedes W211 53

85 Kombiinstrument! Tachometer! Odometer! Drehzahlmesser! Tankanzeige! Kühlmitteltemperaturanzeige! Kontrollleuchten!... 56

86 57

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89 60

90 Trends E/E-Komponenten: Anzeigekonzepte 61

91 Trends E/E-Komponenten: Kombiinstrument 62

92 Trends E/E-Komponenten: Kombiinstrument 63

93 Trends E/E-Komponenten: Telematik 64

94 Trends E/E-Komponenten: Telematik 65

95 Trends E/E-Komponenten: Multimedia 66

98 Trends E/E-Komponenten: Bediensysteme 69

99 Shimano Ultegra 70

100 Trends E/E-Komponenten: Bedien- und Anzeigekonzepte BAK 71

102 Domänenübergreifende Systeme Beispiel Adaptive-Cruise-Control-System (ACC) / Abstandsregeltempomat! Weiterentwicklung des klassischen Tempomaten! Sensor (z.b. Radar)! Abstand! Relativgeschwindigkeit vorausfahrender Fahrzeuge! Steuerung der Längsdynamik durch gezieltes Beschleunigen und Verzögern zum Einhalten eines konstanten Abstands! Steuergeräte! Motorsteuergerät (Antriebsstang)! Getriebesteuergerät (Antriebsstrang)! ESP-Steuergerät (Fahrwerk)! Anzeige und Bedienung (Telematik) 73

103 Adaptive Cruise Control (Quelle MAN) 74

104 Adaptive Cruise Control (Quelle MAN) Sicherheit und Bedienkomfort durch abstandsabhängige Fahrgeschwindigkeitsregelung Geschwindigkeit wird häufig unterschätzt und der Abstand zum Vordermann leicht überschätzt. Das ACC-System ist in der Lage, sowohl die Fahrgeschwindigkeit als auch den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug im Rahmen der getroffenen Voreinstellungen selbstständig anzupassen. Es kann ab einer Fahrgeschwindigkeit von 25 km/h genutzt werden. Der hauptsächliche Einsatzbereich liegt jedoch bei Fahrten auf Schnellstraßen und Autobahnen. Funktion und Bedienung Der ACC-Radarsensor mit ca. 150 Meter Sichtweite erkennt den Abstand und die Relativgeschwindigkeit der vorausfahrenden Fahrzeuge auf der eigenen Fahrspur. Das ACC-Steuergerät errechnet aus den Sensordaten, dem eigenen Spurverlauf, der Eigengeschwindigkeit und den Fahreraktionen die beste Annäherungsstrategie und steuert das Motormoment und das Bremsenmanagement (Dauer- und Betriebsbremse) an. Die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs wird aktiv geregelt und dadurch der Abstand zum Vorausfahrenden eingehalten. Die Bedienung des ACC erfolgt wie bisher über den Tempomathebel. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Sollabstand nach Fahrerwunsch einzustellen, voreingestellt ist der in Deutschland gesetzlich vorgeschriebene Mindestabstand von 50 Metern. Der Fahrer behält die volle Verantwortung über das Fahrzeug und hat jederzeit die Möglichkeit das ACC- System mit dem Gaspedal zu übersteuern. Bei Betätigung des Bremspedals / Retarderhebels schaltet sich das System ab. 75

105 Adaptive Cruise Control (Abstandsgeregelter Tempomat)! Die Komponenten eines ACC-Systems sind:! Motormanagement-Steuergerät! Radarsensoren! aktiver Bremseingriff über ASR (Antriebsschlupfregler) und ESP (Elektronisches Stabilitäts-Programm),! Bedien- und Anzeigeeinheit! Sensoren! Gierrate (siehe Folie Rotationsbewegungen)! Querbeschleunigung! Raddrehzahl! Lenkwinkel! Eingestellte Wunschgeschwindigkeit und Abstandswahl werden im Kombiinstrument dargestellt.! Zukunft: ACC Stop and Go für automatische Fortbewegung im Stau 76

106 Rotationsbewegungen! Gieren Als Gierachse (auch Hoch- oder Vertikalachse, engl. yaw axis) bezeichnet man die vertikale Achse eines Luft-, Wasser- oder Landfahrzeugs, um die das Fahrzeug dreht. Die Drehbewegung um diese Achse wird dementsprechend mit Gieren bezeichnet. Zusammen mit dem Rollen und Nicken ist das Gieren eine der drei Grund- Rotationsbewegungen eines Körpers im Raum.! Nicken Die Querachse (auch Nickachse) ist die Körperachse, die quer zur längsten Ausdehnung eines Körpers oder zur normalen Bewegungsrichtung eines Fahrzeuges steht. Sie ist rechtwinklig zur Längs- und Hochachse.! Luftfahrzeuge Die Rotationsbewegungen um die Querachse wird bei Flugzeugen als Nicken bezeichnet, da hier eine ähnliche Bewegung wie beim Nicken des Kopfes ausgeführt wird. Ausgelöst wird die Bewegung mittels der Höhenruder.! Wasserfahrzeuge Im seemännischen Sprachgebrauch wird eine ebensolche Bewegung von Wasserfahrzeugen als Stampfen bezeichnet.! Rollen Rollen bezeichnet die Bewegung eines Wasser- oder Luftfahrzeugs um seine Längsachse. Bei Landfahrzeugen wird die Bewegung als Wanken bezeichnet. Tritt kein Rollen oder Schwanken auf, so spricht man von lateraler Stabilität. 77

107 Rotationsbewegungen Gierachse Nickachse Rollachse 78

108 DISTRONIC PLUS Warnung und Unterstützung des Autofahrers bis zur Vollbremsung Der Abstandsregel-Tempomat DISTRONIC PLUS arbeitet zwischen null und 200 km/h: er hält das Auto im gewählten Abstand zum Vordermann und bremst es je nach Verkehrssituation bis zum Stillstand ab. Verringert sich der Abstand zu schnell, warnt das System den Autofahrer akustisch und ermittelt bereits beim ersten Warnton automatisch den Bremsdruck, der in dieser Fahrsituation notwendig ist, um die Kollision zu verhindern. 79

109 Trends E/E-Komponenten: Assistenzsysteme 80

115 Evolution der Wertanteile im Automobil Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 86

116 Beispiel Sicherheit Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 87

117 Beispiel Antrieb: Hybride Antriebe und alternative Kraftstoffe Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 88

118 Beispiel Brennstoffzelle Quelle: Mercer / Hypovereinsbank 89

120 2. X-by-Wire: Technologien und Anwendungen 1.X-by-Wire-Technik 2.X-by-Wire-Technik: Elektrische Bremsen im Detail 3.X-by-Wire: Warum eigentlich? 91

122 X-by-Wire / Drive-by-Wire! Das Ersetzen der mechanischen Verbindung von Fahrer zum Aktor durch ein elektrisch übertragenes Signal nennt man Drive-by-Wire. Damit ist zusammenfassend gemeint:! Throttle-by-Wire: Elektrisches Gaspedal! Shift-by-Wire: Elektrische Schaltung! Brake-by-Wire: Elektrische Bremse! Steer-by-Wire: Elektrische Lenkung! Oft werden diese Systeme generalisierend auch mit X-by-Wire bezeichnet. Der Ausdruck kommt aus der Fliegerei, wo die Vorteile von Fly-by-Wire noch wesentlich wichtiger sind.! Quelle: Einführung in den Maschinenbau, Vorlesung 6, Mechatronik: Drive-by-Wire Prof. Dr.-Ing. Oliver Nelles, Professor für Mess- und Regelungstechnik, Mechatronische Systeme, Fachbereich Maschinenbau, Universität Siegen 93

123 X-by-Wire / Drive-by-Wire Konventionell X-by-Wire Fahrer N3B904-#&93 "3107&1 Aktor Fahrer N3B904-#&93 Aktor O&,B.= 13107&1 "3107&1! Quelle: Einführung in den Maschinenbau, Vorlesung 6, Mechatronik: Drive-by-Wire Prof. Dr.-Ing. Oliver Nelles, Professor für Mess- und Regelungstechnik, Mechatronische Systeme, Fachbereich Maschinenbau, Universität Siegen 94

124 X-by-Wire / Drive-by-Wire! Vorteile von Drive-by-Wire! Mehr Flexibilität und Funktionalität: Die mechanische Entkopplung erlaubt es, das elektrische Signal beliebig zu verarbeiten, bevor es auf den Aktor gegeben wird. D.h. es können gewünschte nichtlineare Transformationen und dynamische Effekte (Filterung) integriert und per Software komplexe logische Verknüpfungen programmiert werden.! Weniger Gewicht und Platzbedarf: Die schwere mechanische Verbindung (Seilzug, Gestänge, Hydraulikleitungen, etc.) wird durch eine elektrische Leitung oder Bus ersetzt.! Erhöhte Crash-Sicherheit (Bsp.: Wegfall der Lenksäule) und verbesserte Ergonomie.! Energieeinsparung: Wandlung der Energie lokal am Aktor kann effizienter sein.! Stand der Technik (~2007)! Throttle-by-Wire: weitgehend Serie! Shift-by-Wire: in der Oberklasse Serie! Brake-by-Wire: elektrohydraulisches System in wenigen Fahrzeugmodellen verfügbar! Steer-by-Wire: noch nicht verfügbar! Quelle: Einführung in den Maschinenbau, Vorlesung 6, Mechatronik: Drive-by-Wire Prof. Dr.-Ing. Oliver Nelles, Professor für Mess- und Regelungstechnik, Mechatronische Systeme, Fachbereich Maschinenbau, Universität Siegen 95

125 X-by-Wire-Technik Vorteile! Alle Vorteile elektrischer Antriebe! Erhöhung des Gleichteileanteils! Verbesserung passive Sicherheit! Volumen- und Gewichtsreduktion! Erschließung neuer Komfortmöglichkeiten! Keine direkte mechanische Verbindung Fahrer Fahrzeug Nachteile! Notwendigkeit für redundante Datenübertragung! Notwendigkeit für redundante Energieversorgung! Rückmeldung an Fahrer, z.b. Lenkwiderstand Shift-by-Wire! Kundenakzeptanz? 96

126 Mechatronik-Anwendungen im Automobil X-by-Wire-Technik! Throttle-by-Wire: Elektrisches Gaspedal! Sensor am Gaspedal erfasst Signal des Fahrers. Aktor steuert Drosselklappe! Gaszug entfällt! Shift-by-Wire: Elektrische Schaltung! Gangwechsel wird durch Aktor im Getriebe ausgelöst! Schaltgestänge entfällt! Brake-by-Wire: Elektrische Bremse! Elektromechanische Bremse wird durch Signal angesteuert! Bremsleitungen entfallen! Steer-by-Wire: Elektrische Lenkung! Lenkwinkelsensor erfasst das Steuersignal des Fahrers, Räder werden durch Aktor gelenkt! Lenkmechanismus entfällt! Lenkrad kann durch Joystick ersetzt werden 97

127 Throttle-by-Wire: Elektrisches Gaspedal! Das elektrische Gaspedal durch Motorelektronik-Systeme:! Konventionell: Gaspedal steuert mechanisch Drosselklappe (Throttle) im Vergaser! Throttle-by-Wire: Sensor am Gaspedal steuert Motorelektronik und dadurch Einspritzpumpe, Schubabschaltung etc.! Verbrauchsoptimierung! Modernes Antriebsmanagement erst dadurch möglich! Hybride Antriebskonzepte realisierbar! Gaspedalkennlinien nach Wunsch des Fahrers! Sicherheitstechnische Bewertung:! Redundante Auslegung sämtlicher Komponenten! Sensoren! Prozessoren im SG! Übertragungswege! Multiprozessorauslegung mit umfangreichen Plausibilisierungsprozessen 98

128 Shift-by-Wire: Elektrische Schaltung! Shift-by-Wire: Elektrische Schaltung! Beliebige Getriebeform! Die mechanischen Schaltfunktionen im Getriebe Kuppeln und Schalten werden durch elektromechanische Aktuatoren durchgeführt.! Steuerung nach Wahl durch direkte Gangwahl oder quasi-automatisch durch Bedienelemente nach freier Vorstellung (Tipphebel, Lenkradtasten, Schaltwippe)! Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit! Ausschluß von Fehlbedienung! Einfach zu realisieren, in Serie! Sicherheitstechnische Bewertung:! Mögliche Zugkraftunterbrechung bei Fehlfunktion! Sämtliche Bedienelemente sind ausfallsicher und mit umfangreichen Diagnosemöglichkeiten ausgeführt! Durch Ausfall eines Bedienelements! können keine kritischen Situationen verursacht werden! ODER es sind zwei unabhängige Bedienelemente vorhanden! Übertragung ans Getriebe-Steuergerät über redundante Übertragungswege mit umfangreich gesicherten Protokollen 99

129 Brake-by-Wire: Elektrische Bremse! Vorteile! Abstraktes Interface möglich! Neue Komfort- und Sicherheits-funktionen einfach realisierbar! Stau! Berg! Entkopplung von Schwingungen und Vibrationen! Entfall der heutigen hydraulischen System! Benutzerabhängige Bremscharakteristik! Nachteile! Verlust der Bremse (bis auf Handbremse ) bei Fehlfunktion! Erhöhung der ungefederten Massen 100

130 Steer-by-Wire: Elektrische Lenkung! Vorteile! Abstraktes Interface zur Fahrtrichtungsbestimmung! Neue Komfort- und Sicherheitsfunktionen einfach realisierbar! Entkopplung von Schwingungen und Vibrationen über Lenkrad! Entfall der heutigen hydraulischen Systeme! Benutzerabhängige Lenkradcharakteristik realisierbar! Vereinfachung Links-/Rechtslenker! Nachteile! Kompletter Kontrollverlust bei Fehlfunktion! Aufwändiges Force Feedback notwendig! Aufwand für redundante Auslegung 101

132 X-by-Wire-Technik: Elektrisches Bremsen 103

138 X-by-Wire: Warum eigentlich?! Quellen: Vorträge auf chassis.tech plus 1. Internationales Münchner Fahrwerk-Symposium 8. und 9. Juni 2010 München! [Gaedke] Electric power steering in all vehicle classes state of the art Alexander Gaedke, Markus Heger, Alexander Vähning ZF Lenksysteme GmbH, Schwäbisch Gmünd! [Meitinger] Die elektrischen Lenksysteme im neuen BMW 5er Dr. Th. Meitinger, Dr. Ch. Debusmann, P. Herold BMW Group, München! Siehe auch Teil 8 Beispiele aus der Praxis: Entwicklung einer Antriebssteuerung für ein Hybridfahrzeug in einer Rapid Prototyping-Umgebung 109

139 Electric power steering and Hydraulic power steering! Electric power steering (EPS)! Hydraulic power steering (HPS)! Mechanical steering (MS)! Quelle: [Gaedke] Q'.=&#(?R( S*&">+'>#( ;/&F#%(,1/&#( *3( #"#$%&'$(,%##&'-.H( 1:>&/="'$( &/$FM/->M)'-'*-(,%##&'-.( /->( ;#$1/-'$/"(&/$FM/->M)'-'*-(,%##&'-.( ( 110

140 Energieverbrauch der Lenkung! Quelle: [Gaedke] K'.7&#(EW(K&#X7#-$:(<',%&'>7%'*-(*3(!89('-)7%()*+#&(3*&(-*&;/"(#-<($7,%*;#&(<&'0'-.(*3(/(;#H <'7;H,'Y#<(0#1'$"#(( ( 111

141 Kraftstoffeinsparung durch elektrische Lenkung! Quelle: [Gaedke] J'.7&#(BW(N/0'-.('-(37#"($*-,79)%'*-(+'%1(!MN($*9)/&#8(+'%1($*-0#-%'*-/"(1<8&/7"'$(&/$=>/-8> '-.(?<( %1#( #-8( $7,%*9#&( /&#( Z#/,7&#9#-%,(/&#(?/,#8(*-(/(9#8'79>,'K#8(0#1'$"#( ( 112

142 Energieverbrauch von elektrischen Lenkungen! Quelle: [Gaedke] 6'.7&#(889(:))"'$/%'*-,(*3(,%##&'-.(,;,%#<,('-(='33#&#-%(0#1'$"#(/-=()*+#&($"/,,#,( ( 113

143 Variantenbaum Lenkgetriebe im neuen BMW 5er! Quelle: [Meitinger]!"#$%$&'()'* +',-./01 1()2' ;)4.-./01 1()2'!/*)3$*-''()04 56$7 83-)2' *-''()04 56$7$9$6:$7!/*)3$*-''()04 56$7 83-)2' *-''()04 56$7$9$6:$7 <5 <6=> <: $ 114

144 Lenkgetriebebaukasten im neuen BMW 5er! Quelle: [Meitinger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

145 Ball Screw: Kugelgewindetrieb! Ein Kugelgewindetrieb (KGT) ist die Gesamtheit eines Wälzschraubtriebes mit Kugeln als Wälzkörper. Er dient zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt (Definition nach DIN ). 116

146 Rack Pinion: Zahnstange! Die Zahnstange war ursprünglich eine vertikal montierte, technische Vorrichtung mit Zähnen, meist aus Metall, um Gegenstände in verschiedenen Höhen hängen zu können. So wurde z. B. in der Küche die Temperatur in Töpfen über offenen Feuerstellen durch Höhenänderungen an der Zahnstange reguliert. Im Rahmen der fortschreitenden Industrialisierung wurden Zahnstangen auch als Maschinenelemente eingesetzt. Sie dienen in der Regel zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung oder umgekehrt. 117

147 Zahnradbahn 118

148 Zahnradbahn 119

149 Ball Screw und Rack Pinion in der Lenkung 120

150 Tie Rod: Spurstange 1. Querlenker 2. Stabilisator 3. Hilfsrahmen 4. Inneres Wellengelenk / Gleichlaufgelenk 5. Antriebswelle 6. Äußeres Gleichlaufgelenk 7. Lenkgetriebe 8. Manschette vom Lenkgetriebe 9. Spurstange 10.Spurstangenkopf 11.Federbein (mit den folgenden Komponenten 12 bis 16) 12.Unterer Federteller 13.Schraubenfeder 14.Stoßdämpfer 15.Oberer Federteller 16.Domlager 17.Kolben im Bremssattel (ein oder Zweikolbensättel je nach Modell und Motorisierung) 18.Bremssattel 19.Bremsbelag 20.Bremsscheibe 121

151 Lenkgetriebebaukasten im neuen BMW 5er Kugelgewindetrieb Zahnstange Riementrieb Spurstange Steuergerät I Motoren Steuergerät E Gehäuse Drehwinkel Drehmoment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

152 Elektrische Leistungsanforderungen! Quelle: [Meitinger] %""" $#"" $!""!"#$#%&'(%")*+ $&"" $%"" $""" #""!"" ' # ( $" $$ $% $) $& $* $! $' $# ',%-"./'%#")-0+!"#$%&#'(()$*+ "%'$,(&#'(()$*+ -&.$/$'& &.$/$'& () 7() 899"%:0,;$6<P$#%#&'(")*+#$-#")'0,;)>,BQ(:#(0,;#,! $ 123

153 Basisbordnetz (12V) mit Erweiterung auf 24V! Quelle: [Meitinger]! Siehe auch: Kabelbaum und Energiebordnetze 42V-Bordnetz und 2 SpBN '8$'*(%9*, !" 0,34!" /"$$ 1 2 :634! 0,.!,-. /"(%# 0,. /"$$ /"(%# ($'')%*+ "#$%&' ($'')%*+ $ :@@"%70,=$CC_$1?)")@<(7,#'J$SC6HW$/"'$K(L#"'#(0,=$?0;$6GH* 124

154 Virtuelle Änderung des Radstandes durch die Hinterachslenkung! Quelle: [Meitinger]! )! )!"#$%&' ()**' +&,*! )"-)!"#$%&' ()**' +&,*! '.( /*0$*#.1 #.$&$".0 K>>"%;0,7$LMN$?"('0#%%#$O,;#(0,7$;#)$A8;)'8,;#)$;0(*+$;"#$H",'#(8*+)%#,&0,7! $ 125

156 Unterschiede PKW - LKW! Verhältnis Leistung / Masse! Verhältnis Zulässiges Gesamtgewicht / Leergewicht! Kinetische Energie! Fahrdynamik Konsequenzen! LKW-spezifische Entwicklungen einschliesslich Software! Beispiel: Telligent (Mercedes): home_mpc/truck_home/home/trucks/actros/telligent_systems.fb0008.html! Beispiel: Getriebefunktionen! Beidspiel: Assistenzsysteme ( ESP ) 127

157 Verhältnis Leistung / Masse Masse (t) Leistung (PS) PS / t VW Käfer (1965) 1, VW Polo (1985) 1, Mercedes C300 2, BMW 760i 2, Actros , als Lastzug 40, Actros , als Lastzug 40, Sprinter 524 5, als Lastzug 7,

170 Verhältnis Zulässiges Gesamtgewicht / Leergewicht Zulässiges Gesamtgewicht (t) Leergewicht (t) Verhältnis VW Käfer (1965) 1,5 1,1 1,4 VW Polo (1985) 1,6 1,0 1,6 Mercedes C300 2,040 1,555 1,3 BMW 760i 2,695 2,180 1,2 Actros ,0 8,0 2,3 als Lastzug 40,0 8,0 5,0 Actros ,0 8,0 3,1 als Lastzug 40,0 8,0 5,0 Sprinter 524 5,0 2,8 1,8 als Lastzug 7,0 2,8 2,5 129

171 Kinetische Energie (1) Masse (t) Geschwindigkeit (km/h) Kinetische Energie (kj) Leistung beim Abbremsen in 20 sec (kw) VW Käfer (1965) 1, VW Polo (1985) 1, Mercedes C300 2, BMW 760i 2, Actros , als Lastzug 40, Actros , als Lastzug 40, Sprinter 524 5, als Lastzug 7,

172 Kinetische Energie (2) Masse (t) Geschwindigkeit (km/h) Kinetische Energie (kj) Leistung beim Abbremsen in 20 sec (kw) VW Käfer (1965) 1, VW Polo (1985) 1, Mercedes C300 2, BMW 760i 2, Actros , als Lastzug 40, Actros , als Lastzug 40, Sprinter 524 5, als Lastzug 7,

173 Konsequenz: Getriebefunktionen Automatikgetriebe LKW (Auswahl)! Überdrehzahlschutz! Anfahrgang! Defaultanfahrgang! Maximaler Anfahrgang! Jeweils vorwärts und rückwarts! Automatisiertes Anfahrgangschalten im Stand! Hoch- und Rückschalten um eine oder mehrere Gangstufen! Automatisiertes Gangnachschieben bei Schaltabbruch während der Fahrt! Automatisiertes Gangnachschieben bei Schaltabbruch im Stand! Schaltung in RW-Gänge 3-4 während der Fahrt! Gang einlegen entgegen Fahrtrichtung! Splitwechsel in Neutral! Automatisches Hoch- und Rückschalten bei konstanter Masse und Steigung! Verhalten bei aktiver ABS-Regelung! Verhalten bei Bremsung mit blockierenden Rädern! Rückschaltung im Motorbremsbetrieb! Rückschaltung mit Betriebsbremse! Automatisches Hoch- und Rückschalten unter Schlupf! Bremsschlupfreaktion 132

174 Telligent -Schaltung Mit der für Baufahrzeuge serienmäßigen Telligent -Schaltung erfüllt der Actros alle Ansprüche, die eine moderne Schaltung erfüllen muss: Die ergonomische Anordnung des Schalthebels auf einer klappbaren Konsole am Fahrersitz ermöglicht in jeder Situation kräfteschonendes, komfortables Schalten aus dem Handgelenk. Das entlastet den Fahrer und sorgt dafür, dass er sich auf das Straßengeschehen konzentrieren kann. Um hoch- oder zurückzuschalten, muss der Fahrer den Schalthebel nur leicht nach vorne beziehungsweise nach hinten bewegen; dann nur noch kuppeln fertig. Dabei wird der gewählte und nach dem Kuppeln auch der eingelegte Gang im Kombiinstrument angezeigt. Und die Schaltwippe ermöglicht es dem Fahrer, die Gänge bequem zu splitten, also zum Beispiel nur einen halben Gang nach oben oder nach unten zu schalten. Für noch mehr Schaltkomfort gibt es auf Wunsch Mercedes PowerShift offroad. 133

175 Fahrdynamik (1)! Batterie vorne:! Batterie hinten! Hohe Ströme! Schwere Kabel 134

176 Fahrdynamik (2)! Durch den (i.a. unbekannten ) Anhänger bzw. Auflieger mit zusätzlichen teilweise beweglichen Achsen kommt beim LKW ein weiterer Freiheitsgrad hinzu.! Beladung und Beladungsverteilung spielen beim LKW eine entscheidende Rolle! Verhältnis Zulässiges Gesamtgewicht / Leergewicht! Load Sensing : Auch für bestimmte PKW-Baureihen (Geländewagen) interessant! Der PKW ist von der Fahrdynamik her vollständig bekannt, der LKW nicht.! Weiterer Unterschied LKW / PKW: Mechanische (Ent-) Kopplung Kabine / Rahmen! Bremsregelung bei LKW pneumatisch ( by wire ), bei PKW (elektro-)hydraulisch.! Oft unterschiedliche Zulieferer, z.b. bei LKW Wabco und Knorr, bei PKW Bosch und Conti Teves! Konsequenz für Assistenzsysteme:! Übernahme ESP bei LKW blauäugig! LKW-spezifische Entwicklungen, z.b. Telligent (Mercedes): mpc_germany_website/de/home_mpc/truck_home/home/trucks/actros/telligent_systems.fb0008.html 135

177 Telligent -Stabilitätsregelung Die für 4x2-, 6x2- und 6x4*-Sattelzugmaschinen als Sonderausstattung erhältliche Telligent -Stabilitätsregelung erkennt drohende Instabilitäten wie Schleudern oder Ausbrechen und wirkt diesen Tendenzen, soweit physikalisch möglich, entgegen. Ein Plus an Sicherheit, das durch die gezielte Beeinflussung des Motordrehmoments, radweise Eingriffe in das Bremssystem des Zugfahrzeugs und durch die Ansteuerung der Aufliegerbremsanlage so manchen brenzligen Moment erst gar nicht entstehen lässt. Aber eine vorsichtige und vorausschauende Fahrweise kann auch dieses System nicht ersetzen. 136

179 Landmaschinen! Automatisches Fahren im Verbund mit Präzisionsnavigation: Mähdrescher! Zahlreiche unbekannte Anbaugeräte! Schnittstellen! Mechanisch! Elektrisch! Daten! Bedienung! Dr. G. Kormann, M. Hoeh, H.J. Nissen: Service Oriented Architecture for Agricultural Vehicles 8. Workshop Automotive Software Engineering, Leipzig, Vorlesung: 04 ASE SS 2011 Kormann.pdf! klanzh.mp3 138