Automatisiertes Fahren und Digitalisierung

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1 ISSN Januar Jahrgang MOBILITÄT Automatisiertes Fahren und Digitalisierung ZWEIRADKONZEPT mit Potenzial für Zukunft und Serie TRAKTIONSBATTERIE als thermischer Speicher für E-Fahrzeuge ABSICHERUNG von Assistenzsystemen mit objektiver Beurteilung SPEZIAL Additive Fertigung /// INTERVIEW Stefan Schumacher [IBM] /// GASTKOMMENTAR Peter Mertens [Audi]

2 Unsere zukunftsweisenden Technologien werden die Mobilität von morgen nachhaltig verändern. Erfahren Sie mehr über unsere innovativen Lösungen für Verbrennungsmotoren, Hybrid- und Elektroantriebe unter Technologien von Rheinmetall. SOLUTIONS FOR A CHANGING WORLD. UNSER HERZ SCHLÄGT FÜR IHREN ANTRIEB.

3 EDITORIAL 120 Jahre ATZ Liebe Leserin, lieber Leser, das Riesenrad im Wiener Prater hat es 2017 geschafft, der Autobau bei Opel ist 2019 dran: Dieses Jahr, 2018, feiert die ATZ ihr 120-jähriges Bestehen. Sie ist damit das älteste, noch bestehende Fachmagazin für Fahrzeugtechnik der Welt als Der Motorwagen gegründet, werden hier von gestern bis heute Entwicklungen der Fahrzeug- und Motorentechnik publiziert. Gründungsmitglieder der Zeitschrift waren führende Inge nieure aus Deutschland, Europa und den USA. Dazu gehörten, um nur einige zu nennen, Carl Benz, Gottlieb Daimler, Rudolf Diesel, Friedrich Lutzmann, Emil Rathenau, Edmund Rumpler, Emil Škoda, Ferdinand Graf von Zeppelin und Julius Springer, der unseren Verlag 1842 ins Leben rief. Seit 1939, dem Gründungsjahr der Schwesterzeitschrift MTZ Motortechnische Zeitschrift, widmet sich die ATZ exklusiv dem Gesamtfahrzeug war technisch ein bewegtes Jahr: Ferdinand Braun führte den geschlossenen Schwingkreis ein. Pierre und Marie Curie entdecken das Radium und William Ramsay das Edelgas Xenon. Der brasilianische Motorflugpionier und Erfinder Alberto Santos-Dumont flog das erste von einem Benzinmotor angetriebene Luftschiff, und Ferdinand Graf von Zeppelin meldete das Patent für sein Starrluftschiff an war auch das Gründungsjahr von Renault, Good year und der RWE. Und es war das Geburtsjahr des Daimler Phönix, des ersten Personenwagens mit Vierzylindermotor, ausgerüstet mit der über ein Jahr zuvor von Robert Bosch erfundenen Niederspannungs-Magnet-Zündung. So manche Entwicklung davon durften wir in der ATZ vorstellen. Wir wünschen Ihnen viel Spaß bei der Lektüre der historischen und zeitgenössischen ATZ-Ausgaben in diesem Jubiläumsjahr. Ihr Partner für den virtuellen Fahrversuch Als Technologietreiber die automobile Zukunft mitgestalten Mit unseren Lösungen helfen wir als Technologieführer für den virtuellen Fahrversuch unseren Kunden weltweit realitätsgetreue virtuelle Tests im gesamten Entwicklungsprozess gemäß dem Prinzip des Automotive Systems Engineering durchzuführen und somit reale Prototypen einzusparen. Dr. Alexander Heintzel Chefredakteur Dipl.-Ing. Michael Reichenbach Stellvertretender Chefredakteur PS: Eine kleine Vorfreude für alle ATZ-Abonnenten: Zum Geburtstag drucken wir exklusiv die Erstausgabe des Motorwagen von 1898 nach und legen sie der kommenden Februar-Ausgabe bei. TESTEN SIE UNS JETZT KOSTENLOS und sichern sich ebenfalls den Motorwagen-Reprint unter: SOLUTIONS FOR VIRTUAL TEST DRIVING ipg-automotive.com ATZ Jahrgang 3

4 INHALT AUSGABE MOBILITÄT Automatisiertes Fahren und Digitalisierung bubaone Getty Images istock Die Themen Vernetzung, Big Data, Digitalisierung und automatisiertes Fahren zählen zu den wichtigsten Trends in der Automobilindustrie. In der urbanen Mobilität gibt es vielfältige Formen zugeschnittener Dienstleistungen zur Fortbewegung aus Sicht eines individuellen Mobilitäts bedürfnisses. Zu den neuen Geschäfts modellen mit speziellen Fahrzeugkonzepten zählen unter anderem Carsharing, People-Mover- Systeme und Chauffeur-Dienstleistungen. 16 Einleitung Michael Reichenbach Urbane Fahrzeugkonzepte für die Shared Mobility Thilo Röth [FH Aachen], Michael Pielen [share2drive], Klaus Wolff [FEV Europe], Thomas Lüdiger [FEV Consulting] INTERVIEW Auch digitale Dienste brauchen kognitive Intelligenz Stefan Schumacher [IBM] Frank Eppler 28 Automatisiertes Fahren und seine Sensorik im Test Jörg Schrepfer, Vanessa Picron, Joachim Mathes, Harald Barth [Valeo] 4

5 Edag RWTH Aachen Continental 42 Edag hat eine besondere Vorderradführung für Zweiräder konzipiert. Kern des Konzepts ist eine flexible Architektur, die eine neuartige Fertigung möglich macht. 66 Um die Reichweite von Elektroautos im Winter zu erhöhen, entwickelten Denso, Fraunhofer LBF, RWTH Aachen und Virtual Vehicle eine Wärmepumpe, die die Abwärme der Batterie nutzt. 96 Continental und die Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften erarbeiteten eine objektive Beurteilung von Simulationsergebnissen anhand definierter Kriterien für einen Stauassistenten. INHALT ENTWICKLUNG SPEZIAL 3 Editorial 120 JAHRE ATZ: HISTORIE FAHRWERK 42 Futuristisches Zweiradkonzept mit Potenzial für die Serie Marc Dongus, Sebastian Sturm [Edag] 77 Additive Fertigung FORSCHUNG KAROSSERIE 6 Vom Kutschenbau zur Hochleistungskarosserie Stefan Schlott AKTUELL 8 Personen + Unternehmen 9 Impulse IM FOKUS 10 Der Weissach-Effekt Evolution einer Revolution Gernot Goppelt TITELTHEMA MOBILITÄT 16 Automatisiertes Fahren und Digitalisierung AKTUELL 38 Produkte 48 Fahrwiderstandsreduktion mittels radindividuellem Steer-by-Wire-System Benjamin Schwarz, Lutz Eckstein [ika] MESS- UND PRÜFTECHNIK 54 NVH-Prüfstand zur Integration von Lenksystemen Lorenz Graeff, Yuriy Kandinov, Simon Redfearn [ZF] SIMULATION UND TEST 60 Motoranforderungen für ein souveränes Fahrerlebnis Eine neuartige Auslegungsmethode Mario Teitzer, Martin Arntz [AVL], Robert Schuh, Martin Glose [Mercedes-AMG] THERMOMANAGEMENT 66 Traktionsbatterie als thermischer Speicher Alois Steiner [Virtual Vehicle], Gero Mimberg [ika], Felix Weidmann [Fraunhofer LBF], Andrés Caldevilla [Denso] ASSISTENZSYSTEME 72 Hochautomatisiertes Lkw-Fahren auf der Autobahn und in der Stadt Alexej Janz, Uwe Schob [IAV] AKTUELL 94 Forschung SIMULATION UND TEST 96 Simulative Ermittlung von Key- Performance-Indikatoren komfortorientierter Fahrerassistenzsysteme Alexander Fen [Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Continental] ELEKTRISCHE ANTRIEBE 100 Demontagegerechtes Batteriemodul Ramona Singer, Jürgen Fleischer [wbk] SERVICE 104 Bücher 112 Impressum, Wissenschaftlicher Beirat 113 Vorschau GASTKOMMENTAR 114 Automobile Autonomie Peter Mertens [Audi] Audi TITELBILD Valeo BEILAGENHINWEIS Dieser Ausgabe der ATZ liegt eine Beilage der Siemens Industry Software GmbH, München, bei. ATZ Jahrgang 5

6 HISTORIE K AROSSERIE Vom Kutschenbau zur Hochleistungskarosserie Egal ob Benz-Comfortable oder Lutzmann-Pfeil als vor 120 Jahren mit Der Motorwagen die Erstausgabe der heutigen ATZ erschien, glichen die darin abgebildeten Fahrzeuge motorisierten Kutschen. Vom Holzrahmenbau zur aerodynamisch geformten, sicherheitsoptimiert ausgelegten Multiwerkstoff-Leichtbaukarosserie war es ein weiter Weg. Er ist in den Jahrgangsbänden der ATZ exemplarisch dokumentiert Zeitgenössische Aufnahme eines Benz-Patent-Motorwagens vom Typ III: Seine Form erinnert noch stark an eine Kutsche ( Daimler) Abseits zahlreicher Modethemen entwickelte sich der Karosseriebau über die Jahrzehnte zu einer Disziplin, die vielen Kriterien gerecht werden musste. Zunächst sorgten Stellmacher und Motorenbauer bei den frühen Modellen für Sitzplätze, Vortrieb und manchmal auch ein Dach. Komfort und Knautschzonen, wie sie im modernen Karosseriebau selbstverständlich sind, waren noch ebenso ein Fremdwort wie Leichtbaukonzepte oder eine gute Aerodynamik. Auch wenn heute Fahrerassistenz, Emissionen und alternative Antriebe die

7 Diskussionen um Automobile dominieren, ist die kontinuierliche Weiterentwicklung des automobilen Blechkleids im Schatten der jeweiligen Modethemen eine bedeutende Konstante des Automobilbaus. Noch 1926 beschreibt H. Müller in Heft 19 der zwischenzeitlich zu Auto-Technik umbenannten Fachzeitschrift den Benz-Comfortable als Pferdedroschke, der die Deichsel abgenommen ist. Zu diesem Zeitpunkt gilt der Rahmenbau aus Holz, zum Teil auch stahlverstärkt, als Technik der Wahl. Zumindest in Deutschland. In einer Kurznotiz der Ausgabe 4/1926 von Auto- Technik vermutet ein Autor mit dem Kürzel Abt., dass in Amerika der Weg dahin geht, dass bald nur noch Karosserien aus Stahl unter völligem Ausschluss von Holz gebaut werden. Der Grund liegt in der aufkommenden Serien- und Fließbandfertigung nach dem Vorbild von Henry Ford. Der Erfolg bei Opel, wo ab 1924 eine Million Goldmark in die Modernisierung der Automobilfertigung und die erstmalige Einführung der Großserienproduktion mit Fließbandtechnik in Deutschland fließen, findet bald Nachahmer, und die Stahlkarosserie wird für viele Jahre Standard. Wobei die Entwicklung kontinuierlich weitergeht. So stellt J. Walter in Heft 6/1949 Überlegungen zur Lichtspiegelung an der Karosserie an und bezeichnet den Lichtkantenverlauf als sehr empfindliche Kontrolle für die Güte der geometrischen Form. Gleichzeitig kommen Diskussionen auf, die noch heute ihre Gültigkeit besitzen. Bereits in der Ausgabe 2/1937 der nunmehr ATZ heißenden Publikation erhebt Kurt C. Volkhart Forderungen nach einem fahrwerk- und aufbautechnischen Leichtbau. Noch ist dabei Leichtbau mit Stahl gemeint. In der ATZ 9/1959 beschreibt W. Buck die aus 0,88 mm starkem Stahlblech gefertigte Karosserie des NSU Prinz, mit 495 kg Eigengewicht ein wahrer Leichtling unter den Serienfahrzeugen. Doch schon bald bekommt der Stahl als Konstruktionswerkstoff Konkurrenz. In der Ausgabe 7/1963 berichtet S. Haenle davon, dass in Deutschland pro Fahrzeug etwa 6 bis 8 kg Kunststoffe verbaut würden, während es in den USA bereits bis zu 14 kg seien. 15 Jahre später sehen die Zahlen anders aus bringt BMW mit seinem M1 das erste Fahrzeug mit Kunststoffkarosserie auf den Markt. Und E. Boigt schreibt in der Ausgabe 7-8/1978, dass 100 kg Chemiewerkstoffe pro Fahrzeug heute schon weit überschritten seien und 200 kg pro Fahrzeug näher rücken. Und noch ein Wettbewerber beginnt, die Stahlindustrie zu bedrängen. Anfang der 1990er-Jahre ersetzt Honda bei seinem Modell NSX den Stahl durch Aluminium in klassischer Blechschalenbauweise. Einen anderen Weg beschreitet Audi. Die Entwicklungsarbeit, die 1982 begann, brachte 40 Patentanmeldungen hervor. Davon berichten F.-J. Paefgen und Co-Autoren in der ATZ 4/1994. Als Vorläufer des Serienmodells fungierte eine Technikstudie mit der Bezeichnung ASF, die auf der IAA 1993 für Furore sorgte. Die selbsttragende Aluminiumkarosserie im Audi A8, der 1994 folgte, wog lediglich 249 kg und verfügte über das Grundprinzip der ASF-Konstruktionsweise, wie es noch heute gilt: ein Fachwerk aus Profilen und Knoten. Das Bekenntnis zu einem einzigen Konstruktionswerkstoff ist indes auch schon wieder Geschichte. Zwischenzeitlich dominieren Multiwerkstoff-Konzepte die Arbeiten. So gesehen ist die Entwicklung der Karosserietechnik auch nach 120 Jahren noch nicht abgeschlossen. Stefan Schlott 1912 Henry Ford mit seinem T-Modell: Die aufkommende Serienfertigung begünstigt das Vordringen von Stahlkarosserien ( Ford) 1925 Schnittmodell des Audi 18/70 PS Typ M: Noch ist der Holzrahmenbau deutlich zu erkennen ( Audi) 1934 Der gläserne Opel Olympia veranschaulicht das Prinzip der selbsttragenden Ganzstahlkarosserie ( Opel) 1993 Die Audi-Technikstudie mit der Bezeichnung ASF wird ein Jahr später als A8 mit selbsttragender Aluminiumkarosserie auf den Markt kommen ( Audi) ATZ Jahrgang 7

8 AKTUELL PERSONEN + UNTERNEHMEN Nexteer Nexteer Wabco Kooperation bei Lenkungssystemen Nexteer-Hauptsitz in Auburn Hills, USA Nexteer geht eine Kooperation mit Wabco ein, um gemeinsam aktive Lenkungssysteme für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge zu entwickeln. Hierfür werden sie die bewährte Magnasteer-Technik in das Servolenkgetriebe-Portfolio von Sheppard integrieren Wabco hatte im September 2017 die Übernahme des Lenkungsspezialisten bekanntgegeben. Die Magna steer-technik von Nexteer wurde so entwickelt, dass sie sich komplett in die Produktlinie der Lenkgetriebe von Sheppard integrieren lässt. Sie ist auch für den Einsatz in Nutzfahrzeugen und Bussen skalierbar. Dank des bestehenden Exklusivitätsabkommens zwischen Nexteer und Sheppard könne Wabco nun Nutzfahrzeugherstellern in Nordamerika eine kostengünstige und innovative Lösung für aktive Lenkungssysteme bieten. Zusätzlich ist diese Technik für Wabco auch in allen Märkten für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge außerhalb Nordamerikas zugänglich. Dabei handelt es sich, mit Ausnahme von China, um eine exklusive Vereinbarung. BMW Brilliance Batteriefabrik in China Gemeinsam mit ihrem Partner Brilliance China Automotive Holdings Ltd. hat die BMW Group das neue High Voltage Battery Center in Shenyang (China) eröffnet. Die Batteriefabrik beliefert das nahe gelegene Werk des Joint Ventures BMW Brilliance Automotive (BBA) in Dadong. Dort wird zukünftig der BMW 5er Plug-in-Hybrid für den lokalen Markt produziert. Das innovative High Voltage Battery Center stelle einen bedeutenden Schritt in der Elektromobilitätsstrategie der BMW Group dar, betonte Oliver Zipse, Produktionsvorstand der BMW AG. Es ist die erste Batteriefabrik eines Premium-Automobilherstellers in China. Das Joint Venture BMW Brilliance Automotive wurde 2003 gegründet und umfasst die Produktion und den Vertrieb von BMW- Automobilen in China sowie lokale Entwicklungsaufgaben. Im Joint Venture sind über Mitarbeiter beschäftigt. Batterieproduktion in Shenyang, China BMW Continental Continental Osram Joint Venture für Lichtlösungen Hans-Joachim Schwabe (l.) und Andreas Wolf Continental und Osram wollen ein Joint Venture gründen, um intelligente Lichtlösungen für die Automobilindustrie zu entwickeln, zu produzieren und zu vermarkten. Laut Andreas Wolf, Leiter des Continental-Geschäftsbereichs Body & Security, kann das Joint Venture seinen Kunden damit eine einzigartige Bandbreite an Lösungen bieten. Hans-Joachim Schwabe, CEO des Geschäftsbereichs Specialty Lighting bei Osram, ergänzt, dass die Unternehmen zukünftig hochmoderne Produkte aus einer Hand anbieten können. Das global agierende Unternehmen soll unter dem Namen Osram Continen tal GmbH firmieren. Beide Unternehmen werden zu jeweils 50 % beteiligt sein. Vorbehaltlich der Einigung über die verbindlichen Verträge, der vorherigen Zustimmung des jeweiligen Aufsichtsrats jeder Partei und der kartellrechtlichen Genehmigungen ist der Start des Joint Ventures für 2018 geplant. IAV Verleihung des Hermann-Appel-Preises 2017 Der Entwicklungsdienstleister IAV hat zum 14. Mal herausragende Diplom-/Masterarbeiten und Dissertationen ausgezeichnet. Der Nachwuchspreis ist nach dem IAV-Gründer Hermann Appel benannt. Die Fachjury aus Automobilexperten zeichnete sieben Preisträger aus, deren Abschlussarbeiten mit jeweils 2500 Euro prämiert wurden. Den Hermann-Appel-Preis im Fachgebiet Antriebsstrang entwick lung erhielten Dr. Christoph Danzer und Anna-Katharina Wieckhorst. Im Fachgebiet Fahrzeugentwicklung wurden Dr. Benedikt Kleinert und Florian Pierre Joseph ausgezeichnet. Für ihre Beiträge im Fachgebiet Mobilität, Infrastruktur und Verkehr erhielten Dr. Arwed Schmidt und Stefan Postler den Hermann-Appel-Preis. Der Sonderpreis wurde an Dr. Benjamin Schmorl verliehen. 8 Die Gewinner des Hermann-Appel-Preises bei der Verleihung in Berlin IAV

9 SGL ABB Continental ABB Schnellladetechnik für Elektrobusse Das Industrieunternehmen ABB hat vom Schweizer Bushersteller Hess einen Auftrag in Höhe von 20 Millionen US-Dollar erhalten, um 20 Elektrobusse und die damit verbundene Infra struktur für die französische Stadt Nantes mit seiner Flash-Stromladetechnik auszurüsten. Während Flash-Ladetechnik für E-Busse die Fahrgäste ein- und aussteigen, werden die auf dem Dach montierten Batterien an ausgewählten Haltestellen mit 600 kw binnen 20 s nachgeladen. Der Bus verbindet sich in weniger als 1 s mit der Ladestation. Damit sei die Flash-Ladeverbindungstechnik die derzeit schnellste weltweit. Zusätzlich erfolgt an der Endhaltestelle in 1 bis 5 min eine vollständige Aufladung der Batterien. Jürgen Köhler Benteler SGL Verkauf der Anteile Die SGL Technologies Composites Holding GmbH, eine vollständige Tochtergesellschaft der SGL Carbon SE, erwirbt die 50-%-Beteiligung der Benteler Carbon Composites Beteiligungs-GmbH am Joint Venture Benteler-SGL GmbH & Co. KG in Paderborn. Die SGL Carbon SE wird damit alleiniger Eigentümer des Unternehmens. Laut Jürgen Köhler, Vorstandsvorsitzender der SGL Group, sei für Benteler und die SGL Group die Fokussierung auf ihre Kernkompetenzen ein wesentlicher Bestandteil ihrer jeweiligen Strategie. Das Gemeinschaftsunternehmen Benteler-SGL wurde 2008 gegründet und zählt zu den führenden Entwicklern und Großserienherstellern von Leichtbauteilen aus Verbundwerkstoffen für den Automobilbereich. Die Produktpalette umfasst Komponenten aus Faserverbundwerkstoffen wie zum Beispiel Autodächer, Heckspoiler und Blattfedern. Continental Neues Werk in Litauen Mit dem Bau eines Werks in Litauen erweitert Continental seine Produktionskapazität von Automobilelektronik. Der erste Spatenstich ist für Mitte 2018 geplant, die Produktion soll Mitte 2019 anlaufen. In den nächsten fünf Jahren sollen etwa 95 Millionen Euro investiert werden, Das geplante Werk in der Region Kaunas zudem will Continental etwa 1000 neue Arbeitsplätze schaffen. Auf einer Produktionsfläche von zunächst m² sollen Produkte der Continental- Geschäftsbereiche Body & Security und Fahrerassistenzsysteme gefertigt werden. Dazu zählen unter anderem Tür- und Sitzsteuergeräte, Gateways und Einheiten für intelligente Glassteuerung sowie Radarsensoren für Komfortfunktionen. ATZ Jahrgang IMPULSE Wolfgang Siebenpfeiffer Herausgeber ATZ MTZ ATZelektronik Arbeitszeit und Freizeit Hinsichtlich der Wechselwirkungen zwischen Arbeitszeit und Freizeit können wir zwei hervorstechende Verhaltensweisen beobachten. Manche Menschen lassen sich von den Anforderungen der Arbeitswelt vollends beschlagnahmen; sie verinnerlichen diese Anforderungen derart, dass sie sich häufig nur allzu leicht in Überstunden hineintreiben lassen. Für viele wird so die Arbeit zum einzigen Lebenszweck, zum Lebensinhalt. Andere dagegen fliehen aus Monotonie, Hektik und Unzufriedenheit am Arbeitsplatz in die Freizeit. Für die als ungeliebte Last erlebte Arbeit suchen sie einen Ausgleich in einer Art Gegenwelt. Sie stürzen sich in hektische Abwechslung, konsumieren die widersprüchlichsten Eindrücke im Übermaß, frönen blindem Genuss von Essen und Trinken; wieder andere schalten um auf Gleichgültigkeit, sitzen herum und langweilen sich. Jede dieser Verhaltensweisen führt in eine andere Einseitigkeit, in eine Verarmung der Persönlichkeit. Um seelische Gesundheit, Spannkraft und Freude an der Arbeit zu erhalten, sollte den Strapazen am Arbeitsplatz eine Phase der Entspannung, der Ruhe und Sammlung in der Freizeit folgen. Zur Arbeit sollte ein Gegengewicht geschaffen werden. Leider müssen wir aber feststellen, dass die Hektik der Arbeitswelt zum Lebensrhythmus überhaupt geworden ist und auch unsere Freizeit bestimmt, obwohl wir für diese ganz andere Wünsche und Vorstellungen haben. Wie können wir diese Situation verändern? Wenn der Rhythmus am Arbeitsplatz und die dort herrschenden Bedingungen sich auch auf unsere Freizeit gestaltung auswirken, nützt es nichts, erst bei der Freizeit zu beginnen. Dann müssen wir auch die Arbeitswelt positiv verändern. Wir müssen helfen, im Betrieb menschlichere Bedingungen zu schaffen. Ein Ziel für 2018? WEITERE AKTUELLE NACHRICHTEN AUF 9

10 IM FOKUS Der Weissach-Effekt Evolution einer Revolution 10

11 Als der Porsche 928 vor 40 Jahren auf den Markt kam, war er die erste komplette Neukonstruktion von Porsche. Einige technische Neuerungen des damals hochmodernen Tourensportwagens wirken bis heute nach, zum Beispiel die Weissach- Achse, die Kurveneigenschaften auf dem Niveau des 911 mit mehr Komfort verband. Das Grundprinzip dieser Hinterachse das kurvenäußere Rad durch die Seitenkräfte und bei Längskraftänderungen durch Lastwechsel in Richtung Vorspur zu drehen findet sich heute bei fast allen modernen Mehrlenkerhinterachsen wieder. Porsche VON DER STARR- ZUR MEHRLENKERACHSE Die Entwicklung von Pkw-Hinterachsen hat seit den Anfängen des Automobils unterschiedlichste Bauformen hervorgebracht. Sie reichen von der Starrachse über die Pendelachse, von Längs- und Schräglenkerachsen über Verbundlenkerachsen bis schließlich zu Mehrlenkerachsen unterschiedlicher Auslegung. Die Pendelachse war bei heckund hinterradgetriebenen Pkw von den 1920er- bis 1970er-Jahren verbreitet. Ihr Nachteil war allerdings der Aufstützeffekt und ein zunehmend positiver Sturz des kurvenäußeren Rads bei Kurvenfahrt, mit der Folge einer verringerten Radaufstandsfläche, bis hin zum Ausbrechen des Hecks. Deswegen wichen die Pendelachsen zunehmend den Schräglenkerachsen. In den 1970er-Jahren wuchsen die Anforderungen weiter an: Die Motoren wurden stärker, die Fahrweise sportlicher. So stieg auch die Neigung des Fahrzeugs zum Eindrehen in die Kurve. Die Reifentechnik machte zwar große Fortschritte, und die erreichbaren Seiten führungs- und Umfangskräfte lagen deutlich höher. Der Grenzbereich war aber schmaler, das Fahrverhalten weniger gutmütig. Bei einem Fahrzeug mit Heckantrieb überlagern sich an der Hinterachse die für die Kurvenfahrt erforderlichen Querkräfte mit dem Schleppmoment des Motors. Diese Überlagerung der wirkenden Kräfte kann für Unruhe am Heck sorgen, wenn nicht in der richtigen Weise gegengesteuert wird. Porsche stellte an den 928 die Anforderung, dass er querdynamisch so gut werden sollte wie der klassische 911 und ebenso agil, aber darüber hinaus leichter und komfortabler zu fahren. Mit herkömmlichen Mitteln seien die Anforderungen bei Sportwagen nicht mehr zu beherrschen gewesen, sagt Hans-Hermann Braess, der damals zusammen mit Gebhard Ruf bei Porsche an neuen Achskonzepten forschte. Erkenntnisse dieser Forschung wurden auch in der sogenannten Weissach-Achse umgesetzt, die Wolfhelm Gorissen, Manfred Bantle und Helmut Flegl zur Serienreife brachten. ATZ Jahrgang 11

12 IM FOKUS Die platzsparende Konstruktion der Weissach-Achse berücksichtigt auch die beengten Raumverhältnisse im Porsche 928 ( Porsche) PORSCHE 928 VOLLER INNOVATIONEN Treiber für die Entwicklung des 928 waren vor allem schärfere Abgas-, Geräusch- und Crashvorschriften im wichtigen US-Markt. Die Freigabe zur Entwicklung gab der damalige Vorstand Ernst Fuhrmann im Oktober Die Serienentwicklung begann unter der Leitung von Wolfgang Eyb und Wolfhelm Gorissen. Bei seiner Markteinführung im Jahr 1977 war der 928 in vielerlei Hinsicht revolutionär. Er war laut Gorissen geradezu vollgestopft mit Neuerungen, zum Beispiel mit Kunststoff-Stoßfängern in bester Lackanpassung, gemischter Stahl-Aluminium-Bauweise, einem geblasenen Kunststofftank aus Niederdruck-Polyethylen, einer Vollalumi nium-vorderachse und natürlich der Weissach-Achse. Anders als beim 911 war beim 928 der Motor vorne verbaut, das Getriebe vor der Hinterachse. Zylinderblock und -köpfe des wassergekühlten V8-Ottomotors mit anfangs 176 kw (240 PS) und später bis zu 257 kw (350 PS) waren aus Leichtmetall gefertigt, die Verbindung zum Getriebe erfolgte über eine Längswelle in einem steifen Zentralrohr. Wir nannten es etwas forsch Transaxle-System, erinnert sich Gorissen, es blieb ohne Widerspruch. Die gleichmäßige Verteilung zweier Massen vorne und hinten 12 Die Forschungsachse von 1976: Die elastokinematische Lenkachse ist schräg gestellt und verläuft außerhalb des Rads sowie nach hinten versetzt ( H.-H. Braess) kam nicht nur dem Crashverhalten zugute, sondern auch einer gleichmäßigen Gewichtsverteilung auf die Vorder- und Hinterachse. Die neue Hinterachse löste ein Grundproblem damaliger Radaufhängungen, oder um es mit Flegls Worten zu sagen: Elastizitäten hatten üblicherweise die Wirkung, dass sie in die falsche Richtung gehen. Ganz anders die Weissach-Achse sie ermöglichte Spurkorrekturen des dominierenden kurvenäußeren Hinterrads in Richtung Vorspur, um Lastwechselreaktionen des Fahrzeugs zu minimieren. Weissach steht in diesem Sinne übrigens nicht nur für den Sitz des Entwicklungszentrums von Porsche, sondern auch für Winkel einstellende, selbst stabilisierende Ausgleichs-Charakteristik. DER WEG ZUM WEISSACH-EFFEKT Der Weissach-Achse waren seit Anfang der 1970er-Jahre intensive Forschungs-

13 arbeiten und Versuche vorausgegangen. Braess beschrieb 1973 eine elastokinematische Radaufhängung [1], die unter Krafteinwirkung gezielte elastische Bewegungen erlaubt, die allein auf kinematischem Wege nicht machbar sind. Denn ein prinzipieller Nachteil von Schräglenkern besteht darin, dass der elastokinematische Drehpunkt bei Seitenkräften vor der Radmitte (in Fahrtrichtung) liegt und bei Längskräften innen auf der dem Fahrzeug zugewandten Seite des Rads. Seitenkräfte bewirken infolgedessen eine Nachspur und somit ein Übersteuern. Schleppmomente durch Gaswegnehmen in der Kurve können abrupt ein Übersteuern herbeiführen, besonders bei starken Motoren und in niedrigen Gängen. Braess und Ruf wollten mit ihrer Forschungsarbeit aber das genaue Gegenteil erreichen: Am belasteten kurvenäußeren Rad sollte in diesen Fahrsituationen eine automatische Radstellungsänderung in Richtung Vorspur erfolgen, um ein untersteuerndes Eigenlenkverhalten zu fördern und so ein Eindrehen in die Kurve zu mildern oder ein Ausbrechen zu verhindern. Die beschriebene Schräglenkerachse war so ausgelegt, dass sich die vertikale Drehachse hinter das Rad und die Fahrzeugaußenseite des Rads verschiebt. Es handelt sich dabei um keine technisch vorhandene, sondern eine virtuelle Achse, die sich aus der elastokinematischen Auslegung ergibt. Dazu diente ein zusätzlicher Radträger, der mithilfe von zwei unterschiedlich steifen Gummielementen am Achsträger befestigt ist. Das vordere Gummilager ist weicher als das hintere, sodass sich die Hinterräder bei Seitenund Verzögerungskraft um die virtuelle Drehachse in Vorspur stellen. Diese Konstruktion sollte zwar nicht in Serie gehen, wies aber einen Weg zu nachfolgenden Entwicklungen. DIE AUFGELÖSTE MEHRLENKERACHSE Während sich nun der Porsche 928 bereits in der Serienentwicklung befand, dachten Braess und Ruf einen Schritt weiter und entwarfen eine aufgelöste Doppelquerlenkerachse [2]. Aus zwei Querlenkern wurden drei Stangen und ein V-förmiger Lenker, also eine Art Fünflenkerachse, wie sie heute vielfach anzutreffen ist. Auch bei dieser Forschungsachse erfolgte die Vorspurverstellung mithilfe unterschiedlich elastischer Lager der Lenker. Der wesentliche Unterschied: Die virtuelle Drehachse verläuft zwar ebenfalls wie gewünscht außerhalb des Rads sowie nach hinten versetzt sie steht aber nun schräg im Raum, am Durchstoßpunkt der Fahrbahnoberfläche weiter außen und hinten als auf Höhe der Radmitte. Warum ist das von Bedeutung? Beispielsweise wirkt der Hebel der Seitenkraft bei Kurvenfahrt auf Höhe der Fahrbahnebene, Brems- und Schleppmomente wirken auf Höhe der Radmitte. Bremsmomente werden zum Teil durch das Bremsmoment um das Rad kom pensiert, Schleppmomente dagegen werden ungehindert wirksam. Die schräg gestellte Drehachse der Mehrlenkerachse schafft nun die Möglichkeit, den wirk samen Hebel an die unterschiedlich wirkenden Kräfte anzupassen [3, 4]. Aus damaliger Sicht hatte die Mehrlenkerachse allerdings zwei Nachteile: 2 FRAGEN AN Christoph Bauer Porsche Dr. Manfred Harrer Leiter Entwicklung Fahrwerk, Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG, Weissach ATZ _ Wie haben sich seit 1977 die Entwicklungsmethoden bei der Auslegung der Elastokinematik geändert? HARRER _ Auch 1977 standen natürlich bereits Berechnungsmethoden zur Auslegung der Elastokinematik zur Verfügung, aufgrund der begrenzten Berechnungskapazitäten mussten diese aber stark vereinfacht werden. Heute haben wir viel größere Möglichkeiten. Wir können mit sehr komplexen CAE-Modellen, die auch dynamische Bauteil- und Lagersteifigkeiten abbilden, recht schnell nahezu beliebig aufwendige, dynamische Simulationen durchführen. Das schließt auch die aktiven Fahrwerksysteme mit den zugehörigen Regelfunktionen ein, wie sie im realen Steuergerät vorhanden sind. Auch rechnerische Optimierungsalgorithmen für alle denkbaren Fahrmanöver sind möglich, um so die ideale Elastokinematik unter Berück sichtigung der Interaktion aktiver Systeme zu ermitteln. Welche neue Technik erwarten Sie noch bei Radaufhängungen und Fahrwerk? Wir haben heute bereits eine Vielzahl von mechatronischen Fahrwerksystemen mit intelligenten Regelungen in den Fahrzeugen zum Beispiel Hinterachslenkung, elektromechanische Wankstabilisierung etc. In Zukunft werden diese Systeme noch stärker vernetzt sein. Durch dieses Mehr an Informationen und die Integration zusätzlicher Sensoren wird das Fahrwerk somit noch schneller und funktional besser an die jeweilige Fahrsituation ange passt. Es wird aber nicht nur externe Daten nutzen, sondern auch wichtige, sicherheitsrelevante Informationen an andere Fahrzeugsysteme und Fahrzeuge abgeben. Neben der Weiterentwicklung im Umfeld der Mechatronik wird es aber auch weiterhin ein Ziel sein, mechanisch hochwertige Achs systeme mit hoher Leichtbaugüte zu entwickeln. ATZ Jahrgang 13

14 IM FOKUS Sie baute filigran, und die exakte Auslegung der elastischen Elemente war nicht ganz einfach zu beherrschen. DIE WEISSACH-ACHSE IM 928 Beim 928 entschied sich Porsche mit der Weissach-Achse zunächst für eine funktionale Synthese aus Mehrlenkerund Doppelquerlenkerachse [5]. Dafür gab es mehrere Gründe. Porsche-Fahrer waren häufig auch auf abgesperrten Strecken unterwegs. Sie wollten das Fahrzeug auch per Gasfuß über die Hinterachse lenken können, also kontrolliert driften, erinnert sich Bantle. Dabei sei ein eher kleiner Eindrehwinkel angenehm, um das Heck anzustellen. Beim Wechsel von Kurven- zu Geradeausfahrt würde außerdem zu viel Vorspur dazu führen, dass die Rückkehr zur Normalspur auf störende Weise spürbar wird. Und schließlich sprachen die Platzverhältnisse im 928 für eine weniger raumgreifende Lösung: Eine Mehrlenkerachse hätte mehr Platz in der Breite benötigt; der stand im 928 aber nicht zur Verfügung, weil er für die hinteren Sitzmulden benötigt wurde. Die Weissach-Achse mit großen Lagerabständen und somit längeren Hebeln erlaubte nur eine relativ kleine Vorspurkorrektur, ganz im Sinne der sportlichen Die Weissach-Achse ist eine funktionale Synthese aus Mehrlenker- und Doppelquerlenkerachse ( Porsche) Anwendung. Die untere Ebene der Aufhängung besteht aus einer längs verlaufenden Steuerschwinge, die vorne elastisch gelagert ist. Hinten ist sie gegen ein dünnes Schwert angelenkt, auch dieses elastisch gelagert, und zwar etwas härter, um das Steifigkeitszentrum hinter die Achse zu verlagern. Als obere Führung genügt eine einzelne Strebe. Das in Längsrichtung elastische Schwert, hatte es in sich, sagt Gorissen heute: Es gewährleistete eine stabile Spurführung des Rads, schützte aber auch vor harten Stößen. In sich hatte es übrigens auch das Erprobungsfahrzeug auf Basis eines Opel Admiral: Vorne lenkte Bantle, im Heck des Versuchsträgers saß der später als Renn ingenieur bekannt gewordene Walter Näher. Er verstellte mit einem eigens installierten Lenkrad die Hinterachse, um den Effekt der Vorspuränderung zu testen. Das Ergebnis: 20 Winkelminuten genügten, um den Eindreheffekt auf zuheben. Aber er musste schnell er folgen, innerhalb von 0,2 s nach dem Gaswegnehmen. Natürlich ist die Achskonstruktion nicht alles, sondern immer im Zusammenhang mit den Reifeneigenschaften zu sehen, relativiert Bantle. Die folgenden Zahlen sind dennoch beeindruckend: 1954 erreichten Porsche-Sportwagen eine Quer- Stationäre Kurvenfahrt und Schleppverluste durch den Motor bewirken eine leichte Korrektur in Richtung Vorspur ( H.-H. Braess) 14 Der Versuchsträger Opel Admiral wurde im Fond mit einem zweiten Lenkrad für die Hinterachse aufgebaut, um die Wirkung einer aktiv herbeigeführten Vorspuränderung erproben zu können ( Porsche)

15 beschleunigung von 0,7 g, entsprechend etwa 6,87 m/s². Die Spezifikationen der amerikanischen Sicherheitsorganisation ESV (Experimental Safety Vehicles) verlangten 1971 nur 0,65 g. Der Porsche 928 erreichte eine Querbeschleunigung von 8,8 m/s² und lag damit auf Augenhöhe mit dem damaligen 911. DURCHBRUCH DER MEHRLENKERACHSE Auch andere Hersteller befassten sich in den 1970erund 1980er-Jahren mit Mehrlenkerachsen, vielen im Gedächtnis ist sicherlich die Raumlenkerachse von Mercedes, die 1982 im Baby-Benz 190 in Serie ging. Bei Porsche sollte der volle Weissach-Effekt einschließlich schrägstehender virtueller Drehachse schließlich 1993 mit der LSA-Achse umgesetzt werden, im 911 Carrera [6]. Das Kürzel LSA steht für Leichtbau, Stabilität und Agilität. Der Carrera erreichte bei stationärer Kreisfahrt eine maximale Querbeschleunigung von 9,3 m/s². In dieser Zeit fiel der Schritt zur Mehrlenkerachse leichter: Neue Berechnungsmethoden wie die FE-Methode erlaubten es, jeden einzelnen Lenker und das elastokinematische Verhalten exakter auszulegen auch bei kleineren Abständen und daraus resultierenden höheren Belastungen. Mehrlenkerachsen mit Analogien zum Weissach- Prinzip sind heute auch bei frontgetriebenen Modellen der Kompaktklasse zu finden. Die Wirkungsweise ist prinzipiell dieselbe: Bei Querkräften, die bei stationärer und instationärer Kurvenfahrt entstehen, wird das belastete kurvenäußere Rad in Richtung Vorspur gestellt. Was bei frontgetriebenen Fahrzeugen entfällt, sind die Längskräfte an den Hinterrädern durch das Schleppmoment des Motors, das macht die Aufgabe einfacher. Heute lässt sich mit ESP/ESC, Torque Vectoring, aktiver Achskinematik und der aktiven Hinterachslenkung manches bewerkstelligen, was zur Zeit des Porsche 928 ausschließlich kinematisch und elastokinematisch gelöst werden musste. Doch auch die beste Fahrwerkselektronik kann nur begrenzt ausbügeln, was die Radaufhängung nicht leistet. Insofern sind sich ihre Entwickler einig: Die Weissach-Achse war eine Initialzündung für die Entwicklung neuer Hinterradaufhängungen, deren Grundzüge bis heute gelten. WAS MEINEN WIR DAZU? Seit Erscheinen des Porsche 928 im Jahr 1977 hat sich viel verändert: Fahrdynamische Vorgänge lassen sich heute in einem Maße simulieren und in Fahrzeugmodelle integrieren, das vor 40 Jahren schwer vorstellbar gewesen wäre. Und die Entwicklung geht weiter: Software wird zunehmend zu einer zentralen Komponente elektronisch geregelter Fahrzeugsysteme und intelligent agierender Fahrzeuge, die ihrerseits Teil eines kommunizierenden Netzes werden. Das könnte dazu verführen, mechanische Lösungen zu vernachlässigen die Elektronik wird s schon richten. Natürlich leistet eine Aktivlenkung noch mehr, etwa eine gezielte Nachspur verstel lung für bessere Manövrierbarkeit oder die Vernetzung mit weiteren fahr dynamischen Systemen. Umso beeindru ckender ist die Effektivität des Weissach-Effekts mit rein elastokinematischen Mitteln. Das hat bis heute seine Berechtigung und macht selbst preisgünstige Kompaktfahrzeuge dynamischer und sicherer. Gernot Goppelt LITERATURHINWEISE [1] Braess, H.-H.: Examples of the development of ESV subsystems. 4 th ESV Conference, Kyoto, März 1973, S [2] Braess, H.-H.; Ruf, G.: Influence of tire properties and rear axle compliance steer-on power-off effect in cornering. 6 th ESV Conference, Washington, Oktober 1976, S [3] Otto, H.: Lastwechselreaktion von Pkw bei Kurvenfahrt. Braunschweig, Technische Universität, Dissertation, 1986 [4] Pischinger, S.; Seiffert, U. (Hrsg.): Vieweg-Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, S Wiesbaden: Vieweg, 2016 [5] Bantle, M.; Braess, H.-H.: Fahrwerksauslegung und Fahrverhalten des Porsche 928. In: ATZ 79 (1977), Nr. 9, S [6] Berkefeld, V.; Görich, H. J.; Schote, N.; Wöhler, H. J.: Die LSA-Hinterradaufhängung des neuen Porsche 911 Carrera. In: ATZ 96 (1994), Nr. 6, S Gernot Goppelt ist freier Journalist. ATZ Jahrgang 15

16 TITELTHEMA EINLEITUNG MOBILITÄT Automatisiertes Fahren und Digitalisierung 18 Urbane Fahrzeugkonzepte für die Shared Mobility Thilo Röth [FH Aachen], Michael Pielen [share2drive], Klaus Wolff [FEV Europe], Thomas Lüdiger [FEV Consulting] 24 Auch digitale Dienste brauchen kognitive Intelligenz Interview mit Stefan Schumacher [IBM] 28 Automatisiertes Fahren und seine Sensorik im Test Jörg Schrepfer, Vanessa Picron, Joachim Mathes, Harald Barth [Valeo] 16

17 Smart Mobility und Shared Ecomomy sind derzeit unbestritten die innovativsten Themenfelder. Kreativität und Design spielen durch die Varianz und Reichweite von Mobilitätslösungen eine wesentliche Rolle für den Erfolg, ebenso die dahintersteckenden Geschäftsmodelle. Zu diesem Ergebnis kommt die Springer-Vieweg-Buchautorin Barbara Flügge, wenn sie die Bausteine einer intelligenten Mobilität zusammenstellt. Anwendbarkeit und Erfolg der schlauen Mobilität hängen von einer ganzheitlichen Betrachtung der strategischen, funktionalen und technischen Bausteine ab, stellt die Leiterin der Initiativen Smart Logistics und Smart Mobility bei SAP Schweiz fest. Diese Bausteine intelligenter Mobilität bieten Anwendern, Entscheidern und Mitgestaltern Orientierung in dem vielschichtigen Komplex von Smart Mobility. Die genau ermittelten Anforderungen von Anbietern und Nachfragern sind genauso wichtig wie Mobilitätsansprüche ganzer Ökosysteme. Auf der IAA 2017 in Frankfurt/Main haben IBM und Volkswagen verkündet, ein solches digitales Ökosystem gemeinsam entwickeln zu wollen. Im Rahmen der auf fünf Jahre angelegten Partnerschaft werden beide versuchen, mehr Intelligenz in die digitalen Mobilitätsdienste zu bringen und sie durch agile Software-Entwicklung schneller in die Praxis umzusetzen. Zwei Welten, die alte Autoindustrie und die damals New Economy genannte IT-Dienstleistung, tun sich zusammen. Dabei wird Volkswagen von den etablierten Cloud-Services und der KI-basierten Watson-Technik des Hauses IBM profitieren. Handelsunternehmen, Tankstellenketten oder die Hotelbranche sollen das Ökosystem We Commerce nutzen, um ihre Angebote gezielt an den einzelnen Kunden zu bringen. bubaone Getty Images istock All diese Systeme des autonomen Fahrens müssen im Automobil auch funktional abgebildet sein. Dies geschieht mit fortschrittlichen Assistenzsystemen und modernen Mensch-Maschine-Schnittstellen. Auf Testfahrten quer durch Europa und die USA, oft km lang, müssen alle Funktionen mit Versuchsfahrzeugen abgeprüft werden, damit sie auch im Alltag sicher arbeiten. Trotz massiver Computersimulationen sind reale Prüfbedingungen in der Stadt und auf der Autobahn sowie beim Fahren im Stau oder beim Ein- und Ausparken durch nichts zu ersetzen. Erst das automatisierte Fahren eröffnet die neuen Perspektiven der smarten Mobilität. ATZ Jahrgang Michael Reichenbach 17

18 TITELTHEMA MOBILITÄT Urbane Fahrzeugkonzepte für die Shared Mobility Urbane Mobilitätskonzepte der Zukunft erfordern neue Unternehmensformen, idealerweise aus Old Economy und New Economy, sowie eine enge Anbindung an die gesellschaftsrelevante Zukunftsforschung. Für neue Fahrzeugkonzepte des Carsharing bedeutet dies, dass alle kostenverursachenden Faktoren erfasst und analysiert werden müssen. Die FH Aachen, share2drive und FEV geben einen Ausblick auf die zukünftige Fahrzeugklasse der Personal Public Vehicles als Rolling Device. 18

19 share2drive FH Aachen ATZ Jahrgang AUTOREN Prof. Dr.-Ing. Thilo Röth ist Leiter des Automobil techniklabors für Fahrzeugkonzepte und Karosserietechnik an der FH Aachen. Dipl.-Wirt.-Ing. Michael Pielen ist Leiter Fahrzeug und Mobilität bei der share2drive GmbH in Aachen. Dipl.-Ing. Klaus Wolff ist Vice President Vehicle bei der FEV Europe GmbH in Aachen. Thomas Lüdiger, M. Sc. ist Senior Consultant bei der FEV Consulting GmbH in Aachen. STÄDTISCHE MOBILITÄT ALS DIENSTLEISTUNG Aktuell stellt das Thema Shared Mobility einen der wichtigsten Trends in der Automobilindustrie dar. In dem sogenannten Urban Mobility Trait (UMT) können alle wesentlichen Formen von urbanen Mobilitätsdienstleistungen aus Sicht des individuellen Mobilitätsbedürfnisses beschrieben und Geschäftsmodelle mit speziellen Fahrzeugkonzepten bewertet werden, BILD 1. Beispielsweise teilen sich beim Freefloating Carsharing als Mobilitätsdienstleistung die Kunden (als Fahrzeugführer) von Unternehmen bereitgestellte Fahrzeuge. Die Fahrstrecke umfasst überwiegend kurze Distanzen von weniger als 8 km, wobei ausschließlich eine geringe Anzahl an Personen befördert wird. Beim sogenannten Ride Selling, zu dem unter anderem die Dienstleistungen der Unternehmen Uber oder Lyft zählen, werden hingegen von Privatpersonen Chauffeurdienstleistungen mit eigenen Fahrzeugen angeboten. Die letztliche Auswahl der Mobilitätsdienstleistung treffen die Kunden unter ihren spezifischen Nutzungsbedürfnissen. Im Fokus stehen hierbei die Einfachheit gepaart mit Komfort und möglichen Zusatznutzen (zum Beispiel, die Fahrtzeit für private oder berufliche Organisationsaufgaben nutzen), die Kosten der Fahrt sowie die Geschwindigkeit, in der die Nutzer ihr Endziel erreichen können, BILD 2. Innovationen der Transportdienstleistung sind also gefragt. Die share2drive GmbH mit Sitz in Aachen folgt diesem Trend. Sie ist ein junges Unternehmen, das als Spin-off aus der FH Aachen hervorging. Der Unternehmenszweck ist die Bereitstellung innovativer Mobilitätskonzepte im Umfeld des Carsharings. Elementarer Bestandteil des Geschäftsmodells ist unter anderem das PPV (Personal Public Vehicle), ein Fahrzeug, das speziell für die Nutzung im Carsharing entwickelt wird. In sehr enger Kooperation mit der FEV und deren Tochterunternehmen mit mehr als 4500 Mitarbeitern ist ein neuer Player für holistische Mobilitätslösungen am Markt angekommen. GESCHÄFTSMODELLE FÜR DIE SHARED MOBILITY VON MORGEN Neue Mobilitätsdienstleistungen im Kontext des UMT haben einen disruptiven Einfluss auf die bestehende Wertschöpfungsstruktur innerhalb des Automobilsektors. So drängen neben etablierten Mobilitätsdienstleistern verstärkt Akteure aus der IKT- sowie Energiebranche mit neuen Geschäftsmodellen auf den Mobilitätsmarkt. Etablierte OEMs aus dem klassischen Fahrzeugbau haben erste Keimzellen für diese Welt gezüchtet. Im selben Atemzug orientiert sich die Automobilzulieferindustrie insbesondere die großen Tier 1 Supplier neu, um auf Marktveränderungen, zum Beispiel durch neue Fahrzeughersteller, zu reagieren. Neben einer weiteren Diversifizierung von Fahrzeugmodellen für Endkunden werden verstärkt auch Fahrzeuge für Mobilitätsdienstleister in den Fokus der 19

20 TITELTHEMA MOBILITÄT Merkmal Wer ist Fahrzeugführer? Was wird geteilt? Wer ist der Fahrzeugbesitzer? Wie ist die urbane Fahrdistanz? Wie viele Personen werden befördert? Was ist das Beförderungsgut? Legende: Kunde Fahrzeug Privatperson < 8 km 1-3 Personen Carsharing (free-floating) Ridehailing Bus Mögliche Ausprägung Chauffeur Fahrt Unternehmen > 8 km > 4 Wirtschaftsgüter BILD 1 Unterschiedliche Ausprägungen der Personenmobilität nach dem Urban Mobility Trait (UMT) ( share2drive) Die bislang in städtischen Mobilitätsdienstleistungen genutzten (Elektro-) Fahrzeuge erfüllen nur bedingt ihren Einsatzzweck, da sie originär auf eine Endkundennutzung ausgelegt sind. Dabei werden von den Flottenbetreibern nur geringfügige Modifikationen, insbesondere im Bereich der Zugangsmöglichkeiten, an den Fahrzeugen selbst vorgenommen. Im Zuge der Verwendung in einem urbanen, geteilten Mobilitätskonzept rücken jedoch spezielle Anforderungen der Betreiber sowie der Fahrzeugnutzer vermehrt in den Fokus. Gleichzeitig müssen Fahrzeuge in neuen Mobilitätsdienstleistungen als Rolling Device in einer multimodalen Welt verstanden werden. Folglich gilt es, dass Anforderungsprofil eines perfekten Sharing-Fahrzeugs nicht wie sonst üblich über eine konventionelle Kundenanalyse, sondern aus dem Mobilitätskonzept sowie einem Geschäftsmodell zu entwickeln. In BILD 3 wird der Prozess der Lastenhefterstellung des PPV 1.0 dargestellt. Anforderungen aus dem Carsharing- Betrieb sind in gemeinsamer Forschung der FH Aachen und Cambio Aachen sowie aus Veröffentlichungen des Bundesverbands CarSharing e. V. entstanden [3]. BILD 2 Kundenspezifische Auswahlkriterien für spezifische, urbane Mobilität ( share2drive) Zeit zur Zielerreichung OEMs rücken [1]. In diversen Studien wird prognostiziert, dass bis % und mehr der Fahrzeuge weltweit in Mobilitätsdiensten genutzt werden [2]. Der Wettlauf um Fahrzeugmodelle für diesen Sektor hat begonnen. Gemäß dem UMT gilt es klar zu differenzieren, ob sogenannte Purpose Vehicles im Sinne Sharing a Vehicle oder in der Bedeutung von Sharing a Ride sowie Driver on Board oder Be the Driver konzipiert werden. Lediglich Fahrzeugkonzepte, die einer soliden Marktdurchdringung bei gleichzeitig attraktiver TCR-Betrachtung (Total Cost for Ride) entsprechen, sind marktfähig. Für ein neues Fahrzeugkonzept bedeutet dies, dass alle kostenverursachenden Faktoren, unter anderem für die Fahrzeuge, deren Wartung, die Infrastruktur- und IKT-Aufwendungen sowie den Betrieb, erfasst und analysiert werden müssen. Diese Kosten müssen sich in einem wirtschaftlichen Geschäftsmodell 20 Einfachheit und Komfort Kosten für Transport abbilden, und es gilt, den Einfluss der Fahrzeugkonstruktion für jeden genannten Faktor zu berücksichtigen. Entsprechend dieser Vorgehensweise wird in dieser Veröffentlichung ein Ausblick auf die zukünftige Fahrzeugklasse der PPV als Schnittstelle zwischen öffentlichem und individualem Verkehr gegeben. ANFORDERUNGEN AN DEDIZIERTE SHARING-KLEINSTFAHRZEUGE KONZEPTION DES PPV 1.0 Übergeordnetes Ziel der PPV-Konzeption ist es, ein realistisches Fahrzeug zu entwickeln, das nicht dem aktuellen Trend schwereloser Showcars folgt, sondern sich als eine zeitnahe Antwort auf Shared-Mobility-Anforderungen der Zukunft versteht. Das für den PPV 1.0 erstellte Fahrzeuglastenheft adressiert eine europäische Homologation. Der Entwicklungsprozess folgt im Package- Engineering der ECIE-Norm. Während der Konzeptentwicklung wird zusätzlich in Hardware eine modulare, leicht änderbare Innenraum-Sitzkiste für die Verifizierung der anspruchsvollen Innenraumvorgaben verwendet. Die Absicherung der funktionalen Ziele (zum Beispiel für den Crashfall) erfolgt durch entsprechende FEM-Simulationen mit LS-Dyna. MASS- UND AUFBAUKONZEPT Die größte Herausforderung stellt sich durch die Mobilitätsvorgabe, ein Fahrzeug in der M1-Klasse zu konzipieren, das nur eine Länge von < 2,5 m (Quereinparken erlaubt) und eine Breite von circa 1,7 m haben darf. Gleichzeitig müssen, um 95 % aller denkbaren Fahrten zu bedienen, drei Personen im PPV 1.0 Platz finden. Die Vorgabe, dass der Innenraum ein freundliches, großzügiges Innenraumangebot bieten soll, verschärft die Konzeption zusätzlich. Das PPV schafft diesen Package-Spagat mit einem One-Box-Design mit Dreier- Sitzbelegung (1+2-Sitzer) in einer Reihe. Der Antriebsstrang wird hochintegrativ und package-effizient mit der Boden-

21 Anforderungen aus dem Carsharing-Mobilitätskonzept Breite Zielgruppen (18-40 Jährige besonders im Fokus) Hoher Wiedererkennungswert Modern, nicht verspielt, Vermittlung von Sicherheit 80 % Singlefahrten 95 % Fahrten mit max. 3 Personen 86 % Nutzung zum Transport von Einkäufen Minimale Parkplatzbewirtschaftung (Quereinparken) Sehr breite Fahrerpopulation Sehr einfache Bedienung Abbau von Hemmnissen und Barrieren ca. 50 % sind Wenigfahrer (Nutzung 1-5 mal/monat) Schaffung einer schnellen Wohlfühlatmosphäre Intensive Kommunikation (Betreiber, User, Infrastruktur, PPV) 10 Nutzerwechsel pro Tag pro Fahrzeug Stiefmütterlicher Umgang mit den Fahrzeugen Häufigste Unfälle sind leichte Schäden beim Einparken Hohe Stadtagilität Höchste urbane Fahrzeugsicherheit Nicht teurer als ein konventionelles Fahrzeug, trotz E-Antrieb Kabelloses Laden max. 80 km pro Tag & 10 User pro Tag & 24/7- Verfügbarkeit Anforderungen an das PPV Eigenständiges, klares Design Freundlicher Auftritt 3-Sitzer (1 + 2) auf 2,5 m Länge Variabler Nutzungsraum (u. a. für Kinderwagen, Fahrrad) Hohe Parkplatzpackungsdichte Komfortabler Ein-und Ausstieg (Parken) Ergonomie für Jedermann Super Single to Use und intuitive IT-HMI Keine Ablenkung durch Fahrzeugbedienung Hohes Maß an Personalisierung Einbindung des PPV in die Cloud Großzügiger, luftiger Innenraum Integriertes Reinigungskonzept Robust Bagatelleschadenfreundlich Wendekreis < 8 m; hohe Leistung bis 80 km/h Höchste passive und aktive Sicherheit <0,60 /km (Berlin) Integriertes Geschäftsmodell Investitionsfreundliche Produktion BILD 3 Ableitung der Fahrzeuganforderungen aus den Mobilitäts- und Geschäftsmodellbedürfnissen ( share2drive FH Aachen) BILD 4 Ausgewählte Assoziationswelten (mit englischen Fachbegriffen) in der Designentwicklung des PPV 1.0 ( FH Aachen) gruppe abgestimmt. Ein neuartiges Rohbaukonzept erlaubt eine weit nach vorne platzierte Windschutzscheibe. Ein wichtiges Konzeptmerkmal ist hierfür die zurückversetzte A-Säule sowie sehr große Glasflächen. Ein weiterer Bestandteil des Aufbaukonzepts stellt die Fahrertür dar. Ein neuartiges Schwenk-Schiebetür-Konzept gewährleistet eine Best-in-Class-Türöffnung selbst in engen Parklücken, ohne dabei im geöffneten Zustand über das sehr kurze Fahrzeug hinauszuragen. DESIGNKONZEPT FÜR EXTERIEUR UND INTERIEUR Vor der eigentlichen Designentwicklung wurde in einer interdisziplinären Entwicklungsgruppe eine Design-DNA des PPV 1.0 definiert. Unter dem Begriff What kind of animal? wurden urbane Assoziationswelten geschaffen, BILD 4. Für diese sehr unterschiedlichen urbanen Welten wurden circa 250 Design entwürfe entwickelt, diese auf zwei grundsätzlich unterschiedliche Konzepte des bevorzugten Assoziationsraums verdichtet und zur finalen Konzeptentscheidung geführt. Ab der Konzeptentscheidung folgte die Designentwicklung in einem typischen digitalen CAS-Prozess (Computer-aided Styling). Die anvisierte Design-DNA konnte im finalen Design umgesetzt werden. Zusammengefasst lässt sich der PPV als der kleinste Selbstfahrerbus der Welt bezeichnen. Das Interieurkonzept unterscheidet sich in der Designsprache deutlich vom Exterieur und nimmt sehr stark die reduzierte Kommunikations-DNA aus dem Busbau und der IT-Welt auf. Konsequent hat man beim PPV 1.0 die Anzahl aller Bedienelemente auf ein absolutes Minimum reduziert und die intuitive Bedienung in den Vordergrund gestellt. Der Fahrerplatz zeichnet sich durch ein modernes, digitales HMI aus. Das Klimatisierungskonzept orientiert sich eher an der Denkweise urbaner Räume und nicht am klassischen Fahrzeugbau. Ein TCRoptimiertes Reinigungskonzept des Innenraums, sinnvolle Variabilitäten durch die Zweier-Sitzbank, Weglassen verdreckender Fugen, Oberflächen aus dem Bootsbau, ein Sprühboden aus dem Schienenfahrzeugbau sowie der konsequente Wegfall überflüssiger Ablageflächen charakterisieren den Innenraum als echten Carsharing-Nutzraum. ATZ Jahrgang 21

22 TITELTHEMA MOBILITÄT BILD 5 Crashabsicherung des PPV für den EU-Markt und für zusätzliche urbane Unfallszenarien ( Imperia) ANTRIEBSKONZEPT Das Antriebskonzept des PPV 1.0 setzt im Wesentlichen auf die Komposition von sehr gutem Stand der Technik für ein elektrisch betriebenes, urbanes Stadtfahrzeug in 400-V-Technik. Die technischen Daten sind mit 45 kw Antriebsleistung in der Front, einer maximal Geschwindigkeit von 120 km/h, einem Batteriepack von knapp 20 kw/h sehr konkurrenzfähig. Die Reichweite liegt selbst unter extremen Bedingungen bei 80 km und ist auf einen speziell entwickelten Carsharing-Zyklus verifiziert. Gemäß dem Geschäftsmodell der share2drive werden damit die täglich geforderten circa 2 h Betrieb zuverlässig erreicht. Die Sicherstellung der kabellosen Ladevorgänge ist im sogenannten Flex Share der share2drive gewährleistet. Die Konzeptentscheidung einer Tandem-Elektromotor- Anordnung mit zwei, im Durchmesser kleinen elektrischen Maschinen im Vorderwagen beruht auf den Vorteilen in der Crashauslegung sowie dem Anspruch, ein agiles Stadtfahrzeug zu liefern. liegt bei der Konzeptentwicklung vor allem in der Auslegung der Frontalcrash- Anforderungen. Der sehr kurze Vorderwagen zwingt die Entwicklung in eine radikale Strukturauslegung mit vier Lastpfadebenen und sehr kontrolliertem Deformationsverhalten. Bei einer Gesamtverformung von circa 350 mm wird ein mittlerer Crashimpuls von 31 g bei circa 60 mm Spritzwandeindringung erreicht. Beim Seitenaufprall werden die Deformationen von der zentral angeordneten Batteriestruktur ferngehalten. Für den Dacheindrücktest gemäß FMVSS 216 wird die Crashfestigkeit mit knapp 60 kn erfüllt. ROHBAU- UND PRODUKTIONSKONZEPT Beim Rohbau handelt es sich um den sogenannten FlexBody, einen Karosseriebaukasten, der den Bau von profillastigen Leichtbaukarosserien in Mischbauweise für Fahrzeugprojekte mit weniger als Fahrzeugen pro Jahr ermöglicht. Durch einen standardisierten Prozess sowie die stringente Aufteilung der Profile und Knoten können mit dem FlexBody Karosseriestrukturen in sehr kurzer Zeit entwickelt und für die Produktion vorbereitet werden, BILD 6. Der größte Vorteil liegt in den sehr geringen SICHERHEITSKONZEPT Neben einer Vielzahl an Maßnahmen zur Unfallvermeidung zeichnet sich der PPV 1.0 durch eine hohe Crashsicherheit aus, BILD 5. Die besondere Herausforderung 22 BILD 6 Strukturkonzept FlexBody als Multi-Material-Leichtbaukarosserie ( Imperia)

23 Inves titionen. Beim FlexBody des PPV 1.0 werden in der Bodengruppe vorrangig Bauweisen mit stahlintensiven, hochund höchstfesten Werkstoffen eingesetzt. Im Vorderwagen und im Aufbau dominieren vorrangig Aluminiumlösungen. Ein sogenannter Ladder-integrated Frame nimmt die zentral angeordnete Batterie schützend auf. Die statische Torsionssteifigkeit der 140 kg schweren Karosserie ist mit einer Leichtbaugüte von circa 3 auf hohem Niveau. Die Fertigung des Rohbaus erfolgt in sogenannten Innofix Singleshot Fixtures und ist auf den Einsatz eines neuentwickelten Injektionsklebverfahrens ausgelegt. Die Fertigung der jährlich 7000 geplanten PPVs erfolgt in Zweischichtbetrieb. Test Systems for a Clean and Safe Environment AUSBLICK UND PPV 2.0 Die Marktentwicklung zu neuen Mobilitätslösungen bietet ein interessantes Potenzial für Konzepte, bei denen Mobi litätsbedürfnisse, neue Geschäftsmodelle und der Fahrzeugbau zusammenwachsen. Die hohe Resonanz auf den PPV 1.0, der als spezielle Fahrzeuglösung eine Antwort auf zukünftige Mobilitätsbedürfnisse in einer Shared Economy bis 2020 bietet, hat bereits den PPV 2.0 ins Leben gerufen. Im klassischen Fahrzeugbau punktet die rasant fortschreitende Entwicklung des autonomen Fahrens mit den Kundenvorteilen Komfort und Sicherheit. In einer Shared-Mobility-Welt verstehen sich autonome Fahrfunktionen weit darüber hinaus, quasi als Enabler in einer Welt des Stadtmöblierens und der logistischen Beherrschung von Bedürfnissen der Mobilität von Menschen.... the Road in Your Lab Pioneering Test Systems for Road Drive Simulations LITERATURHINWEISE [1] Kaas, H.-W.; et al.: Automotive Revolution Perspective Towards How the Convergence of Disruptive Technology-Driven Trends Could Transform the Auto Industry. McKinsey & Company, 2017 [2] McKinsey & Company: Carsharing & Co.: 2030 über zwei Billionen Dollar Umsatzpotenzial. Pressemitteilung vom [3] Anthrakidis, A.; Jahn, R.; Ritz, T.; et al.: Urbanes ecarsharing in einer vernetzten Welt. Steinbeis-Edition, 2013 READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: MAHA-AIP designs and manufactures individual test systems for development and manufacturing centers, most vehicle OEM s and their tier suppliers as well as testing institutions, locally and globally. MAHA-AIP GmbH & Co. KG Germany aip@maha.de MAHA-AIP GmbH & Co. KG under new Flag After separation from MAHA Maschinenbau Haldenwang GmbH und Co. KG, AIP belongs to the APL Group (Landau / Pfalz) since ATZ Jahrgang 23 Testing Technology for R & D Emission Measurement Systems Real Drive Emission Chassis Dynos (Twin Roll) Chassis Dynos (Single Roll) Flat Track Systems Hydraulic Shaker Test Stands Windtunnel balance Powertrain Test Benches Test Bench Automation Driving Robot Vehicle Cooling Fan

24 TITELTHEMA INTERVIEW Frank Eppler Auch digitale Dienste brauchen kognitive Intelligenz Die Mobilität der Zukunft wird durch Carsharing, neue Fahrzeugmodelle und neue Dienstleistungen geprägt sein. Im Interview mit dem Experten für neue Mobilitätsdienste, Stefan Schumacher, Director Business Development bei IBM, diskutiert die ATZ, welche Trends der Digitalisierung aufs Auto übergehen, warum es bei personalisierten Empfehlungen auf den richtigen Zeitpunkt ankommt und wie die Zusammenarbeit zwischen IBM und Volkswagen bei der Entwicklung digitaler Mobilitätsdienste aussieht. ATZ _ Ihr Unternehmen spricht derzeit von vier Säulen der Digitalisierung in der Auto mobilindustrie. Was sind die globalen Trends dort genau? SCHUMACHER _ Wir sehen für die Automobilbranche vier Trends am Horizont. Das ist einmal das Thema Connected. 24 Gemeint ist damit die Tendenz in der Automobilindustrie, vernetzte digitale Services und Produkte zu entwickeln und an den Markt zu bringen. Das ist für die Fahrzeughersteller etwas vollkommen Neues, ein Feld, auf dem sie traditionell noch nicht unterwegs waren. Das bedeutet, es müssen Veränderungen her, neue Kompetenzen bei den Mitarbeitern auf gebaut werden, aber auch neue Prozesse installiert werden. Die Autoindustrie muss sich dabei mit neuen Wettbewerbern aus der Digitalindustrie messen und sucht deshalb nach neuen starken Partnern so wie uns.

25 Was ist die zweite Säule der Digitalisierung? Die Nummer zwei ist das autonome Fahren. Ein mächtiger Trend, der die Entwicklung vollkommen neuer Fahrzeugfunktionen erfordert. Dazu müssen die Assistenzsysteme von heute weiter ertüchtigt werden. Teilweise werden in diesem Zusammenhang auch vollkommen neue Fahrzeuggattungen entwickelt: Robotaxis und People Mover etwa bewegen derzeit die Branche besonders stark. Wir als IBM sind zum Beispiel mit Olli von Local Motors unterwegs, den die Deutsche Bahn gerade für Bahnhöfe und Fußgängerzonen erprobt hat. Olli ist ein selbstfahrender Minivan. Wir ergänzen die autonome Fahrtechnik durch künstliche Intelligenz, unseren Watson, für die Konversation der Insassen mit Olli. Watson ist Teil einer neuen Klasse von mitdenkenden kognitiven Computersystemen. Was sind die dritte und vierte Säule der digitalen Mobilität aus Ihrer Sicht? Der dritte Trend ist die Shared Economy. Es gibt neue Eigentums- und Geschäftsmodelle. Das Carsharing ist das klassische und schon etablierte Beispiel dafür, dass Mobilität heute anders angeboten wird. Car2go von Daimler nutzt unsere IBM Cloud. Wir stellen die IT-Infrastruktur für die Entwicklung und den Betrieb der Applikationen zur Verfügung. Dennoch sind wir kein Carsharing-Anbieter. Wir verstehen uns vielmehr als kompetenter Partner auf der Digitalisierungsseite. Der vierte Trend ist die Elektromobilität mit neuer Antriebstechnik und komplett neuen E-Fahrzeugen. Diese Elektroantriebe benötigen einen hohen Grad an Vernetzung, etwa wenn es um die Suche nach E-Ladesäulen oder die Unterstützung eines effizienteren Fahrens geht. Auch diese Dienste brauchen kognitive Intelligenz, wie sie in unserem System Watson steckt. Das Thema Digitalisierung treibt die OEMs stark um Wie kommt der OEM auf das Smartphone des Fahrers? Das Thema Digitalisierung treibt die OEMs gerade stark um, insbesondere wenn es darum geht, was die Autohersteller dem Kunden neben dem Autokauf noch anbieten können. Es stellt sich dann sehr schnell die Frage, wie die Fahrzeugindustrie mit welchen Diensten den Kunden digital erreichen kann. Da bietet sich als Kanal natürlich zunächst das Smartphone an es ist heute allgegenwärtig. Wichtig für den OEM ist aber vor allem auch die Headunit im Fahrzeug. Hinzu kommen natürlich noch Smart Watches und andere Devices. Wichtig ist, dass die Kunden eine nahtlose User Experience über alle digitalen Kanäle erfahren. Echte Mehrwert-Services sind hier gefragt, die über Plattformen entwickelt werden, und nicht, wie früher, in isolierten Einzelprojekten. Nur so können Skalierungseffekte genutzt werden. Weitere Fragen müssen dabei geklärt und von Fall zu Fall durchaus unterschiedlich beantwortet werden: Mache ich das im eigenen Rechenzentrum oder in der Cloud? Welches Geschäftsmodell bietet sich an? Ist meine App kostenlos oder zahlt der Kunde dafür? Einmalig oder pro Monat? Die Varianten sind vielfältig. Das muss sich kontinuierlich weiterentwickeln, ein One Shot zum neuen Fahrzeugmodell reicht nicht, ist nicht nachhaltig. Und es wird ein Ökosystem mit unterschiedlichen Partnern benötigt. Wie soll ein Fahrzeugbauer die IT- und die digitale Serviceweltintern entwickeln und fachlich gut beherrschen? Braucht er Partner dafür? Das kann ein OEM nicht alles in seinem Haus alleine machen. Hier ist eine Zusammenarbeit der Besten aus beiden Welten, Fahrzeug und IT, und darüber hinaus aus dem ganzen Ökosystem gefragt. Volkswagen zum Beispiel, mit denen wir ja auf der IAA eine Zusammenarbeit angekündigt haben, baut mit uns so eine Partnerschaft gerade auf. Die Wolfsburger möchten mit einer eigenen Lösung ihre digitalen Geschäftsmodelle schnell auf den Markt bringen, denn die Zeit drängt. Alle wollen die ersten sein und etwas Besonderes anbieten. Dazu sind aber nicht nur Investitionen, sondern auch Netzwerke von Experten notwendig. Frank Eppler Dipl.-Ing. Stefan Schumacher (Jahrgang 1963) beschäftigt sich bei der IBM seit 2007 als Director Global Automotive mit den neuesten Entwicklungen in der Automobilindustrie seit 2012 mit weltweiter Verantwortung für die Themen Connected Car und Mobility Services. Nach einem Maschinenbaustudium 1988 begann er seine Laufbahn im CAD/CAM-Bereich gefolgt von einer selbständigen Beratungsfirma (ab 1990) und einer Tätigkeit (ab 1994) bei Ubis Business Consultancy. Im Jahr 2001 wechselte er als Principal für strategische Beratung zur IBM, um sich in Großkundenprojekten der Transformation von IT-Geschäftsprozessen zu widmen. Mit seinem Hintergrund aus Consulting und Business Development arbeitet er heute an der Entwicklung neuer digitaler Geschäftsmodelle und Ökosysteme in der Automobilindustrie. Aktuell ist er maßgeblich an Aufbau und Umsetzung der Partnerschaft von IBM und Volkswagen für personalisierte digitale Dienste beteiligt. ATZ Jahrgang 25

26 TITELTHEMA INTERVIEW Was sind die Vorteile der angekündigten Partnerschaft mit Volkswagen? Die Kooperation ist zunächst auf fünf Jahre ausgelegt. VW hat auf der IAA sein eigenes Ökosystem für Mobilität namens We vorgestellt, ein konzertiertes Gesamtkonzept für mobile Dienstleistungen. Wir arbeiten mit Volkswagen an We Commerce. Das haben wir gemeinsam initiiert und werden es jetzt auch gemeinsam vorantreiben. Dabei bringen wir als IBM unsere Expertise ein, digitale Produkte sowohl schnell nach neuesten agilen Methoden zu gestalten und zu entwickeln, als auch die Fähigkeit zu haben, diese dann zu skalieren und in weltweite Märkte auszurollen alles basierend auf der neuesten Cloud-Technologie. Bei We Commerce geht es um einen Online-Einkauf-Service? Ich würde es nicht Einkauf nennen. Wir wollen personalisierte digitale Services anbieten, die deshalb besonders attraktiv sind, weil sie genau auf den Kunden zugeschnitten sind. Das genau ist bei We Commerce der Fall. Wir nennen das persönliche Empfehlungen. Der Fahrer bekommt situationsbezogene Hinweise während der Fahrt oder rund um die Fahrt angeboten, zu denen Kaufvorschläge, aber auch Fahr- oder Handlungsempfehlungen und vieles mehr gehören können. Volkswagen möchte, dass die Zeit, die man täglich im Auto verbringt, und das sind immerhin Wir wissen, dass vor der Waschanlage keine Warteschlange ist 90 min im Durchschnitt für den Pendler, sinnvoller genutzt werden kann. Es geht um das Thema Convenience, also Dinge des Alltags einfacher zu erledigen, damit mehr Zeit für das Wesentliche bleibt. Und dazu gehört auch das Einkaufen. Bisher ist das Auto ein digitaler weißer Fleck, weil Sie das Handy nicht nutzen dürfen und entsprechende Angebote auf der Headunit nicht existieren. Wenn man dann noch bedenkt, dass zwei Drittel der Autofahrten mit dem Einkaufen zusammenhängen, sieht man die hohe Relevanz dieses neuen Geschäftsmodells. Das Fahrzeug wird somit zur rollenden E-Commerce-Plattform fürs 26 Frank Eppler Bisher ist das Auto ein digitaler weißer Fleck, weil der Fahrer das Handy nicht nutzen darf, und entsprechende Angebote auf der Headunit nicht existieren, stellt Stefan Schumacher (rechts) im Gespräch mit Michael Reichenbach, dem stellvertretenden Chefredakteur ATZ, fest, um den Onlineeinkauf auch im Pkw mit praktischen Empfehlungen zu ermöglichen Tanken, die Hotelübernachtung, den Lebensmittel-Einkauf, den Restaurantbesuch oder die Reinigung. Wie muss man das sich praktisch vorstellen? Das Szenario wäre: Ein Geschäftsmann war drei Tage im Dauerregen unterwegs, ist jeden Tag 500 km gefahren und sollte nun unbedingt tanken. Es ist Freitagabend, das Wochenende soll schön werden, er ist noch 20 km von zuhause entfernt. Dann werden wir ihn fragen: Hast Du Interesse daran, Dein Fahrzeug zu betanken und Deinem Fahrzeug eine kostengünstige Autowäsche zu gönnen und by the way: Wir wissen, dass vor der Waschanlage gerade keine Warteschlange ist. Dies wäre ein typisches Beispiel dafür, wie wir dem Kunden ein persönliches und besonders interessantes Angebot machen können. Werbung mag der Fahrer zwar nicht, aber hier: Das hat einen echten Nutzen. Und unser System lernt dabei. Wurde der Vorschlag einige Male abgelehnt, so werden wir das nicht wiederholen. Diesen schmalen Grat der Akzeptanz nutzen wir. Das System wächst permanent, es lernt jeden Tag dazu. In wie weit spielen Daten dabei eine Rolle? Wir bringen das Ökosystem in den sogenannten Touchpoints zusammen, das sind Apps, Headunits oder eine Anwendung auf dem Laptop. Möglich wird dies durch eine kognitive Plattform, die den Bedarf des Fahrers anhand von Daten zu der aktuellen Umgebung und Situation, der Sensorik im Pkw, wie etwa dem Füllstand des Benzintanks, und der Geodaten erkennt. Dabei spielen beispielsweise Wetter und Verkehrslage eine wichtige Rolle. Wir erlernen die täglichen Gewohnheiten und Vorlieben eines Kunden, um ihm die bestmögliche Empfehlung zum optimalen Zeitpunkt zu geben. Das kognitive System lernt dabei ständig dazu: Hat der Fahrer das Angebot angenommen? In welcher Situation hat er ein Angebot akzeptiert oder auch nicht. Watson erschließt sich nach und nach die Präferenzen. Entscheidend ist dann der genaue und relevante Vorschlag am richtigen Ort, zur richtigen Zeit und mit dem richtigen Produkt. Wenn das genau passt, dann nimmt der Fahrer sicher gern das Angebot an, denn er spart Zeit und Geld und macht sein Leben angenehmer. Herr Schumacher, ich bedanke mich für das interessante Gespräch. Mehr vom Interview können Sie im Onlineportal der ATZ unter lesen. INTERVIEW: Michael Reichenbach

27 JETZT EINREICHEN Vortragsaufruf! Das führende Forum der Branche! ZVO-Oberflächentage 2018: Reichen Sie Ihre Vortragsvorschläge bis 31. Januar 2018 ein U N D A N M EL D E N! Salzsprühtest und mögliche Alternativen: Quo vadis? Über 10 Jahre REACH: Folgen und Ergebnisse Beschichtungen auf Basis Chromtrioxid nach dem Sunset-Date: Status der Autorisierungen und Beschichtungs-Alternativen Oberflächentechnik für Energiespeicher- und -umwandlung Innovative Oberflächentechnik im Leichtbau Der Fachkongress für Oberflächentechnik. Für mehr Informationen rund um das Thema Oberflächentage scannen Sie bitte folgenden QR-Code oder kontaktieren Sie uns direkt. Direktkontakt Tel.: Fax: service@zvo.org ATZ Jahrgang 27

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29 Valeo Automatisiertes Fahren und seine Sensorik im Test Insgesamt mehr als km absolvierten die Cruise4U-Versuchsfahrzeuge bislang auf Testfahrten in Europa und den USA mit ihren Assistenzsystemen. Valeo zeigt mit den Messergebnissen, dass 99 % der Autobahnabschnitte eines Testwagens im automatisierten Modus absolviert wurden. Der Fahrer konnte also seine Hände vom Lenkrad lassen, während das Fahrzeug Längs- und Querführung übernahm. AUTOREN Dipl.-Ing. Jörg Schrepfer ist Leiter Fahrerassistenzforschung Deutschland bei Valeo in Kronach. Dipl.-Ing. (BA) Joachim Mathes ist Leiter Entwicklung und Produktmarketing für Fahrerassistenz bei Valeo in Bietigheim-Bissingen. Vanessa Picron, M. Sc. ist Leiterin der Fahrerassistenzforschung bei Valeo in Bobigny (Frankreich). Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Harald Barth ist Produktmarketing-Manager für Fahrerassistenz bei Valeo in Bietigheim-Bissingen. ATZ Jahrgang 29

30 TITELTHEMA MOBILITÄT Frankreich-Tour USA-Tour 24 h auf dem Pariser Boulevard Périphérique Europa-Tour November km August km September Umrundungen November km BILD 1 Cruise4U-Testfahrten zum automatisierten Fahren in Frankreich, den USA und Europa in 2015 und 2016 ( Valeo) MEHR ALS TESTKILOMETER Kreuz und quer durch Europa, bei Regen, bei Tag und bei Nacht, ob im englischen Linksverkehr oder auf unlimitierten deutschen Autobahnen: Insgesamt mehr als km absolvierten die Cruise4U-Versuchsfahrzeuge von Valeo bislang auf Test fahrten in Europa und den USA, BILD 1. Die technisch massiv aufgerüsteten Fahrzeuge legten fast die gesamte Strecke ohne Zutun des Fahrers zurück. Dabei wurden unter realen Bedingungen Aufgaben wie Fahren im Stau oder auf der Autobahn abgeprüft. Durch das Zusammenspiel von Laserscanner, Kameras und Radar sowie der intelligenten Software überwachten die Valeo-Fahrzeuge dabei permanent den Verkehr und reagierten in Echtzeit auf sich verändernde Situationen. Nach der Cruise4U-Tour in den USA und eine m 24-h-Test auf dem Boulevard Périphérique um Paris konnte das System auch bei einer Europa-Rundfahrt seine Fähigkeiten unter Beweis stellen [1]. Die stolze Bilanz: 99 % der Autobahnabschnitte absolvierte ein Testwagen im automatisierten Modus, das heißt, der Fahrer konnte seine Hände vom Lenkrad lassen, während das Fahrzeug Längsund Querführung übernahm. DER TRAUM AUTOMATISIERT AUF DER STRASSE FAHREN Automatisiertes Fahren eröffnet neue Perspektiven in der Mobilität und ist damit derzeit einer der Schwerpunkte bei der Entwicklung zukünftiger Fahrzeuge. Neue Technologien werden implementiert, um den erforderlichen Grad an Systemintegrität und Leistung zu gewährleisten. Die Entwicklung startete bereits vor vielen Jahren, etwa mit dem Erscheinen der ersten Geschwindigkeitsregelung und erster Abstandsregelungssysteme vor über 15 Jahren. Danach kamen Spurhalteassistenten auf den Markt, Z Z Z Betriebsentwicklungsbereich N. N. Mit Einschränkung Ohne Einschränkung Rückfallebene dynamische Fahraufgabe N. N. Nutzer ist übernahmebereit System Erkennung und Antwort auf Objekte und Ereignisse Fahrer überwacht permanent System Dynamische Fahraufgabe Fahrer System 0 Keine 1 Unterstützung 2 Teilweise 3 Bedingte 4 Hochautomatisierung 5 Automatisierung des Fahrers Automatisierung Automatisierung Vollautomatisierung BILD 2 Stufen 0 bis 5 der Automatisierung nach SAE J3016 ( Valeo) 30

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32 NUTZEN SIE IHREN FACHBEITRAG und platzieren Sie Ihre Themen bei den relevanten Zielgruppen! TITELTHEMA MOBILITÄT BILD 3 Scala-Laserscanner mit Lidar-Technik für große Genauigkeit und hohe Auflösung ( Valeo) WIR GESTALTEN FÜR SIE SONDERAUSGABEN PRINT ODER DIGITAL: für Ihre Messekommunikation Ihre Firmenevents Ihre Kundenkommunikation Ihre Produkteinführung Ihr Jubiläum UNSER SERVICE: Beratung und Planung Ihrer individuellen Ausgabe Redaktionelle Bearbeitung Ihres Content Projektdurchführung Druck und Distribution Sprechen Sie uns an! Kontakt: ATZextra Redaktion Markus Bereszewski Telefon: markus.bereszewski@springer.com zunächst noch rein warnend, inzwischen auch aktiv steuernd. Mittlerweile bieten einige Automobilhersteller Fahrzeugmodelle mit kombinierter Längsund Querregelung an, die nach der SAE-Definition als Stufe-2-Systeme eingestuft werden können, BILD 2. Den nächsten Schritt möchte Audi mit der neu vorgestellten Oberklasselimousine A8 gehen. Dieses Auto soll sobald die rechtlichen Rahmenbedingungen es erlauben einen Staupiloten der Stufe 3 aufweisen. Dies bedeutet, dass der Fahrer im automatisierten Fahrmodus erstmals seine Aufmerksamkeit vom Fahrgeschehen abwenden darf. Ein kleiner Schritt für den Fahrer, aber ein großer Schritt für die Technik dahinter. Für die Automobilhersteller stellt der Übergang von Stufe 2 zu Stufe 3 tatsächlich eine große Herausforderung dar. Laut Definition muss der Fahrer in der Lage sein, nach einer Übernahmeaufforderung innerhalb weniger Sekunden die Kontrolle über das Fahrzeug wieder zu übernehmen. Doch bereits das stellt hohe Anforderungen an die Umfelderfassung sowie die gesamte Systemarchitektur im Fahrzeug. Auch sollte das System in der Lage sein, das Fahrzeug zumindest zu einem kontrollierten Halt zu bringen, falls der Fahrer aus welchem Grund auch immer das Lenkrad nicht wieder übernimmt; auch wenn dies in der Definition nicht explizit gefordert wird. Ein solcher Fahrzeughalt muss auch bei Ausfall einzelner Systemkomponenten gewährleistet sein. 32 Um dies sicherzustellen, ist es erforderlich, alle Teilsysteme von den Sen soren über die Hard- und Software der Steuergeräte bis hin zu den Aktuatoren wie Bremse und Lenkung redundant auszulegen. Das bedeutet nicht, dass alle mechanischen Komponenten (zum Beispiel die Lenkung) doppelt vorhanden sein müssen. Es muss aber gewährleistet sein, dass auch beim Ausfall der Primärlenkung ein gewisses Lenkmoment aufgebracht werden kann, etwa in dem einzelne Räder gezielt abgebremst werden. Hervorzuheben ist die Notwendigkeit einer redundanten Stromversorgung und Vernetzung für einzelne Teilsysteme, da diese tatsächlich durch Dopplung physikalischer Komponenten wie Batterie und Kabel erreicht werden muss. Die Entwicklungsprozesse und vor allem die Erprobung und Validierung sind entsprechend umfangreich. Computersimulationen und Prüfstandtests werden durch Millionen von Testkilometern im realen Verkehr ergänzt. Die aufgezeichnete Datenmenge pro Tag und Testfahrzeug summiert sich schnell auf mehrere Terabytes. Für km addieren sich die zu verarbeitenden Daten auf mehrere Dutzend Petabytes; was in etwa der Datenmenge von 50 Jahren Full-HD- Video entspricht. Diese Daten müssen übertragen, gespeichert, sortiert und vor allem annotiert werden. Dies stellt vollkommen neue Herausforderungen an die beteiligten Entwicklungsbereiche. Neben Hightech und umfangreicher Erprobung stellt das automatisierte Fah-

33 Ultraschall Kamera Radar Laserscanner BILD 4 Redundante Sensorkokons aus Kamera-, Laser scanner-, Radar- und Ultraschallsensor-Schichten ( Valeo) ren auch neue Anforderungen an die Gesetzgebung. Deutschland hat seit Kurzem als erstes Land die im Jahr 2016 erfolgte Ergänzung des Wiener Übereinkommens über den Straßenverkehr in nationales Recht umgesetzt, und erlaubt nun unter bestimmten Voraussetzungen das In-den-Verkehr-Bringen von Fahrfunktionen der Stufe 3. Es fehlt derzeit allerdings noch an den entsprechenden Zulassungsvorschriften auf internationaler Ebene. Wie bereits erwähnt, wird der neue Audi A8 das erste Serienfahrzeug mit einem hochautomatisierten Staupiloten Von Mobilitätskonzept bis Machine-Learning Wir entwickeln, was bewegt. ATZ Jahrgang 33

34 TITELTHEMA MOBILITÄT Kamera Laserscanner Radar Ultraschall Fusion Blickfeld Messbereich, Reichweite Geschwindigkeitsauflösung Radiale Auflösung Betrieb unter schlechten Witterungsbedingungen Betrieb bei Nacht, Störung durch Umgebungslicht Objektklassifizierung, Semantische Information BILD 5 Gegenüberstellung verschiedener Sensortechnologien ( Valeo) sein. Andere Hersteller haben bereits angekündigt nachzuziehen und im Laufe der nächsten drei bis vier Jahre eigene Systeme der Stufe 3 und Stufe 4 auf den Markt zu bringen. Bis dahin sollen auch Systeme serienreif sein, die auf der Autobahn Geschwindigkeiten von bis zu 130 km/h erlauben. Während die Automatisierung im Privatwagen zunächst auf Autobahnen oder autobahnähnliche Straßen beschränkt ist, wird gleichzeitig auch an Lösungen zur vollständig fahrerlosen Mobilität für den städtischen Raum gearbeitet. Fahrerlose Shuttles oder People Mover wie vom französischen Unternehmen Navya [2], an dem Valeo beteiligt ist, sind bereits in der Erprobung. Und an sogenannten Roboter-Taxis arbeiten nicht nur New Mobility Player wie Uber, sondern auch die Mehrheit der etablierten Autohersteller. Derzeit ist hier immer noch ein Mitarbeiter zur Absicherung mit an Bord des Fahrzeugs, mit ersten tatsächlich fahrerlosen Erprobungsflotten wird zwischen 2020 und 2025 gerechnet. DIE TECHNIK ANFORDERUNGEN AN SENSORIK UND REDUNDANZ Für automatisierte Fahrfunktionen der Stufe 3 und höher, die es dem Fahrer erlauben, seine Aufmerksamkeit zumindest vorübergehend vom Fahrgeschehen abzuwenden, wird eine hohe Abdeckung und Redundanz in der Umfelderkennung benötigt. Die Sensorausstattung wird daher üblicherweise alle etablierten 34 Technologien wie Ultraschall, Radar und Kamera umfassen. Neu hinzu kommt die Lidar-Technik. Im Audi A8 wird daher erstmals auch der von Valeo neu entwickelte Scala-Laserscanner, BILD 3, zum Einsatz kommen, der mit seiner einzigartigen Kombination aus Reichweite und Blickwinkel bei gleichzeitig großer Genauigkeit und hoher Auflösung die vorhandenen Sensoren hervorragend ergänzt. Die Sensoren müssen dabei das gesamte Fahrzeugumfeld im Auge behalten. Dies führt in der Praxis zu mehreren, sich überlappenden und redundanten Sensorkokons. Die Frontsensoren (Kamera, Radar, Laserscanner) werden dabei ergänzt von einem Radarkokon aus vier Radarsensoren in den Fahrzeugecken, einem Kokon, der die vier Kameras des Umfeldkamerasystems nutzt, sowie den Ultraschallsensoren rund um das Fahrzeug. Erste Stufe-3- Systeme werden zunächst ohne die Funktion automatischer Spurwechsel auf den Markt kommen, da dies zusätzliche Anforderungen an die Überwachung des seitlichen und rückwärtigen Bereichs stellt. Die Ergänzung der Umfelderfassung durch einen Lidar-Kokon ist eine Möglichkeit, BILD 4. Valeo hat bereits einen Auftrag für einen solchen Kokon aus mehreren Laserscannern erhalten. Jede Sensortechnik hat die ihr eigenen physikalisch bedingten Vor- und Nachteile, die unter anderem von den Witterungsverhältnissen, der Beleuchtung sowie der gefahrenen Geschwindigkeit abhängig sind. Für eine redundante Systemauslegung ist es daher wichtig, dass nicht nur mehr, sondern vor allem unterschiedliche, sich in ihren Eigenschaften ergänzende Sensoren zum Einsatz kommen. In BILD 5 werden verschiedene Technologien einander gegenübergestellt. Es wird deutlich, dass zum einen der Laserscanner die bereits vorhandenen Sensoren gut ergänzt, und zum anderen nur der Verbund mehrerer, sich in ihren Schwächen gegenseitig ausgleichender Sensortechnologien, die sogenannte Sensorfusion [3], zum Ziel führt. Um in möglichst allen Fällen eine echte Redundanz zu erreichen, müssen immer mindestens zwei unterschiedliche Sensoren ein verwertbares Signal liefern. Daher wird für automatisierte Systeme oberhalb der Stufe 2 eine dreifache Sensorabdeckung für erforderlich gehalten, im Nahbereich durch Ultraschallsensoren ergänzt. DIE SIGNALVERARBEITUNG AUFBAU DER KETTE Der Aufbau des Cruise4U-Systems lässt sich grob in die in BILD 6 dargestellten Funktionsblöcke aufteilen. Die von den Sensoren gelieferten Rohdaten werden durch eine Reihe verschiedener Algorithmen aufbereitet und ausgewertet. Im Wesentlichen unterscheidet man hierbei zwischen Klassifikations- und Lokalisierungsverfahren. Während Klassifikationsverfahren Auskunft darüber geben, welcher Typ von Objekt sich an welcher Stelle befindet, bestimmen die Lokalisierungsverfahren die Lage von Datenpunk-

35 ten in der Realität, die durch die Objekte erzeugt werden. Kombiniert man beides, wird es möglich, Annahmen über die Position, Orientierung und Bewegung realer Objekte zu treffen. Anschließend werden die ausgewerteten Daten der verschiedenen Sen soren zusammengeführt, also fusioniert. Es entsteht ein virtuelles Umfeldmodell, in dem Fahrspuren, Objekte aller Art und Freiraum abgebildet werden. Innerhalb dieses Modells können mögliche Fahrtrajektorien erzeugt und bewertet werden. Hat sich das System für eine Bahnplanung entschieden, kann diese schließlich in Form von Steuerungs befehlen an die Längsund Querregelung umgesetzt werden. Die Ego-Lokalisierung [4] innerhalb des Umfeldmodells erfolgt implizit über die Auswertung der Sensordaten und deren Abgleich mit entweder einer herkömmlichen ADAS-Karte oder einer sogenannten HD-Karte. Eine derartige Lokalisierung ist ausreichend für Anwendungsszenarien, wie sie beim Fahren auf der Autobahn vorkommen. Schwieriger wird es beim Fahren im urbanen Umfeld. Da man hier komplexe Fahrspurszenarien abbilden muss, ist es entscheidend, zentimetergenau zu wissen, wo man sich befindet. Dies erfordert eine hochgenaue Lokalisierung, die mittels der Methode Simultaneous Localization and Mapping (Slam) erreicht wird. Die Slam-Methode kombiniert die Daten mehrerer Sensoren wie Kameras, Laserscanner oder Radar, um neben einer akkuraten 3-D-Karte der Umgebung die genaue Lage und Orientierung des Fahrzeugs in dieser Karte zu berechnen. Redundanz wird durch zusätzliche Inertialsensorik und GPS-Funktion im Pkw erreicht, wobei letzteres nach wie vor in vielen Situationen nicht verfügbar ist. DURCH VERNETZUNG IN EIN NEUES ZEITALTER Egal ob alternative Antriebe, autonomes Fahren, oder integrale Sicherheit aktuelle Entwicklungsthemen fordern vor allem eines: interdisziplinäre Zusammenarbeit mit durchgängigem Fokus auf das Gesamtprodukt. Hier bietet AVL einen revolutionären Ansatz. Mit Model.CONNECT lassen sich Simulationsmodelle einzelner Komponenten zu einem virtuellen Prototyp zusammenfügen und mit Testbed.CONNECT können diese Simulationsmodelle mit echter Hardware am Prüfstand gekoppelt werden unabhängig von Tool- oder Prüfstandshersteller. DIE ABSICHERUNG TESTS ZUR ZUVERLÄSSIGKEIT Eine sichere und zuverlässige Funktion ist für den Automatisierungsgrad der Stufe 3 eine Grundvoraussetzung. Die Entwicklungsprozesse der zugehörigen Elektronik und programmierbaren Systemen unterliegen der Norm IEC zur funktionalen Sicherheit. Ihr Ziel ist es, das reibungslose Funktionieren technischer Systeme in Bezug auf Hard- und Softwarefehler zu gewährleisten. Die Einfache Vernetzung über Standardschnittstellen Mehr als 25 Simulationstools unterstützt Schutz vor nicht autorisiertem Zugriff Integration der Komponentenmodelle ermöglicht Blick auf Gesamtsystem Find out more Stabile Verbindung von Simulationsmodellen und Prüfständen Herstellerunabhängig Neue Testmöglichkeiten Hohe Echtzeitleistung Offene Plattform garantiert Zukunftssicherheit ATZ Jahrgang 35

36 TITELTHEMA MOBILITÄT BILD 6 Funktions blöcke des Cruise4U-Systems mit den Eingangsgrößen Umfeldsensorik, GPS- Posi tion, HD-Kartendaten und Trägheitssensor ( Valeo) automobilspezifische Variante ist die ISO [5] mit ASIL-Einstufungen. Dies ist heute die Norm für sicherheitskritische Automobilanwendungen und erfordert eine deutliche Steigerung des Entwicklungsaufwands für entsprechende Systeme [6, 7]. Ab Automatisierungsstufe 3 sind die Auflagen der funktionalen Sicherheit äußerst stringent. Das System wird nicht nur als fail safe, sondern auch als fail operational eingestuft, ein Novum im Automobilbau. Die Anforderungen an die funktionale Sicherheit werden nun durch solche an die funktionale Robustheit im gleichen Umfang ergänzt. Diese nennt man Safety of the intended functionality, kurz Sotif. Neben der Einhaltung stringenter Entwicklungsprozesse kommt dem Testen und der Validierung der funktionalen Sicherheit und Robustheit ein großer Stellenwert zu. Theoretisch müssten Hunderte von Millionen Testkilometer gefahren werden, was nicht realistisch ist. Daher gewinnen neue Konzepte für die Verknüpfung von Testfahrten und Computersimulation an Bedeutung. Wie bereits angesprochen ist dabei der Umgang mit den riesigen Datenmengen von entscheidender Bedeutung. Valeo hat hierfür ein cloudbasiertes Backendsystem zur Ablage, Annotation und automatisierten Test aufgebaut, das eine weltweite Nutzung ermöglicht. 36 DIE TECHNIK HINTER CRUISE4U Die in den Cruise4U-Fahrzeugen zum Einsatz kommenden Sensoren sowie die verschiedenen Softwareblöcke der Signalverarbeitungskette kommen vollständig aus dem Hause Valeo. Neben der Seriensensorik kommen dabei auch Prototypen zukünftiger Sensorplattformen zum Einsatz. Wesentlich für die Funktion ist die Frontkamera, die Informationen zu Fahrzeugen und anderen Verkehrsteilnehmern, Fahrbahnmarkierungen, Straßenbegrenzungen sowie Freiraum liefert. Ergänzt werden diese Daten vom neu entwickelten Scala-Laserscanner, BILD 3, der hochgenaue 3-D-Informationen über den vor dem Fahrzeug liegenden Bereich liefert. Zusätzliche Informationen liefern ein Radarkokon aus vier hochauflösenden Mittelbereichsradaren und die Auswertung von vier um das Fahrzeug herum verteilten Weitwinkelkameras. Ein Großteil der zum Einsatz kommenden Software läuft bereits eingebettet auf einer intern entwickelten skalierbaren Steuergeräteplattform. Der Testfahrer aktiviert das Assistenzsystem über Tasten am Lenkrad. Wenn aktiviert, hält das System das Fahrzeug sicher in der Spur. Das System kann auch einen Spurwechsel automatisch durchführen, sofern dieser vom Fahrer gewünscht und freigegeben wird; nachdem es überprüft hat, ob die Nachbarspur frei ist. Die im Fahrzeug mitfahrenden Entwickler behalten dank einer eigens entwickelten Umgebungsdarstellung jederzeit den Überblick über den Zustand des Systems. Eine solche Darstellung zum situativen Bewusstsein (Situational Awareness, Sawa) ist auch für den Endkunden ein zentrales Element, um Vertrauen zum System auf zu bauen. Daher entwickelt Valeo auch passende HMI- Konzepten, die dem Nutzer Vertrauen in die Funktion geben, und es ihm ermöglichen, bei Bedarf das Lenkrad schnell und sicher wieder übernehmen zu können. Das dazu passende Valeo- Möbius-HMI-Konzept wurde in [8] genauer beschrieben. AUSBLICK Neben der Weiterentwicklung des automatisierten Fahrens auf der Autobahn [9, 10] liegt ein weiterer Schwerpunkt derzeit auf der Anwendung im städtischen Umfeld. Teams in Paris, in San Francisco und im oberfränkischen Kronach arbeiten daran, die im Vergleich deutlich höhere Komplexität beherrschen zu lernen. Neben der hochgenauen Lokalisierung, der Slam-Methode und dem Inertialsystem, kommt hierbei vor allem ein Kokon aus bis zu sechs Laserscannern zum Einsatz, um rund um das

37 Fahrzeug eine dreifache Sensorredundanz zu erreichen. Dabei kommen in allen Bereichen der Software verstärkt neuronale Netze zum Einsatz. Um diesen Bereich zu stärken, und Spezialisten in diesem Bereich ein attraktives Arbeitsumfeld zu bieten, hat Valeo im Juni 2017 das erste globale Forschungszentrum für künstliche Intelligenz und Deep Learning für automobile Anwendungen, das Valeo.ai, gegründet [11]. Und wo werden wir in 30 Jahren stehen? Ich sitze auf der Rückfahrt von einem Ausflug mit meinen Enkeln im Fahrzeug. Die Sitze bilden dabei eine Sitzecke, sodass wir angenehm miteinander spielen und lachen können. Nach dem Abgeben der beiden bei den Eltern fahre ich auf dem Nachhauseweg dann doch noch ein paar Kilometer selbst. Nicht dass ich müsste, es macht mir einfach Spaß. LITERATURHINWEISE [1] Valeo: Automated driving challenges with Valeo Cruise4U. Online: watch?v=mjwrvyl1_n8, aufgerufen am [2] Navya: Navya launches autonom cab, the first 100-% autonomous robo taxi. Online: tech/en/press/navya-launchs-autonom-cab-in-paris/, aufgerufen am [3] Schaller, T.; Uhler, W.; Schrepfer, J.: Proposal for standardization of sensor interfaces to a fusion unit. VDI-Tagung Eliv 2017, Bonn, 18. und 19. Oktober 2017 [4] Jo, K.; Bradai, B.; Resende, P.; Picron, V.: Precise ego-localization using multi sensor map matching for highly and fully automated vehicles. SIA Cesa 2016 Congress, Paris, 16. und 17. November 2016 [5] Spandfelder, B.: Challenges in applying the ISO for driver assistance systems. 5. Tagung Fahrerassistenz, München, 15. und 16. Mai 2012 [6] ISO/TC 22/SC 32: N0356 Standardization of sensor interfaces. Deutscher Vorschlag, ISO-SC-32- Sensorikseminar, Berlin, 6. und 7. März 2017 [7] Fitzek, F.; et al.: Cross-industry cooperation for camera technology standardization. VDI-Tagung Eliv 2017, Bonn, 18. und 19. Oktober 2017 [8] Reilhac, P.; Moizard, J.; Kaiser, F.: Cockpitkonzept für das teilautomatisierte Fahren. In: ATZ 118 (2016), Nr. 3, S [9] DLR Köln: Pegasus Research Project. Online: aufgerufen am [10] Bradai, B.; Picron, V.; Heitzmann, T.; Maurel, P.; Randriazanamparany, R.; Taccoen, D.; Slimi, H.: Automated driving for all: entry mated. SIA Cesa 2016 Congress, Paris, 16. und 17. November 2016 [11] Valeo: Valeo launches Valeo.AI, the first global research center in artificial intelligence and deep learning for automotive applications based in Paris. Online: aufgerufen am READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: AUTONOM SEIN: WENN SIE NICHT MEHR ALLE HÄNDE VOLL ZU TUN HABEN. AUTONOMES FAHREN MIT DEN AUTOMOTIVE- UND IT-SPEZIALISTEN VON FERCHAU: WIR SEHEN UNS IN DER ZUKUNFT! Funktions- und Softwareentwicklung sowie Systemund Funktionsabsicherung Radar- und Ultraschallsensorik zur permanenten Erfassung der Verkehrslage Wir bewegen Fahrzeuge gezielt in Richtung Autonomielevel 4, auf dem der Fahrer Zeit für das Wesentliche hat. Mit innovativer Sensorik und künstlicher Intelligenz maximieren wir den Fahrkomfort und die Sicherheit. FERCHAU, Deutschlands Engineering- und IT-Dienstleister Nr. 1, führt Automotive und IT zusammen für das autonome Fahren der Zukunft. Und gern auch für Ihr Unternehmen! Nehmen Sie Kontakt zu uns auf: Gemeinsam kommen wir weiter. Sensorfusion für präziseres Wissen und exaktere Echtzeitanalysen FERCHAU.COM/GO/ZUKUNFT FERCHAU Engineering GmbH, Zentrale Steinmüllerallee ATZ , Gummersbach 120. Jahrgang 37 Fon , info@ferchau.com WIR ENTWICKELN SIE WEITER

38 AKTUELL PRODUKTE Daimler Fuso Vollelektrischer Schwer-Lkw Die Daimler-Nutzfahrzeugtochter Fuso hat auf der Tokyo Motor Show einen vollelektrischen schweren Lkw präsentiert. Der E-Fuso Vision One bietet bei einem zulässigen Gesamtgewicht von rund 23 t eine Nutzlast von etwa 11 t rund 2 t weniger als die Dieselvariante. Die Batteriekapazität beträgt 300 kwh und soll eine elektrische Reichweite von bis zu 350 km ermöglichen. Ein geeignetes Einsatzfeld für den elektrischen Schwer-Lkw sei der regionale inner- und zwischenstädtische Verteilerverkehr. In den kommenden Jahren werden alle Lkw- und Bus-Modelle von Fuso eine zusätzliche Elektrovariante erhalten. Die Markteinführung dieser Modelle hängt von der jeweiligen technischen Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit ab. Die Entwicklung eines wirtschaftlich trag fähigen Elektroantriebs für schwere Langstrecken-Lkw wird hingegen laut Fuso noch deutlich länger dauern. DLR DLR Wärmespeicher für mehr Reichweite von Elektroautos Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben mit DuoTherm ein Konzept entwickelt, in dem ein Wärmespeicher die Heizleistung im Elektrofahrzeug übernimmt und so bei niedrigen Außentemperaturen die Reichweite steigert. Durch den Einsatz metallischer Latentwärmespeicher seien die Wissenschaftler in der Lage, Wärme auf einem sehr hohem Energieniveau zu speichern und so die Antriebsbatterie vom Heizen des Fahrzeuginnenraums zu entlasten, erklärt Projektleiter und DLR-Wissenschaftler Mirko Klein Altstedde. Thermische Speicher werden laut DLR zukünftig Bestandteil eines jeden Elektrofahrzeugs sein. Zudem sollen die Wärmespeicher neben der Reichweite und dem Komfort auch die Gesamteffizienz der Fahrzeuge maximieren, indem sie beispielsweise Bremsenergie aufnehmen, Ladeverluste ausgleichen oder die Batterie kühlen. In den nächsten Jahren soll die Entwicklung des DuoTherm-Systems vorangetrieben werden zunächst mit weiterer Grundlagenforschung, später in Langzeituntersuchungen im Fahrzeug. In zwei bis drei Jahren wollen die Wissenschaftler erste anwendungsorientierte Ergebnisse vorstellen. 38

39 thyssenkrupp Batteriekasten für E-Autos TOP-3-MELDUNGEN Das Wissensportal bietet im Fachgebiet Automobil- und Motorentechnik Neuigkeiten aus der Branche. Diese drei Meldungen wurden im November 2017 am häufigsten geklickt: thyssenkrupp 1. Bremsscheibe idisc von Bosch- Tochter verringert Bremsstaub 2. Volkwagen will Nummer 1 bei der Elektromobilität werden Der Zulieferer thyssenkrupp hat ein Batteriegehäuse für Elektroautos konstruiert, das nicht mehr wiegt als eine vergleichbare Variante aus Aluminium, dafür aber nur halb so viel kostet. Der Prototyp wurde am Computer aufgebaut, bis in die Rohbauplanung hinein durchgerechnet und in Computersimulationen und realen Tests abgesichert. Hauptaugenmerk lag auf der Crashsicherheit: Bei einem Unfall muss die Deformation der Batterie vermieden werden. Weder durch einen Seitenaufprall, noch wenn das Fahrzeug aufsetzt oder ein Fremdkörper von unten gegen das Batteriegehäuse prallt, darf das Gehäuse nachgeben. Es stellte sich heraus, dass für den bestmöglichen Crashschutz ultrahochfeste Dualphasen- und Mangan-Bor-Stähle die idealen Werkstoffe für die Baugruppe sind. Zudem muss das Batteriegehäuse wegen seiner exponierten Lage am Fahrzeugboden äußerst korrosionsbeständig sein. Auch hier kann das Bauteil durch Beschichtungen Schutz bieten. Für das ebenfalls wichtige Thermomanagement der Batterie lässt sich eine Flüssigkeitskühlung in die Struktur integrieren. 3. Hella wandelt Nachtaufnahmen zu Tageslichtversionen um WEITERE AKTUELLE NACHRICHTEN AUF ON Semiconductor Hirschvogel TÜV Nord ON Semiconductor Bildsensoren für ADAS ON Semiconductor hat eine CMOS-Bildsensor- Plattform vorgestellt, die wichtige Automotive-Funktionen bietet, etwa einen sehr hohen Dynamikbereich (HDR) mit gleichzeitiger Lichtflimmer-Minderung (LFM). Das soll sicherstellen, dass mögliche Gefahren in sehr dunklen und sehr hellen Bereichen der Szene erkannt werden. Da immer häufiger LEDs für Frontscheinwerfer und Rückleuchten sowie für Verkehrszeichen zum Einsatz kommen, stellt die LFM-Funktion sicher, dass gepulste Lichtquellen nicht flimmernd erscheinen, was im Fall von nach vorne gerichteten ADAS zu einer Fehlinterpretation einer Szene durch Bildverarbeitungsalgorithmen führen könnte. Hirschvogel Benzin-Hochdruckpumpe Die Hirschvogel Automotive Group hat eine neue Benzin-Hochdruckpumpe aus rostfreiem Stahl entwickelt und dafür einen Serienauftrag erhalten. Bisher wurden die Gehäuse der Hochdruckpumpe aus der Stange zerspant und die Befestigungslaschen anschließend durch Laserschweißen gefügt. Bei der um geformten Monoblock- Lösung befinden sich die Anschlusslaschen direkt am Gehäuse, es ist kein Fügeprozess mehr notwendig. Die ein zylindrige Hochdruckpumpe soll zunächst mit einem Systemdruck von 350 bar betrieben werden. TÜV Nord Neue Kälte-Klima-Prüfstände TÜV Nord hat am Standort Essen neue Kälte- Klima-Prüfstände installiert und somit seine Testkapazitäten für Geräte und Komponenten der Kälte-, Klima- und Lüftungstechnik mehr als verdoppelt. Auf den neuen Anlagen können die Experten Leistungsprüfungen beispielsweise an raumlufttechnischen Zentralgeräten, Wärmepumpen oder Geräten für die Komfort-, Prozess- und IT-Klimatechnik durchführen. Zudem können spezielle Prüfaufbauten unter anderem für den Fahrzeugbau realisiert werden. Besonderes Merkmal der Prüfstände sei ihre Flexibilität: Durch den variablen Aufbau lassen sie sich schnell an unterschiedlichste Anforderungen anpassen. ATZ Jahrgang 39

40 AKTUELL PRODUKTE SSAB Leichter pressgehärterer Stahl Der Stahlhersteller SSAB hat mit Docol PHS 2000 einen neuen, steiferen pressgehärtenen Stahl für automobile Sicherheitskomponenten auf den Markt gebracht. Diese Stahlsorte ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen SSAB und dem Automobilkomponenten hersteller Gestamp. Ziel war es, eine noch leichtere und kostengünstigere Lösung für eine Stoß fängerkomponente zu finden. Nach Projektabschluss erreichte die Stahlsorte dies mit einer Gewichtsreduzierung von 17 % im Vergleich zu ähnlichen Stoßfängern aus Stahl und einem geringeren Gewicht als vergleichbare Stoßfänger aus Aluminium. Der Presshärtestahl behält die Bruchdehnung (Duktilität) bei, während andere mechanische Eigenschaften wie Streckgrenze und Bruchfestigkeit signifikant verbessert wurden. Die Stahlsorte ist derzeit als Teil des Docol-Produktportfolios erhältlich und kann für jede unfallrelevante Automobilanwendung einschließlich B-Säulen, Schwellern, Stoßfängern und Rohbau-Strukturkomponenten verwendet werden. SSAB Erich Jaeger Erich Jaeger Kamera-Steckverbindersystem Erich Jaeger, Hersteller elektronischer Geräte, hat in zwei Jahren Entwicklungszeit eine innovative Anhänger-Steckverbindung für den Pickup Ford F-250 zur Serienreife gebracht. Über den Stecker werden Kameradaten und Signale der Reifendrucksensoren vom Anhänger zur Instrumententafel übertragen. Die Datenübertragung der Kamerasignale vom Anhänger zum Zugfahrzeug erfolge dabei im Mbit-Bereich und sei in diesem Anwendungsfeld damit bislang einzigartig. In Zusammenhang mit der 12-poligen Steckverbindung hat Erich Jaeger drei Patentanmeldungen auf den Weg gebracht, von denen bislang zwei erteilt worden sind. Die neue Normung nach SAE J 3008 wurde zusammen mit Ford entwickelt. Daimler Thomas Built Buses E-Schulbus Die nordamerikanische Daimler-Tochter Thomas Built Buses hat den ersten voll elektrischen Schulbus für die Serienproduktion vorgestellt. Ab Anfang 2019 wird der Saf-T-Liner C2 Electric Bus bis zu 81 Kinder in den USA zur Schule bringen lokal emis sionsfrei. Die Batterie mit einer Kapazität von 160 kwh ermöglicht eine Reichweite von bis zu 160 km. Bei Bedarf sorgen zusätzliche Batteriemodule für eine größere Reichweite. Bei der Entwicklung des Elektrobusses profitierte das Unternehmen vom Elektro-Know-how bei Daimler. Thomas Built Buses wurde 1916 gegründet und sei mit einem Marktanteil von rund 39 % führender Anbieter von Schulbussen in Nordamerika. Messring Messring Crashtestanlage für Pkw, Lkw und Busse Messring, Produzent von Crashtestanlagen und deren Komponenten, erhielt den Auftrag des Chongqing Vehicle Test & Research Institute Co. Ltd (CVTRI), eine neue Crashtestanlage im Norden der chinesischen Millionenmetropole Chongqing zu bauen. Die neue Teststrecke bietet die Möglichkeit, Pkw, Lkw und Busse zu prüfen. Von kompletten Fahrzeugtests, über Komponententests bis hin zu Energieeinsparungs- und Emissionstests steht die Anlage auch externen Firmen zur Verfügung. Sie verfügt über eine Bahnlänge von insgesamt 270 m. Davon befinden sich 170 m in einer überdachten Halle und 100 m im Außenbereich. Es ist bereits die achte Crashtestoder Schlittenanlage, die Messring in den vergangenen beiden Jahren nach China verkauft hat. Baubeginn ist im Juli 2018, im Dezember soll die Anlage dann in Betrieb gehen. WEITERE AKTUELLE NACHRICHTEN AUF 40

41 INTERESSANTE VERANSTALTUNGEN FÜR SIE: ANSTEHENDE TAGUNGEN Der Antrieb von morgen 31. Januar und 1. Februar 2018 Frankfurt/Main Bosch Bosch Telematik-Plattform Daimler Trucks und Fleetboard haben gemeinsam mit Bosch die Common Telematics Platform entwickelt, die in schweren Nutzfahrzeugen weltweit als Truck Data Center zum Einsatz kommt. Dort ist sie die Grundlage für neue digitale Dienste wie beispielsweise Mercedes-Benz Uptime. Dabei überprüft die Plattform den technischen Status des Lkw in Echtzeit und sendet die Informationen weiter. Flottenmanager können damit Pannen erkennen, noch bevor sie passieren, ungeplante Reparaturen vermeiden und planmäßige Werkstattaufenthalte weiter optimieren. Die Telematik-Plattform ermöglicht zukünftig Software-Updates over-the-air. Für die Telematik- Lösung zur zukunftsweisenden Vernetzung schwerer Nutzfahrzeuge erhielt Bosch einen CES 2018 Innovation Award in der Kategorie Tech For A Better World. Fahrerassistenzsysteme 18. und 19. April 2018 Wiesbaden Karosseriebautage Hamburg 8. und 9. Mai 2018 Hamburg WEITERE INFORMATIONEN AUF Audi Synthetischer Dieselkraftstoff Audi setzt seine E-Fuels-Strategie fort und plant gemeinsam mit den Partnern Ineratec und Energiedienst Holding in Laufenburg im Schweizer Kanton Aargau eine neue Pilotanlage zur Produktion von synthetischem Dieselkraftstoff. Die dafür notwendige Energie aus erneuerbaren Quellen kommt dabei erstmals aus Wasserkraft. In wenigen Wochen wollen Audi und die Partnerfirmen den Bauantrag für die Anlage stellen, Baubeginn soll Anfang 2018 sein. Noch im gleichen Jahr sollen die ersten Liter des synthetischen Diesels in Laufenburg produziert werden. Die geplante Anlage hat eine Kapazität von rund l pro Jahr. Laut Reiner Mangold, Leiter Nachhaltige Produktentwicklung bei Audi, kann das Unternehmen durch eine neue Technik die Produktion von E-Diesel effizient in kompakten Einheiten und damit wirtschaftlicher gestalten. Dazu bietet die Pilotanlage die Möglichkeit, die Energiebereiche Strom, Wärme und Mobilität zu kombinieren. So mache man erneuerbare Energie speicherbar. Audi ATZ Jahrgang 41

42 ENTWICKLUNG FAHRWERK Futuristisches Zweiradkonzept mit Potenzial für die Serie Edag AUTOREN Edag hält das Gebrauchsmuster für eine besondere Vorderradführung für Zweiräder aufrecht. Kern des Konzepts ist eine Fahrwerksbasis, die eine völlig neue, flexible Architektur und eine neuartige industrielle Fertigung ermöglicht. Dipl.-Ing. (FH) Marc Dongus ist Abteilungsleiter Motorrad und Fahrwerk bei der Edag Engineering GmbH in München. Sebastian Sturm, B. Eng. ist Entwicklungsingenieur Fahrwerk bei der Edag Engineering GmbH in München. 42 NEUE FAHRWERKARCHITEKTUR Der Grundgedanke ist, ein Chassis (Modul 1) zu kreieren, das mehrere Fahrzeugkonzepte mit einer gemeinsamen Plattform ermöglicht. Unterschiedliche Antriebskonzepte sollen durch einfache Adaptionen integriert werden. Durch die Kombination von unterschiedlichen Antriebskonzepten (Modul 2) mit den verschiedenen Karosserievarianten (Modul 3) kann eine enorme Modellvielfalt erreicht werden. MOTORRADSPEZIFISCHE RANDBEDINGUNGEN FÜR DIE PLATTFORM Folgende Kennzahlen lassen sich bei aktuellen Straßenmotorrädern wiederfinden: Lenkwinkel: 36,5 beidseitig Federweg: vorne 140 mm, hinten 140 mm Schräglagenfreiheit: 50 Radstand: 1400 bis 1590 mm Gewicht: 180 bis 250 kg.

43 BILD 1 Chassis-Unterteilkomponenten ( Edag) Je nach Ausprägung von Antriebskonzept und dessen Leistung ist eine gewisse Varianz der Parameter Gewicht und Reichweite ersichtlich. SYSTEMBESCHREIBUNG DOPPELSCHWINGEN- PARALLELOGRAMM Die patentierte Vorderradführung ermöglicht die Chassisplattform. Die klassische Telegabel von Motorrädern wird im vorliegenden Konzept durch zwei Schwingenarme, in BILD 1 grau eingefärbt, ersetzt. Diese sind über zwei hintereinander angeordnete Kreuzgelenke, in BILD 1 gelb eingefärbt, verbunden. Diese Kreuzgelenke lassen je einen Freiheitsgrad um die Lenkachse und um die Querachse zu. Durch die parallele Zwangsführung der beiden Schwingen in den Kreuzgelenken entsteht eine virtuelle Lenkachse, die das Rad lenkt. Der Lenkkopf beziehungsweise Steuerkopf befindet sich im unteren Teil des Chassis. Nachlauf und damit der Lenkkopfwinkel im klassischen Sinne lassen sich unabhängig vom Radstand einstellen. Damit sind unkonventionelle Lenkkopfwinkel und eine große Bandbreite an Einstellungen für den Nachlauf möglich, ohne den Radstand unnötig zu beeinflussen. Im Fall, dass das Fahrzeugkonzept mehr Radstand benötigt, ist der Nachlauf in keiner Weise durch die Lenkerposition oder ähnliches geometrisch begrenzt. Die Vorderradführung stützt sich horizontal in einem flachen Rahmen ab, der Vorderrad- und Hinterradführung auf kürzestem Weg miteinander verbindet. Dies führt zu Materialeinsparungen und sorgt für kurze Lastpfade innerhalb der Struktur. Durch die Trennung von Betätigungskraft der Lenkung und den Fahrwerkskräften wird der Hauptlastpfad, der die Kräfte von Vorder- zu Hinterrad führt, durch den unteren Teil der Plattform in das Chassis geleitet und dort entsprechend abgestützt. Betätigungskräfte der Lenkung sowie die durch den Fahrer induzierte Kraft beim Abstützen während des Bremsvorgangs werden in den oberen Teil des Chassis eingeleitet. So können der obere und untere Teil des Rahmens lastspezifisch und unabhängig voneinander ausgelegt werden. BREMSNICKAUSGLEICH Durch den integrierten Bremsnickausgleich kann die Fahrwerksgeometrieänderung durch starkes Eintauchen beim Bremsen effektiv vermindert werden. Da dieser Ausgleich rein kinematischer Natur ist, BILD 2, kann er bei der Auslegung des Federbeins berücksichtig werden. Die konventionelle Telegabel besitzt keinen Bremsnickausgleich und muss diesen Ausgleich daher vorhalten. Hierzu müssen tendenziell härtere Federn und ein anderes Dämpfungs- Setup verbaut werden, um das Abtauchen der Gabel bei einer starken Bremsung zu kompensieren. Nur so kann sichergestellt werden, dass Fahrmanöver bei starker Verzögerung sicher durchgeführt werden können. Durch entsprechende geometrische Auslegung der Doppelschwingenparallelogramm(Dospo)-Vorderradführung kann die Auswirkung des Bremsnickausgleichs individuell angepasst werden, um ein definiertes Maß an Einfederung beim Bremsen zuzulassen. Hierdurch entsteht ein fein ansprechendes und komfortables Federungssystem, das auch bei starkem Bremsen stets genug Reserven an Federweg bereitstellen kann, ohne jedoch gänzlich auf eine Rückmeldung über den Bremsvorgang an den Fahrer zu verzichten. WÄLZLAGERUNG Um das Ansprechverhalten der Federung und Lenkung speziell unter Last durch Reibungsminimierung zu verbessern, wurde bei der Entwicklung darauf geachtet, ein Lagersystem zu verbauen, das möglichst auf Linearführungen und Kugelgelenklager verzichtet. Daher besteht das Lagersystem komplett aus Wälzlagern. Im Gegensatz zu Linear führungen oder Kugelgelenken, die unter Last signifikant höhere Losbrechmomente verzeichnen ATZ Jahrgang 43

44 ENTWICKLUNG FAHRWERK oder im Fall einer Gabel sogar Haft- Gleit-Effekte einbringen können, sprechen richtig gepaarte Wälzlager wesentlich feiner an, auch unter Last. Hinterrad und Vorderrad werden über ein klassisches Federbein gefedert und gedämpft. Einzig die Federbeine besitzen eine Linearführung, die jedoch kinematisch über das Anlenksystem entsprechend entkoppelt ist, sodass im Ergebnis keine Querkraft das Federbein zusätzlich belastet. Dies minimiert die Reibung der Kolbenstange und verhindert einen Haft-Gleit-Effekt. STANDARDKOMPONENTEN Neben den Federbeinen als Standardkomponenten werden im System konventionelle Felgen sowie Standard- Bremsanlagen integriert. Die Vorderradachslagerung ähnelt einer Gabelklemmfaust. Auch ein Radausbau oder BILD 2 Chassis-Unterteil ( Edag) Bremsenservice erfolgt auf dieselbe Weise wie bei einer konventionellen Vorderradführung. LENKSYSTEME Das Lenksystem ist abhängig vom Antriebsmodul. Es sind mehrere Varianten möglich und für die jeweiligen Segmente sinnvoll integrierbar. So kann eine klassische, steife Lenksäule besonders für strombetriebene Varianten verwendet werden, da der Bauraum um die Lenksäule herum für die Batterie genutzt werden kann. Für Verbrennungsmotoren eignen sich andere Lenksysteme. Ein steifes kinematisches Hebelsystem, Bowdenzüge, die die Lenkbewegung übertragen können oder eine Hydraulikeinheit wurden untersucht. Durch die Trennung der Fahrwerks- und Lenkbetätigungskräfte wird das Prinzip eines Steer-by-Wire- Systems sehr interessant, BILD 3. Mit einer Rückfallebene und einer Verkabelung mit Aktuatoren am Lenker und unterem Chassis lässt sich zusätzlicher Bauraum im mittleren Package schaffen, was speziell für Verbren nungsmotoren einen wichtigen Packagefaktor darstellt. Neben den Bauraumvorteilen eröffnet die Steer-by-Wire- Technik auch das Fenster zur elektronischen Lenkungsdämpfung. BAURAUMVORTEIL FÜR VERBRENNUNGSMOTOREN Durch die Architektur des Chassis und den dadurch gewonnen Bauraum oberhalb des Vorderrads kann die Front völlig neu gestaltet werden. Durch den konzeptbedingten Entfall der Gabel kann eine effizientere Kühleranströmung und Luftansaugung realisiert werden. VORTEIL FÜR DEN E-ANTRIEB Bei der E-Antriebsvariante können die Batterien symmetrisch links und rechts neben der Lenksäule und den Federbeinen nahe der Fahrzeugmitte aufgehängt werden. Die derzeitige Entwicklung zeigt, dass die Module auch abnehmbar dargestellt werden können. So besteht hier die Möglichkeit, mit einem Baukastensystem die Batterien zu tauschen oder für die Zukunft neue Batteriegenerationen nachzurüsten, wenn sie das gleiche Interface besitzen. Auch ein Austausch von leeren gegen volle Batterien, BILD 4, wäre eine denkbare Möglichkeit, um die Flexibilität der Reichweite für E-Antriebe weiter zu steigern. 44 BILD 3 Steer-by-Wire-Konzept ( Edag) CFK-STRUKTURTEILE Bei der Suche nach weiteren Technologieträgern für das neue Chassiskonzept sind speziell die beiden Schwingen mit viel Potenzial für den Einsatz moderner Werkstoffe bewertet worden. Aus den ersten Berechnungen und Topologie- Optimierungen trat deutlich ihre Torsionsbelastung in den Vordergrund. Um die notwendige Steifigkeit sinnvoll zu erreichen, speziell bei Torsionsbeanspruchung, ist eine Struktur in Form eines Torsionskörpers mit unterschiedlichen Lagenausrichtungen, wie sie CFK-Strukturen bieten, von großem Nutzen. Besonders bei flächiger Geometrie verfügt CFK über einen großen Gewichts- und Steifig-

45 THINK ELECTRIC. THINK MAGNA. Fahren Sie mit uns in Richtung E-Mobilität. Mit den etelligentdrive Systemen von Magna Powertrain ist der Weg in die Zukunft kürzer denn je: Von 48 Volt bis zu rein elektrischen Antrieben, von eawd bis zu Plug-in-Hybriden wir eröffnen neue Möglichkeiten in der Technologie und unterstützen die weltweit führenden Automobilhersteller dabei, die Fahrzeuge von morgen auf die Straße zu bringen. Think ahead think Magna. ATZ Jahrgang 45

46 ENTWICKLUNG FAHRWERK BILD 4 Konzept der abnehmbaren Akku-Module ( Edag) keitsvorteil gegenüber konventionellen Werkstoffen. INDUSTRIALISIERUNG Hauptaugenmerk einer Plattformentwicklung ist die Industrialisierung und Variabilität der Modellvielfalt in Einklang zu bringen. Wie könnte eine optimierte Montage ablaufen, um die Taktzeit zu minimieren? Welche Baugruppen lassen sich vormontieren und separat an das Hauptband liefern? Mit diesen Fragestellungen wurde das Potenzial des Chassis untersucht. Neben dem konventionellen Verbrennungsmotor wurden auch E-Antriebe und Hybride von Anfang an in der Entwicklung berücksichtigt. Ein modularer Aufbau ermöglicht Anbindungspunkte der Baugruppen zu zentralisieren, sodass unterschiedliche Antriebskonzepte nach dem Plug-and-play-Prinzip verbaut werden können. Dazu wird das Fahrzeugkonzept in verschiedene Module aufgeteilt, die hergestellt und vormontiert werden können. Diese werden im Verlauf der Montage zusammengeführt, BILD 5. Das Chassis (Modul 1) besteht aus Hauptrahmen, Vorderradführung, Hinterradführung inklusive Feder- Dämpfer-Elementen, Rädern und Bremsen. Schnittstellen für Leitungen (Bremse und Kabelbaum) werden an definierten Übergabepunkten zusammengelegt. Dieses Rolling Chassis wird auf einem Montageband aufgenommen und so weiter durch die Montagelinie geführt. Da in der weiteren Montage kein Bauteil mehr unterhalb verbaut werden muss, werden alle weiteren Bauteile und Module von oben aufgesetzt. Das Antriebsmodul (Modul 2) besteht aus der Antriebseinheit, Nebenaggregaten sowie der Basis für die Lenkeinheit. Damit können bei der Variante mit Verbrennungsmotor beispielsweise Kühlkreislauf und Ansaugtrakt, Abgasanlage sowie Tank und Hauptkabelbaum vormontiert werden. Bei einer rein elektrischen Antriebseinheit sind Komponenten wie Batterie, Batterieträger, Kabelstränge, E-Motor, Controller und der Lader in dieser Modulbaugruppe integriert. Bei hybriden Antriebsmodulen stellt sich eine Kombination aus beiden zuvor genannten Varianten dar. Im nächsten Montageschritt wird Modul 2 auf dem Modul 1 aufgesetzt und verschraubt. An den Schnittstellen werden die Leitungen verbunden. Danach erfolgt die erste Funktionsprüfung von Antrieb und Chassis. Ein aufwendiges Einbauen des Antriebs in das Fahrwerk, bei dem Komponente für Komponente zusammengebaut wird, wird dadurch vermieden. So können bereits zwei Montagelinien parallel und unabhängig für die Module 1 und 2 aufgebaut werden. Zudem kann speziell im Hinblick auf Verbrennungsmotoren ein Einfahren mit Modul 2 allein erfolgen. Die letzte Baugruppe stellt die Karosserie (Modul 3) dar. Hier wird der Heckrahmen, Verkleidung, Beleuchtung, Cockpit sowie die restliche Verkabelung verbaut. Speziell dieses Modul ist sehr variabel und kann je nach Modellausprägung, Anforderung und Designwunsch individuell zusammengestellt werden. Je nach Kundenwunsch ist es möglich, einen verstärkten Heckrahmen mit Gepäcksystem und eine Vollverkleidung anzubringen. Für Puristen reichen eventuell ein kurzes Heck und eine stark reduzierte Verkleidung. Dies zeigt exemplarisch die Bandbreite, die in diesem Modul trotz der späten Montage noch möglich ist. Da die Karosserie jedoch das letzte Modul ist, das verbaut wird, ist die Hauptarbeit der Fertigungsstraße bereits abgeschlossen. Somit kann das letzte Modul als Individualmodul angesehen werden, das mit maximaler Varianz vom Endkunden konfiguriert werden kann, ohne erheblichen Mehraufwand in der Bandfertigung zu erzeugen. Band I Vormontage Modul 1 (Chassis) Montage Chassis + Antrieb Band II Vormontage Modul 2 (Antrieb) Prüfstand Endmontage mit Modul 3 (Karosserie) BILD 5 Übersicht Montageprinzip ( Edag) READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: 46

47 ATZ Jahrgang 47

48 ENTWICKLUNG FAHRWERK ika POTENZIAL VON STEER-BY-WIRE-SYSTEMEN 48 Die automobile Forschung und Entwicklung befindet sich aktuell im Wandel und steht vor zahlreichen Herausforderungen. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und der Übergang zum hochautomatisierten Fahren erfordern neue Konzepte in allen Bereichen der Fahrzeugentwicklung. Beim hochautomatisierten Fahren würde das Lenkrad ohne eine Entkopplung von den Rädern abrupte und inakzeptable Bewegungen vollführen, vor allem für hohe Lenkwinkelbewegungen beim Parken und bei dynamischen Ausweichmanövern. Daher ist sich die Automobilindustrie einig, dass Steer-by-Wire-Systeme ein Schlüsselelement für den Weg zum hochautomatisierten Fahren sein werden [1]. Für den Erfolg von Steer-by- Wire- Systemen ist die funktionale Absicherung des Lenksystems entscheidend. Ein innovativer Ansatz ist das radindividuelle Steer-by-Wire-System. Bei diesem Ansatz werden einzelne Elektromotoren an jedem gelenkten Rad für das Lenksystem genutzt. Im Gegensatz zur Bauteilredundanz übernimmt jeder E-Motor die Funktion des Lenkens eines Rads. Somit kann im Fehlerfall eines Aktuators die Lenkfunktionalität weiterhin aufrechterhalten werden. Des Weiteren ist durch die Nutzung eines radindividuellen Steer-by-Wire-Systems ein funktionaler Mehrwert erlebbar. Beispielhaft für die Umsetzung eines radindividuellen Steer-by-Wire-Lenk systems ist das Forschungsfahrzeug SpeedE, das am Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University entwickelt und aufgebaut wird [2]. Für die Entwicklung zukünftiger Mobilitätskonzepte lassen sich drei übergeordnete Herausforderungen formulieren, die sich durch das Zielkonfliktdreieck aus Fahrsicherheit, Fahrerlebnis und Effizienz aufspannen lassen. Ein radindividuelles Steer-by- Wire-Lenksystem ermöglicht aufgrund der neuen Freiheitsgrade einen erlebbaren Mehrwert für alle drei Bereiche des Konfliktdreiecks. Im Folgenden wird detailliert auf die Möglichkeit der Fahrwiderstandsreduktion durch ein radindividuelles Steer-by-Wire-System eingegangen. Im Gegensatz zu einer starren Kopplung zwischen den gelenkten Rädern kann die Lenkstrategie eines radindividuellen Steer-by-Wire-Systems situativ an die Fahrsituation angepasst werden. So können sowohl die statischen Vorspurwinkel als auch die Abweichung von der idealen Ackermannbedingung für höhere Radlenkwinkel individuell angepasst werden. SCHRÄGLAUFWINKELINDUZIERTE FAHRWIDERSTÄNDE Neben den Fahrwiderständen, die aus der Beschleunigung des Fahrzeugs, der Fahrbahnsteigung, des Luftwiderstands und des Rollwiderstands resultieren, entstehen auch Fahrwiderstände aufgrund von Schräglaufwinkeln. In BILD 1 ist ein Rangiermanöver für geringe Geschwindigkeiten dargestellt. Aufgrund der Abweichung von der Ackermannbedingung werden Zwangsseitenkräfte erzeugt, die zu einer Fahrwiderstandserhöhung führen. Es ist zu erkennen, dass aufgrund der hohen Radlenkwinkel in Verbindung mit den Zwangsseitenkräften an der Vorderachse ein aus der Kurve aus-

49 AUTOREN Fahrwiderstandsreduktion mittels radindividuellem Steer-by-Wire-System Benjamin Schwarz, M. Sc. ist Teamleiter aktive Systeme und Sicherheit im Bereich Fahrwerk des Instituts für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein ist Leiter des Instituts für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University. Mit einem Forschungsfahrzeug untersuchen Ingenieure des ika der RWTH Aachen University die durch den Schräglaufwinkel der Räder hervorgerufenen Fahrwiderstände und wie sie sich reduzieren lassen. Energieoptimierungspotenzial bietet ein radindividuelles Steer-by-Wire-System. drehendes Gier moment entsteht. Daraus resultieren die Seitenkräfte an der Hinterachse, die entgegen der Bewegungsrichtung in Richtung Kurvenaußen wirken. Im Gegensatz zur idealen Auslegung nach Ackermann verschiebt sich der Momentanpol der Bewegung hinter die horizontale Linie der Hinterachse. Folglich erhöhen sich die Fahrwiderstandskräfte mit zunehmender Abweichung von der Ackermannbedingung und somit auch der Energieverbrauch der Antriebseinheiten [3]. Konventionell gelenkte Vorderachsen weisen statische Vorspurwinkel am Rad von bis zu 0,3 auf. Die entstehenden Zwangsseitenkräfte gleichen vorhandenes Spiel im Lenkstrang aus. Somit wird einer ungewollten Bewegung der Vorderräder während einer Geradeausfahrt entgegengewirkt. Neben dem statischen Vorspurwinkel weichen konventionelle Lenkungen für höhere Radlenkwinkel von der idealen Ackermannbedingung ab. Zum einen ist dies durch die mechanische Kopplung der Räder bedingt. Zum anderen kann durch eine Abweichung der Ackermannbedingung der Wendekreis eines Fahrzeugs reduziert werden. Im Vergleich zur idealen Auslegung ist der Spurdifferenzwinkel in diesem Fall geringer. Somit wird bei vollem Lenkeinschlag das kurvenäußere Rad weiter eingelenkt, für den Fall, dass das kurveninnere Rad aufgrund von Bauraumrestriktionen im Radkasten den maximalen Radlenkwinkel erreicht hat. BILD 1 Fahrwider standserhöhung aufgrund von Zwangs seitenkräften beispielhaft dargestellt beim Rangieren mit Abweichung von der Ackermannbedingung [3] ( ika) M vrad,v,l KONZEPTION DER UNTERSUCHUNGSREIHE Sowohl die Einflüsse auf die Fahrwiderstände des statischen Vorspurwinkels für eine Geradeausfahrt als auch des Lenkfehlers bei Rangiermanövern für geringe Geschwindigkeits- und Querbeschleuni- F s,v,l F s,h,l h v,l v Rad,h,l h h h v,r F s,h,r v Rad,v,r v Rad,h,r F s,v,r ATZ Jahrgang 49

50 ENTWICKLUNG FAHRWERK 50 BILD 2 Spurdifferenzwinkel in Abhängigkeit des kurveninneren Radlenkwinkels für die drei untersuchten Lenkkonfigurationen ( ika) BILD 3 Zusätzliches Antriebsmoment für verschiedene statische Vorspurwinkel bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 50 km/h ( ika) gungsbereiche werden mithilfe des Forschungsfahrzeugs SpeedE eruiert. Die am ika der RWTH Aachen University entwickelte Forschungsplattform SpeedE verfügt an der Vorderachse über ein radindividuelles Steer-by-Wire-System, das unterschiedliche Lenkkonfigurationen nachbilden kann. Das batterieelektrische Fahrzeug wird an der Hinterachse durch zwei radnahe elektrische Maschinen angetrieben. Dies ermöglicht die Erfassung der schräglaufwinkelindu zierten Fahrwiderstände anhand der Antriebsmomente der Elektromotoren. Zusätzlich kann die Leistung der elek trischen Maschinen und der Antriebs umrichter aus dem Hochvoltbordnetz erfasst werden, sodass ein Rückschluss auf die Energieersparnis einer optimalen Lenkungsauslegung möglich ist. Neben den Untersuchungen im Fahrversuch werden die Einflüsse der schräglaufwinkelinduzierten Fahrwiderstände in der Mehrkörpersystem(MKS)-Simulation untersucht. Hierbei wird ein validiertes Fahrzeugmodell mit entsprechendem FTire-Reifenmodell in der Simulationsumgebung Adams/Car genutzt. Zur Berechnung der Energieverbräuche in der Simulation werden sowohl das Reibungsverhalten vom Rad bis zu den Antriebsmaschinen sowie die Verluste der Elektromotoren und Antriebsumrichter berücksichtigt. Zur Bestimmung des Energiereduktionspotenzials anhand des statischen Vorspurwinkels an der Vorderachse werden Geradeausfahrten mit 50 km/h und verschiedenen statischen Vorspurwinkeln betrachtet. Um den Einfluss des statischen Vorspurwinkels bei höheren Geschwindigkeiten zu untersuchen, wird zusätzlich die Versuchsreihe bei 130 km/h in der Simulation durchgeführt. Der Einfluss des Lenkfehlers für geringe Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereiche wird anhand verschiedener quasistatischer Kreisfahrten ermittelt. Hierbei werden unterschiedliche Manöverradien bei einer Geschwindigkeit von 5 km/h simuliert und im Fahrversuch mit dem Forschungsfahrzeug SpeedE validiert. Für die Untersuchungsreihe werden drei verschiedene Lenkkonfigurationen betrachtet. In BILD 2 sind die Spurdifferenzwinkel in Abhängigkeit des kurveninneren Radlenkwinkels für die drei betrachteten Lenkkonfigurationen dargestellt. Als Referenz wird eine ideale Ackermannauslegung betrachtet. Eine konventionelle Lenkungsauslegung wird durch eine repräsentative Sportwagenlenkung abgebildet. Zusätzlich wird eine Parallellenkung untersucht, bei der beide Vorderräder den gleichen Radlenkwinkel und somit keinen Spurdifferenzwinkel aufweisen. Als Rahmenbedingung wird für alle Lenkkonfigurationen ein maximaler Radlenkwinkel von 38 festgelegt, der bei den Rangiermanövern am kurven inneren Rad erreicht wird. BILD 2 ist zu entnehmen, dass für den maximalen Radlenkwinkel am kurveninneren Rad bei der Sportwagenlenkung im Vergleich zur Ackermannlenkung das kurvenäußere Rad circa 5 weiter eingelenkt ist. Bei der Parallel lenkung ist das kurvenäußere Rad sogar 9,5 weiter eingelenkt. FAHRWIDERSTANDSBESTIMMUNG In BILD 3 ist das Ergebnis der Untersuchungsreihe für den Einfluss des statischen Vorspurwinkels auf das zusätzliche Moment der Antriebsmotoren in der Simulation und im Fahrversuch dargestellt. Zusätzlich ist schematisch ein Reifen dargestellt, der aufgrund des Schräglaufwinkels eine Seitenkraft und die daraus resultierende Fahrwiderstands kraft in Längsrichtung aufweist.

51 Anzeigen-Sonderveröffentlichung KRAFTSTOFF REDUZIEREN UND GLEICHZEITIG EMISSIONEN SENKEN IST DAS MÖGLICH? AVL PLUTRON - DIE KRAFTSTOFFVERBRAUCHSMESSUNG DER ZUKUNFT! Die neuen messtechnischen Aufgaben durch RDE und WLTP erfordern leistungsfähige Werkzeuge. Moderne Kraftstoffversorgungssysteme im Fahrzeug stellen jedoch extreme Herausforderungen an die Messtechnik dar. Starke Pulsationen und Schwankungen des Versorgungsdrucks beeinträchtigen die Ergebnisse bislang verfügbarer Messgeräte. Doch mit AVL PLUtron CLASSIC ist nun ein neues, zuverlässiges Durchflussmessgerät zur exakten Ermittlung des dynamischen Kraftstoffverbrauchs im Fahrzeug verfügbar. DIE MESSTECHNIK DER ZUKUNFT AVL PLUtron erzielt präzise Messdaten für den Kraftstoffverbrauch im Fahrzeug auf der Straße und am Rollenprüfstand, auch in transienten Realbetriebs-Fahrzyklen unter schwierigsten Betriebsbedingungen. Durch die enorme Robustheit ist erstmals die exakte Analyse des dynamischen Verlaufs trotz Druck- und Durchflusspulsationen zuverlässig verfügbar. Die CAN-Schnittstelle erlaubt die messtechnische Einbindung bis zur Messbereitschaft in nur wenigen Minuten. BEEINDRUCKENDE ERGEBNISSE Mit drastisch gesteigerter Auflösung, An- Kraftstoffverbrauch / Massendurchflussrate [kg/h] sprechzeit und Messspanne lassen sich der dynamische Kraftstoffverbrauch zuverlässig abbilden sowie Abweichungen zwischen der realen Kraftstoff-Durchflussrate am Fahrzeug und dem modellierten Einspritzmengen-Kennfeld vom Motorprüfstand erkennen Zeit [s] Grafik: Präziser dynamischer Verlauf der Kraftstoff-Durchflussrate bei Motorstart trotz starker Pulsationen und Schwankungen des Versorgungsdrucks Kraftstoffdruck [mbar] Motordrehzahl [1/min] Mehr Informationen: AVL List GmbH, Dr. Martin Dürrwächter, Produktmanager , martin.duerrwaechter@avl.com ATZ Jahrgang 51

52 ENTWICKLUNG FAHRWERK BILD 4 Zusätzliches Antriebsmoment für verschiedene Lenkkonfigurationen in Abhängigkeit der befahrenden Bahnkrümmung bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 5 km/h ( ika) entspricht einem Abstand vom Momentanpol der Bewegung zum Fahrzeugschwerpunkt, dem sogenannten Manöverradius, von 4,84 m. Für die Lenkungs auslegung eines repräsentativen Sportwagens ist eine signifikante Steigerung des Antriebsmoments von 20 Nm bei maximalem Radeinschlag im Vergleich zur Auslegung nach Ackermann zu beobachten. Aufgrund des geringeren Spurdifferenzwinkels kann bei einem maximal gegebenen kurveninneren Radlenkwinkel ein geringerer Manöverradius befahren werden. Im Vergleich zur Ackermannauslegung reduziert sich der Manöverradius um 0,28 auf 4,56 m. Bei der parallelen Lenkungsauslegung wird der Manöverradius im Vergleich zur Ackermannauslegung um 0,36 auf 4,48 m reduziert. Hierbei ist jedoch eine erhebliche Steigerung des Antriebsmoments von 50 Nm im Vergleich zur Ackermannauslegung zu beobachten. Bei der parallelen Lenkungsauslegung ist zu erwähnen, dass im Fahrversuch die hohen Zwangskräfte für den Fahrer inakzeptabel waren. ENERGIEOPTIMIERUNGSPOTENZIAL BILD 5 Zusätzliche elektrische Antriebsleistung in Abhängigkeit des statischen Vorspurwinkels bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 50 und 130 km/h ( ika) 52 Es ist zu erkennen, dass die zusätzlichen Antriebsmomente an den Elektromotoren sehr gering sind. Berücksichtigt man die konstante Übersetzung zwischen den Elektromoto ren und dem Rad von i = 5,5, ist ein zusätzliches Antriebsmoment von maximal 3,5 Nm an den beiden Rädern der Hinterachse für einen statischen Vorspurwinkel von 0,5 aufzubringen. Die Momente der Antriebsmaschinen betragen für die Fahrt mit 50 km/h ohne Vorspurwinkel 21,4 Nm. Somit liegt eine Erhöhung der Antriebsmomente bei 0,5 Vorspurwinkel von 2,8 % vor. Die Simulation des gleichen Fahrmanövers bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 130 km/h zeigt, dass die schräglaufwinkelinduzierten Fahrwiderstände nahezu geschwindigkeitsunabhängig sind. In BILD 4 sind die Ergebnisse der Untersuchungsreihe der drei Lenkkonfigurationen für verschiedene Bahnkrümmungen bei einer Geschwindigkeit von 5 km/h dargestellt. Das zusätzliche Drehmoment zum Befahren der vorge gebenen Bahnkrümmung mit der Ackermannauslegung ist im Vergleich zur Geradeausfahrt relativ gering. Mit einem gegebenen maximalen Radlenkwinkel von 38 befährt das Fahrzeug mit der Ackermannauslegung eine Bahnkrümmung von 0,207 1/m. Dies Die zusätzlichen Antriebsmomente aufgrund der statischen Vorspurwinkel sind im Vergleich zu den Effekten bei einer Abweichung von der Ackermannauslegung bei den Rangiermanövern sehr gering. Beachtet man jedoch, dass die Effekte des statischen Vorspurwinkels auch bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten auftreten und für die gesamte Betriebsdauer vorherrschen, ist eine Analyse der möglichen Energieersparnis sinnvoll. In BILD 5 ist die zusätzliche elektrische Leistung des Antriebs in Abhängigkeit des statischen Vorspurwinkels für eine Geradeausfahrt mit 50 und 130 km/h aufgezeigt. Es ist zu erkennen, dass für hohe statische Vorspurwinkel von 0,5 bei 50 km/h dauerhaft ein zusätzlicher Leistungsbedarf von 150 W und bei 130 km/h von 375 W entsteht. Dies entspricht bei einem Energiebedarf der Antriebseinheiten von 6,27 kw bei 50 km/h ohne Vorspurwinkel einer Erhöhung von 2,4 % und bei 130 km/h für einen Grundbedarf von 34,9 kw einer Erhöhung von circa 1,1 %. Da ein radindividuelles Steer-by-Wire-Lenksystem möglichst spielfrei ausgelegt wird, ist eine Vorspannung des Lenkstrangs nicht notwendig.

53 System- BILD 6 Zusätzliche elektrische Antriebsleistung für verschiedene Lenkkonfigurationen in Abhängigkeit der befahrenen Bahnkrümmung bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 5 km/h ( ika) Daher ergibt sich mit der Reduzierung oder Eliminierung des statischen Vorspurwinkels das dargestellte Energieoptimierungspotenzial. In BILD 6 ist die zusätzliche elektrische Antriebsleistung für die verschiedenen Lenkkonfigurationen in Abhängigkeit der befahrenen Bahnkrümmung dargestellt. Im Vergleich zur Ackermannauslegung ist bei der Lenkungsauslegung des Sportwagens ein Mehrverbrauch von bis zu 860 W zu verzeichnen. Dem steht eine Reduktion des Manöverradius von lediglich 0,28 m gegenüber. Beim Vergleich zwischen der Ackermannauslegung und der parallelen Lenkungsauslegung ist ein Mehrverbrauch von 1,9 kw zu verzeichnen. Eine Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit, die für Rangiermanöver nicht unüblich ist, bringt eine Vergrößerung der Mehrleistung bei der Abweichung von der Ackermannaus legung mit sich. FAZIT Die dargelegten Untersuchungen zeigen zusammenfassend ein Energieoptimierungspotenzial für Lenksysteme mit radindividuellem Steer-by-Wire-System auf. Für einen angepassten statischen Vorspurwinkel an der Vorderachse sind Leistungsersparnisse für höhere Geschwindigkeiten im Bereich von circa 400 W möglich. Ein größeres Potenzial bietet eine ideale Lenkungsauslegung nach Ackermann für geringe Geschwindigkeits- und Querbeschleunigungsbereiche. Hierbei liegt das Einsparungspotenzial oberhalb von 1 kw im Vergleich zu konventionellen Lenkungsauslegungen. LITERATURHINWEISE [1] Reichenbach, M.: Interview mit Alexander Gaedke: Mit 1000 Parametern für das Lenkgefühl können wir richtig Gas geben. In: ATZ 119 (2017), Nr. 6, S [2] Struth, M.; Schwarz, B.; Sandmann, T.; Faßbender, S.: Elektrofahrzeug SpeedE Forschungsplattform mit offenen Schnittstellen. In: ATZ 118 (2016), Nr. 5, S [3] Matschinsky, W.: Radführungen der Straßenfahrzeuge. Kinematik, Elasto-Kinematik und Kons truktion. Berlin: Springer, 2007 READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: ATZ Jahrgang 53 / HV

54 ENTWICKLUNG MESS- UND PRÜFTECHNIK NVH-Prüfstand zur Integration von Lenksystemen ZF Mit dem fortschreitenden Einsatz elektrischer Lenksysteme in Fahrzeugen sind auch die NVH-seitigen Anforderungen bei Entwicklung und Applikation weiter gestiegen. Als zentralen Baustein einer neuen, in Zusammenarbeit mit Siemens PLM Software Engineering entwickelten Methodik hat der Geschäftsbereich Lenksysteme von ZF einen speziellen NVH-Prüfstand für Lenksysteme vorgestellt. DIE NVH-ANFORDERUNGEN STEIGEN STETIG Generell steigen die Anforderungen der Endkunden und damit auch der OEMs bezüglich des NVH-Verhaltens moderner Fahrzeuge stetig. Dies gilt entsprechend auch für die Lenksysteme. Speziell bei ihnen ist seit einigen Jahren ein Übergang von der konventionellen hydraulisch unterstützten Lenkung hin zu elektrischen EPS-Systemen (Electric Power Steering) zu verzeichnen. EPS erlauben durch die bedarfsgerechte Ansteuerung 54 Energieeinsparungen. Jedoch ist das NVH-Verhalten kritischer als bei hydraulischen Systemen zu bewerten. Waren vor wenigen Jahren noch eher kleine Fahrzeuge damit ausgerüstet, sind EPS nun auch für Modelle der Mittelklasse und größer verfügbar mit entsprechend höheren Ansprüchen bezüglich NVH. Auch der Trend zur Elektrifizierung des Antriebs hebt die NVH-seitigen Anforderungen, weil die Maskierung der Geräusche von Nebenaggregaten durch den Verbrennungsmotor bei rein elektromotorischem Betrieb (Elektrofahrzeug oder Plug-in-Hybrid) wegfällt. Die Nebengeräusche treten also stärker zutage. ENTWICKLUNGSMETHODIK Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, stellt ZF den Entwicklungsund Applikationsprozess von Lenksystemen komplett um: Wird das NVH- Verhalten bislang erst spät im Entwicklungsprozess überprüft, wenn fahrfertige Fahrzeugprototypen zur Verfügung stehen und damit viele Konstruktionsparameter festgelegt sind, soll es nun mög-

55 AUTOREN Dipl.-Ing. Lorenz Graeff ist Teamleiter Lenksystemakustik bei ZF im Tech-Center in Düsseldorf. Yuriy Kandinov ist Senior Manager Global NVH bei ZF im Tech-Center in Washington (USA). Simon Redfearn ist Global NVH Technical Specialist bei ZF im EPS Technical Center in Solihull (GB). lichst schon in einer frühen Konzeptphase berücksichtigt werden. Die neue Entwicklungsmethodik basiert auf einer engen Verzahnung von Gesamtfahrzeug, Prüfstandsuntersuchungen und Simulationen mittels CAE (Computeraided Engineering), BILD 1. Bei der Umsetzung des theoretischen Ansatzes in den praktischen Entwicklungsprozess werden alle lenkspezifischen Parameter des Gesamtfahrzeugs in ein Simulationsmodell überführt. Dazu gehören beispielsweise das Lenksystem, die Verbindungsstellen zwischen Lenkung und Fahrzeug, aber auch die Geräuschübertragungspfade im Fahrzeug selbst. Die NVH-Auslegung des Lenksystems und das Prüfen verschiedener Konstruktionslösungen erfolgt dann in erster Linie simulativ. Dabei kommt dem Prüfstand eine besondere Rolle als Bindeglied zwischen virtueller und realer Welt zu. Er muss in der Lage sein, das Rechenmodell zu validieren und die Ergebnisse der Simulation in physikalischen Tests zu verifizieren. Erst dies versetzt die Entwicklungs ingenieure in die Lage, NVH- Lösungen anhand der Berechnung zu erarbeiten, die auch im realen Fahrzeug zum gewünschten Ergebnis führen, und diese schnell und effizient auf dem Prüfstand zu bestätigen. PRÜFSTANDSAUFBAU Um diese Aufgabe zu erfüllen, hat ZF einen speziellen Prüfstand für Lenksysteme entwickelt, der den besonderen Anforderungen, die der neue Entwicklungsprozess an die Testumgebung stellt, Rechnung trägt, BILD 2. Ziel der Entwicklung war ein Prüfstand, der sich neutral bei den Messungen verhält, die Testresultate also nicht verfälscht und präzise und reproduzierbare Ergebnisse liefert. Basis des Prüfstands bildet ein massives und extrem steifes Fundament, sodass Störeinflüsse durch Relativbewegungen ausgeschlossen sind. Damit sich externe Schwingungsanregungen nicht auf die Messungen auswirken können, entkoppelt eine Luftkissenlagerung den Prüfstand weitestgehend von der Umgebung. Auf der Grundplatte sind die einzelnen Elemente des Prüfstands flexibel angeordnet, sodass Lenkgetriebe unterschiedlicher Geometrie und Bauform untersucht werden können. Auch die Einbausituation im Fahrzeug mit allen Anbindungspunkten lässt sich exakt nachbilden. Das schafft die Voraussetzung, um aussagekräftige, auf das Vollfahrzeug übertragbare Messergebnisse zu erzielen. Zu den Hauptkomponenten des Prüfstands zählen die Antriebseinheit, die direkt an der Lenksäule beziehungsweise am Lenkrad des zu prüfenden Systems befestigt ist, sowie die Aufnahmen der Originallagerbauteile der Lenksäule und des Lenkgetriebes. Auch diese Elemente des Prüfstands sind aus Gründen der Messgenauigkeit extrem steif ausgeführt. Die Antriebseinheit des Prüfstands wird über die Zentralelektronik des Testsystems angesteuert und bringt während des Testlaufs das Lenkmoment auf. Zwei Entwicklung eines mathematischen Fahrzeugmodells Experimentelle Transferpfadanalyse Experimentelle Modalanalyse Objektive Fahrzeugdaten (Hör- und Körperschall) Validierung des Fahrzeug- / Prüfstandsmodells Innengeräuschsimulation Frühe Abschätzung des Fahrzeuggeräuschkomforts Virtuelle Produktanwendung W2W Rig Schnittstellenkräfte Simulierte Schnittstellenkräfte BILD 1 Entwicklungsmethodik für Lenksysteme mit Gesamtfahrzeugtests, Prüfstandsuntersuchungen und CAE-Simulationen ( ZF) Entwicklung eines mathematischen Systemmodells Mehrkörpersimulation Finite-Elemente-Methode Craig-Bampton-Methode Validierung des CAE-Modells Parametervariation Getriebe- und Prüfstands-CAE-Modell Subsysteme Komponenten Interaktionen Virtuelle Robustheitsstudien Definition von Gestaltungsregeln Definition von Anforderungen an Systeme, Subsysteme und Komponenten Virtuelle Problemlösung ATZ Jahrgang 55

56 ENTWICKLUNG MESS- UND PRÜFTECHNIK BILD 2 Aufbau des Lenksystemprüfstands ( ZF) Zylinder an den beiden Spurstangen des Lenkgetriebes (dem Rack) simulieren die Lasten, die von außen auf das Getriebe wirken. Sie bilden den Widerstand nach, der im realen Fahrbetrieb über die Reifen durch die Straße gegeben ist. Bei der Konzeption der Aktuatorik standen die Aspekte einer schnellen, kraftvollen Betätigung bei gleichzeitig ruhigem Lauf, gleichmäßiger Stellkraft und hoher Stellgenauigkeit im Fokus. Beispielsweise arbeiten die Zylinder mit besonders geringer Hydraulikpulsation und die gesamte Prüfstandsaktuatorik entwickelt vergleichsweise geringe Störgeräusche. BILD 3 zeigt eine Auswertung des sogenannten Signalrauschverhältnisses für den neuen Prüfstand. Dieser Kennwert gibt an, wie groß der Einfluss des Prüfstands auf die Messergebnisse ist. Da aufgrund der konstruktiven Maßnahmen alle kritischen Frequenzen des Prüfstands außerhalb des für die Messungen an Lenksystemen relevanten Bereichs liegen, erzielt der neue Prüfstand von ZF und Siemens PLM Software Engineering ein gutes Ergebnis. SENSORKONZEPT Ein Großteil der Lenkgeräusche im Fahrzeuginnenraum ist auf Körperschall zurückzuführen. Dabei generieren die Geräuschquellen des Lenkgetriebes interne, dynamische Kräfte, die durch das Lenksystem übertragen und als Schnittstellenkräfte über die Getriebe lager in die Fahrzeugstruktur eingeleitet und schließlich als Luftschall 56 abgestrahlt werden. Das Verständnis der Transferpfade und die Messung der eingeleiteten Kräfte in allen Raumrichtungen stellen dabei die sinnvollste Methode dar, den Anteil der durch die Lenkung verursachten Geräusche im Innenraum zu quantifizieren. Die Messung der Schnittstellenkräfte ist sehr komplex. Beispielsweise sind spezielle Vorrichtungen und Aufnahmen erforderlich, die mithilfe eines CAE- Modells so konstruiert werden müssen, dass ihr dynamisches Verhalten in der Prüfstandsumgebung mit dem im Auto übereinstimmt. Aufgrund dieser höheren Anforderungen an die Gestaltung des Prüfstands ist es bislang Praxis, bei den Messungen Oberflächenbeschleunigungen zu erfassen und diese dann mit dem Innengeräusch in Korrelation zu setzen. Signalrauschverhältnis [db] Signalrauschverhältnis des Wheel-to-Wheel-Prüfstands Gut / typisch (10 db) Kritischer, relevanter Frequenzbereich [Hz] Der Nachteil dieser Methode ist die hohe Abhängigkeit der Beschleunigungen von der jeweiligen Randbedingung dem lokalen, dynamischen Verhalten der Messstelle. Eine akzeptable Korrelationsgüte ist daher auf eine statistisch signifikante Anzahl von Prüflingen (typischerweise >30) angewiesen. Ebenfalls besteht die Schwierigkeit, gemessene mit simulierten Beschleunigungswerten zu vergleichen, weil diese nicht ohne Weiteres aus dem CAE-Modell abgeleitet werden können. Schnittstellenkräfte hingegen sind im CAE-Modell vergleichsweise einfach zu bestimmen. Der Bereich NVH von ZF hat für die Kraftmessung eigene Messaufbau- und Korrelationsprozesse entwickelt, sodass die Methode der Schnittstellenkraftbestimmung zur heute gängigen Praxis bei ZF gehört. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG Im Testablauf bietet der Prüfstand verschiedene Betriebsmodi und lässt sich flexibel für unterschiedliche Untersuchungsaufgaben einsetzen. Beispielsweise können reale Streckenprofile auf dem Prüfstand nachgefahren und hinsichtlich ihres NVH-Verhaltens analysiert werden. Dazu messen die Prüfingenieure im Rahmen von Testfahrten die Kräfte, die während der Fahrt im realen Fahrzeug auf die Spurstangen wirken, und zeichnen ihren Verlauf über die Wegstrecke auf. Im Prüfstand werden diese Kräfte nachgebildet und die Reaktionen des Lenksystems gemessen. Bei einem anderen Betriebsmodus leitet die Antriebseinheit künstliche, in der Regel sinus- Exzellent Nicht ausreichend BILD 3 Signalrauschverhältnis des Prüfstands: Alle kritischen Frequenzen liegen außerhalb des Messbereichs (schematisch) ( ZF) Bei der Konstruktion des Prüfstands wurde insbesondere ein gutes Signalrauschverhältnis angestrebt Verbessert wurde: Dämpfung Hydrauliksteuerung Dynamik Hintergrundgeräusch Ergebnis: Signalrauschverhältnis überdurchschnittlich gut im Vergleich zu typischen Prüfständen

57 EDAG IST, WENN DER ANSPRUCH AN MOBILITÄT GRENZEN NEU DEFINIERT. WIR SIND STOLZ DARAUF, MIT UNSERER ENGINEERING-EXPERTISE DIE MOBILITÄT IN DIE ZUKUNFT ZU FÜHREN. DENN ENGINEERING HAT FÜR UNS EIN ZIEL: VERBESSERUNG. #COLLECTIVIO Ein intelligentes, autonomes Schwarm-Fahrzeug für den urbanen Lebensraum. Ein zukunftsweisendes Mobilitätskonzept, das wir live auf der IAA 2017 mit der Scrum-Methode entwickelt haben. Mehr unter Jetzt Zukunft erleben: ATZ Jahrgang 57

58 ENTWICKLUNG MESS- UND PRÜFTECHNIK Problem Erweiterter NVH- Prozess Lösung Fahrzeugebene Objektive Fahrzeugdaten (Hör- und Körperschall) Simulierte Schnittstellenkräfte Validierung des Fahrzeug-/ Innengeräuschsimulation Prüfstandsmodells Validierung des CAE- Modells W2W Rig Schnittstellenkräfte Parametervariation Getriebe- und Prüfstands-CAE-Modell Subsysteme Komponenten Interaktionen Systemebene Pareto-Diagramm BILD 4 Optimierungsweg mit dem neuen Prüfstand: Das Problem am Fahrzeug wird auf die Systemebene übertragen und gelöst, das Ergebnis dann im System und im Fahrzeug getestet ( ZF) förmige Lenkbewegungen in das Getriebe ein. Die beiden Zylinder an den Spurstangen wirken dann nur als Gegenkraft, analysiert werden Schwingungen oder akustische Auffälligkeiten der Lenkung. AUSWERTUNG DER MESSERGEBNISSE UND OPTIMIERUNGSSCHRITTE 58 Die Untersuchung des NVH-Verhaltens im Gesamtfahrzeug kann über eine experimentelle oder virtuelle Transferpfadanalyse erfolgen. Als Eingangsgrößen der Berechnung dienen die am Prüfstand gemessenen Kräfte und Beschleunigungen, die am Lenkgetriebe übertragen werden. Das NVH-Verhalten des Gesamtfahrzeugs wird durch ein Transferpfadmodell abgebildet, das die Geräuschübertragung von den Krafteinleitungspunkten bis hin zum Fahrerohr beschreibt. Die von ZF eingesetzten Softwaretools LMS-Test.Lab und LMS-Virtual.Lab bieten dabei effi ziente Lösungen zur Bestimmung von Geräuschproblemen, deren Ursprung, deren Übertragungsmechanismen sowie zur Bewertung von Bauteil veränderungen. Generell ist die Transferpfadanalyse ein bewährtes Werkzeug, um Geräuschübertragungspfade innerhalb der Struktur zu ermitteln und zu bewerten und zwar von der Erregungsquelle bis hin zu einer Empfängerposition. Allerdings müssen dazu alle relevanten Geräuschquellen und -pfade des Gesamtfahrzeugs möglichst genau quantifiziert und modelliert werden. Das ist speziell in einer frühen Projektphase, wenn von neuen Fahrzeugen oftmals noch keine Prototypen verfügbar sind, nur schwierig zu bewerkstelligen. Dabei hilft das Know-how von ZF beziehungsweise deren Kunden dabei, die wichtigen Pfade für die zielgerichtete Beurteilung zu modellieren, die richtigen Annahmen und Abschätzungen für das Modell zu treffen und die Validierung im Projektverlauf mit konkreten Konstruktionsparametern weiter voranzutreiben. Zeigt die Transferpfadanalyse Auffälligkeiten in einem oder mehreren Frequenzbereichen, muss die Quelle des Geräuschs zurückverfolgt sowie der Hauptübertragungspfad identifiziert werden. Ein Variationsparameter, mit dem das NVH- Verhalten des Lenkgetriebes optimiert werden kann, ist beispielsweise die strukturdynamische Charakteristik der Lagerungspunkte beziehungsweise der Buchsen, mit denen das Lenkgetriebe an das Fahrzeug angebunden ist. Aber auch andere Parameter der unterschiedlichen geräuschverursachenden Bauteile oder Baugruppen bis hin zur Steuerungs elektronik und -software können innerhalb des Lenkgetriebes variiert werden, um zu einer ausgewogeneren Abstimmung des Gesamtsystems zu gelangen und Geräuschquellen möglichst zu verringern. FALLBEISPIEL BILD 4 zeigt eine Optimierung eines Lenksystems mit der neuen Entwicklungsmethode anhand eines exemplarischen Fallbeispiels. Bei Prototypentests eines neuen Fahrzeugmodells wurden von den Entwicklungsingenieuren deutliche Geräusche festgestellt, wenn das Lenkrad im Uhrzeigersinn bewegt wird. Bei der Drehung gegen den Uhrzeigersinn entsteht dieses Geräusch nicht. Dies ist ein konstruktives Problem und muss vor Serienanlauf abgestellt werden, um Kundenbeanstandungen zu verhindern. Eine Akustikanalyse am Fahrzeug zeigt die Auffälligkeiten im Geräuschverhalten der Lenkung, die in BILD 4 (links oben) gelb markiert sind. Diese sind auch bei Prüfstandstests reproduzierbar, wie die Einkreisungen in BILD 4 (links unten) zeigen. Mittels CAE analysieren die Entwicklungsingenieure von ZF das Problem und erarbeiten Gegenmaßnahmen. Aufgrund der Charakteristik

59 Wenn aus Faszination Berufung wird. Jetzt bei MBtech bewerben! BILD 5 Gewichtung der das Gesamtgeräusch beeinflussenden Geräuschanteile mittels Pareto-Diagramm ( ZF) Spannend wird s bei uns für Ingenieure (M/W) und Techniker (M/W) der Fachrichtungen: der Geräuschemission entlang der Ordnungslinien, BILD 4 (links unten), lässt sich eine ausgeprägte Kopplung mit der Drehzahl erkennen. Das ist ein Indiz für den Elektromotor der Lenkung als Geräuschquelle. Diese Vermutung bestätigen die Ergebnisse der CAE-Untersuchung. Im vorliegenden Beispiel überlagert sich dieser Effekt mit einer noch nicht optimierten Lagerung des Lenkgetriebes. Als Abhilfemaßnahme werden der Elektromotor und seine Steuerung geändert und eine im betreffenden Frequenzbereich angepasste Lenklagerung appliziert. Wie BILD 4 (rechts unten) zeigt, sind bei den folgenden Prüfstandstests mit den konstruktiven Änderungen die benannten Geräusche deutlich verringert. Auch die sich daran anschließenden Verifikationstests im realen Fahrzeug bestätigen den Erfolg der Optimierungsmaßnahme, BILD 4 (rechts oben). Gemäß Pareto-Prinzip werden vor der eigentlichen Optimierung die einzelnen, das Gesamtgeräusch beeinflussenden Geräuschanteile gewichtet, BILD 5. um in Simulations- und Transferpfadmodellen abgebildet werden zu können. Damit ist er eine der zentralen Säulen der neuen Entwicklungsmethodik von ZF, die eine zielgerichtete und effiziente NVH-Entwicklung möglich macht. Die neue Methodik liefert früh im Konzeptund Entwicklungsprozess belastbare Ergebnisse, sodass zeitraubende und kosten intensive Änderungen kurz vor Serienstart vermieden werden können, erlaubt aber auch eine Untersuchung und Optimierung bestehender Konstruktionen. (Wirtschafts-) Informatik Elektro- & Informationstechnik Physik Mechatronik Maschinenbau Fahrzeugtechnik Mit mehr als Mitarbeitern, an weltweit 36 Standorten, ist MBtech das Automotive Kompetenzzentrum in der AKKA Gruppe. Unsere Entwicklungstiefe und Internationalität in Zusammenhang mit unserer Unternehmensgröße machen uns zu einem der wichtigsten Engineering- und Consulting-Dienstleister der Moblitätsindustrie. Nutzen Sie Ihre Karrierechancen: mbtech-group.com/karriere ZUSAMMENFASSUNG Mithilfe des von ZF entwickelten Lenksystemprüfstands lässt sich das NVH-Verhalten der Lenkung mit hoher Genauigkeit und in geeigneter Weise bestimmen, READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: ATZ Jahrgang 59

60 ENTWICKLUNG SIMULATION UND TEST AUTOREN Dipl.-Ing. Mario Teitzer ist Projektleiter für Simulation Fahreigenschaften und Fahrzeugeffizienz bei der AVL List GmbH in Graz (Österreich). Dipl.-Ing. Robert Schuh ist Funktionsgruppensprecher für V8/Grundapplikation, Verbrennung und Thermodynamik bei der Mercedes-AMG GmbH in Affalterbach. Motoranforderungen für ein souveränes Fahrerlebnis Eine neuartige Auslegungsmethode Dipl.-Ing. Martin Glose ist Leiter für Verbrennung/ Grundapplikation bei der Mercedes-AMG GmbH in Affalterbach. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Martin Arntz ist Projektleiter für AVL-Drive bei der AVL List GmbH in Graz (Österreich). Den gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich Emissionen und Verbrauch stehen steigende Kundenanforderungen hinsichtlich Fahrerlebnis, Fahrleistung und Komfort gegenüber. AVL und Mercedes-AMG begegnen dieser Herausforderung mit einer neuartigen modellbasierten Entwicklungsmethode, in deren Zentrum die für den Endkunden erlebbaren Fahreigenschaften als aus legungsrelevante objektivierte Fahrzeugziele stehen. MOTIVATION 60 Mercedes-AMG hat den Anspruch, Gesamtfahrzeugeigenschaften wie emotionales Fahrerlebnis, Performance, Komfort, Effizienz und Emissionen für verschiedene Fahrzeugvarianten bereits in der Motorauslegung zu berücksichtigen. Steigende Variantenvielfalt, zunehmend kürzer werdende Entwicklungszyklen und niedrigere Entwicklungskostenziele erfordern eine reduzierte Anzahl der Entwicklungsschleifen bei gleichbleibend hoher Produktqualität. Für den Endkunden erlebbare Eigenschaften wie das Beschleunigungsverhalten, Agilität oder Fahrkomfort finden in der Auslegungsphase eines Motors bisher eine noch zu geringe methodische Berücksichtigung. Das liegt unter anderem daran, dass Implikationen auf einzelne Hardwarelastenhefte im Gegensatz zu Nennleistung und Nennmoment vom Gesamtfahrzeug abhängen und daher viel schwieriger exakt abzuschätzen sind. Die Spezifikation zum Beispiel des Aufladesystems eines Verbrennungsmotors wird bereits sehr früh festgelegt, bestimmt später jedoch maßgeblich das subjektive Fahrerlebnis in der jeweiligen Fahrzeugvariante. Es besteht damit die Gefahr, dass Hardwareentscheidungen zunächst nicht optimal getroffen werden und damit in einer späteren Phase des Entwicklungsprozesses zusätzliche zeit- und kostenintensive Schleifen nötig werden. Im Einzelfall müssten bei der Motorapplikation im Fahrzeug Kompromisse eingegangen werden. Die zuvor genannten und teilweise im Widerspruch stehenden Anforderungen haben AVL List und Mercedes-AMG veranlasst eine Methode zu entwickeln, um Hardwareeigenschaften bereits in der Konzeptphase auf subjektiv erlebbare Gesamtfahrzeugeigenschaften hin robuster zu spezifizieren.

61 AVL SOFTWAREWERKZEUGE Das Auslegen von System- und Hardwareeigenschaften in Hinblick auf Gesamtfahrzeugzielwerte erfordert eine Simulation von Fahrzeug und Fahrverhalten inklusive der auszulegenden Teilsysteme beziehungsweise Komponenten. Dafür wird das Fahrdynamiksimulationspaket AVL VSM eingesetzt. Es ermöglicht dem Anwender, ein Gesamtfahrzeugmodell aus vordefinierten para metrierbaren Submodellen für Motor, Triebstrang, Fahrwerk, Reifen aber auch Umgebung, Manöver und Fahrer aufzubauen, ohne eigene komplexe Simula tionsmodelle erstellen zu müssen [1]. Des Weiteren ist es notwendig, auslegungsrelevante Gesamtfahrzeugziele, insbesondere subjektives Fahrempfinden, zu objektivieren und damit messund vergleichbar zu machen. AVL-Drive wird bereits seit 1997 ein gesetzt und stetig weiterentwickelt mit dem Ziel, die stark schwankende subjektive Beurteilung von Fahrbarkeit zu objektivieren und gleichzeitig für automatisierte Optimierungsverfahren zugänglich zu machen. Der Kern des Systems ist die automatische Identifikation zahlreicher unterschiedlicher Fahrsituationen in Echtzeit und ihre Bewertung auf Basis berechneter physikalischer Parameter mit dem AVL-Drive Rating (DR) als zentrale Bewertungsgröße. Die Bewertungsskala orientiert sich am europäischen VDI-Standard und reicht von 1 bis 10, wobei 10 die jeweils beste Bewertung darstellt [2, 3]. Kombiniert man die Fahrdynamiksimulation mit der Vorhersage, wie ein menschlicher Fahrer das simulierte Fahrzeugverhalten subjektiv empfinden würde, und koppelt dies an ein modellbasiertes, interaktives Optimierungssystem, so erhält man einen leistungsfähigen Toolverbund, der sehr effektiv zur Hardwareauslegung eingesetzt werden kann, BILD 1. AVL Cameo ermöglicht mithilfe der Methoden der statistischen Versuchsplanung (DoE) eine effiziente Variation zum Beispiel aller möglichen Motordrehmomentcharakteristiken und damit virtueller Motor-Fahrzeug-Varianten. Jede einzelne Variante wird einem virtuellen Fahrversuch unterworfen, dessen Ergebnisse sofort einer objektivierten Fahrbarkeitsbewertung zugeführt werden. Ein Fahrversuch kann dabei aus unterschiedlichen auslegungsrelevanten Fahrmanövern wie zum Beispiel Volllastbeschleunigung, Teillastbeschleunigung oder der Beschleunigung km/h bestehen. Die Bewertung dieser Variante fließt entweder in Form quantitativer Drive Ratings oder physikalischer Kennwerte als Ergebnisgröße zurück in die Optimierungsschleife. Die am Ende des Optimierungsprozesses gefundenen notwendigen Hardwareeigenschaften dienen als treffsichere Zielwerte für die Spezifikation des jeweiligen Hardwarelastenhefts. Realisiert wird die Auslegungsmethode also durch eine neuartige Kopplung von seit vielen Jahren bewährten Softwarewerkzeugen, die mithilfe der Simulation das Verlagern von Aufgaben der Fahrbarkeitsentwicklung von der Straße hin zu früheren Entwicklungsphasen am Prüfstand ermöglichen [4, 5]. In ähnlicher Weise gelingt es jetzt bereits in der noch früheren Konzeptphase, diese Werkzeuge zu nutzen, um damit die Hardware gezielt auf die später zu kalibrierenden Gesamtfahrzeugeigenschaften hin auszulegen. ATZ Jahrgang 61

62 ENTWICKLUNG SIMULATION UND TEST 1. Wettbewerberanalyse 4. Optimale Drehmomentcharakteristik BILD 1 Prinzip der modellbasierten Hardwareaus legung unter Einbeziehung von Gesamtfahrzeugeigen schaften wie Fahrbarkeit und Fahr leistung ( AVL) 3. DoE-basierte interaktive Optimierung 2. Zielwertdefinition Drehfreude DR 8,7 Low-end Torque DR 8, km/h [s] 3,5 DR = AVL-Drive Rating AVL AVL Cameo VSM AVL-Drive Ergebnis: Optimale Volllastbeschleunigung Optimale stationäre Momentencharakteristik Optimaler transienter Drehmomentaufbau VIRTUELLE MOTORAUSLEGUNG ALS ANWENDUNGSBEISPIEL Die Drehmoment- und Leistungscharakteristik eines Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader (ATL) lässt sich in AVL VSM in Abhängigkeit des Betriebspunkts durch ein stationäres Drehmomentkennfeld sowie durch eine transiente Drehmomentaufbaudynamik sehr gut abbilden. Für die Umsetzung der vorgestellten Optimierungsmethode zur Motoraus legung wurden für die Drehmoment charakteristik parametrische Submodelle entwickelt. STATIONÄRES VOLLLASTMODELL Zur Modellierung der stationären Volllastcharakteristik wird diese zunächst in drei drehzahlabhängige Segmente unterteilt und für jedes Segment mittels mathematischer, stückweise stetiger Funktionen beschrieben, BILD 2 (a). Formparameter des stationären Volllastmodells sind: Drehmoment bei 1000/min M 1000 Drehmomentanstieg in Gl. 1 k M1 Maximaldrehmoment M max Drehzahl bei Maximaldrehmoment n M Drehmomentanstieg in Gl. 2 k M2 maximale Leistung P max Drehzahl bei maximaler Leistung n P Steigung der Leistungskurve k P1 Krümmung der Leistungskurve k P2 Gl. 1 Gl. 2 Drehmoment im unteren Drehzahlbereich M 1 (n)=m n k M1 (1) P 1 (n)=m 1 (n) π n (2) Drehmoment im mittleren Drehzahlbereich M 2 (n)=m max + n-n M 1000 k M2 (3) Das Drehmoment wird auf das Nennmoment M max beschränkt, und danach analog zu (2) die Leistung berechnet: P 2 (n)=m 2 (n) π n (4) BILD 2 Parametrische Modelle der Motordrehmomentcharakteristik (schematisch) ( AVL) 62

63 BILD 3 Beispiele unterschiedlich formbarer Volllastkennlinien (schematisch) ( AVL) Gl. 3 Nennleistungsbereich Anders als in den beiden Segmenten davor wird im Nennleistungsbereich nicht das Drehmoment, sondern die für ein drehfreudiges Fahrbarkeitsempfinden relevante Nennleistungskurve geformt: P 3 (n)= P max + n-n P 1000 k P1- n-n P 2 ( 1000 ) k P2 (5) Auch hier wird die Leistung auf die Nennleistung P max beschränkt, um im Anschluss daraus das korrespondierende Drehmoment zu berechnen: M 3 (n)=p 3 (n) π n (6) ZUSAMMENFÜGEN DER SEGMENTE Im letzten Schritt der Berechnung werden die Kennlinien der einzelnen Segmente wieder zu einer gesamten Kennlinie kombiniert. BILD 3 zeigt einige Beispiele verschiedener Volllastkennlinien, die durch Variation weniger dieser Parameter geformt wurden. TRANSIENTES DREHMOMENTMODELL Das Transientverhalten eines Turbomotors wird bestimmt durch das mit hoher Dynamik erreichbare Saugmoment und den langsameren Ladedruckaufbau des ATL, der wesentlich von dessen geometrischer Gestaltung und vom Betriebspunkt abhängt. Es wird in guter Näherung mit einem vereinfachten Drehmomentgradientenmodell beschrieben, das durch drei weitere Parameter definiert wird, BILD 2 (b): Drehmomentgradient bei 1000/min grad 1 Drehmomentgradient bei 5000/min grad 5 Progressionsfaktor prog Der Progressionsfaktor beeinflusst, zu welchen Anteilen sich der Drehmomentgradient aus einem linearen und einem kubischen Anteil zusammensetzt und ermöglicht auf diese Weise unterschiedliche Auslegungsspielräume des ATL für den Worst Case Volllastbeschleunigung. AUSLEGUNGSPROZESS Die zuvor vorgestellte Optimierungsmethode und die parametrischen Modelle werden im Rahmen eines exemplarischen Auslegungsprozesses für die Drehmomentcharakteristik eines High-Performance-Turbomotors für eine definierte Fahrzeugvariante vorgestellt. BILD 4 veranschaulicht diesen mehrstufigen Prozess. WETTBEWERBSANALYSE Die Beobachtung des relevanten Wettbewerbsumfelds liefert wichtigen Input hinsichtlich der Zielwerte auslegungsrelevanter Fahrzeugeigenschaften. Beispielhaft wurden einige kundenrelevante Fahrleistungs- und Fahrbarkeitskriterien, die maßgeblich das subjektive Fahrerlebnis widerspiegeln, ausgewählt: 1. Fahrbarkeit mit Fokus auf Drehmoment- und Leistungsentfaltung bei einer Volllastbeschleunigung für die Gänge 2 bis 5, ausgedrückt durch die AVL-Drive-Kriterien: 90 % Drehmomentschwelle zur Bewertung des Drehmomentaufbaus im unteren Drehzahlbereich 90 % Drehmomentspanne zur Bewertung des Drehmomentverlaufs im mittleren Drehzahlbereich Drehfreude zur Bewertung der Leistungskurve im Nennleistungsbereich. 2. Fahrleistung, repräsentiert durch minimal erreichbare Beschleunigungszeiten für: km/h km/h. In BILD 6 sind die auslegungsrelevanten Kriterien aus dem Benchmarking jeweils als blaues Streuband für Fahrbarkeit beziehungsweise Fahrleistung dargestellt. ZIELWERTDEFINITION Basierend auf der marken- und produktspezifischen Auslegung von Mercedes- AMG und dem Ergebnis der Wettbewerbsanalyse wurden konkrete Zielwerte für ATZ Jahrgang 63

64 ENTWICKLUNG SIMULATION UND TEST BILD 4 Typischer Auslegungsprozess in der Konzeptphase ( AVL) die genannten Kriterien fest gelegt. In BILD 6 ist der durchaus sehr ambitionierte Zielwertebereich als grüne Fläche eingetragen. ERGEBNISSE DER OPTIMIERUNG IM VIRTUELLEN FAHRVERSUCH Nach der Festlegung der Gesamtfahrzeugzielwerte findet die virtuelle Systemauslegung mithilfe der zuvor vorgestellten toolgestützten Optimierungsmethode statt. Exemplarisch werden zwei Auslegungsvarianten mit unterschiedlichen Rand bedingungen gegenübergestellt: Variante 1: Optimierung nur der Fahrbarkeit Variante 2: gleichgewichtige Optimierung von Fahrbarkeit und Fahrleistung Nennleistung: 430 bis 480 kw Nenndrehmoment: keine Einschränkung. Die für jede Variante jeweils optimale Drehmomentcharakteristik ist in BILD 5 dargestellt und liefert hinsichtlich Fahrbarkeit und Fahrleistung die in BILD 6 als farbige Linien beziehungsweise Dreiecke dargestellten Ergebnisse (simuliert). Beide Varianten liegen zum Teil deutlich besser als die Wettbewerber und erfüllen in den meisten auslegungsrelevanten Kriterien (hervorgehoben) die Zielwerte. Es zeigt sich, dass Motorvariante 1 erwartungsgemäß etwas bessere Fahrbarkeitsergebnisse liefert und trotzdem die gesetzten Zielwerte der Fahrleistung erfüllt. Für das Kriterium 90 % Drehmomentschwelle konnte der Zielwert jedoch in beiden Varianten nicht erreicht werden, wofür eine gangabhängige Drehmomentbegrenzung des Getriebes in niedrigen Gängen verantwortlich ist und die dazu geführt hat, dass für diese Gänge das erwartete Low-End-Torque-Verhalten nicht erfüllt werden konnte. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Im Rahmen des vorliegenden Beitrags wurde eine neuartige toolgestützte Optimierungsmethode vorgestellt, um damit das subjektive Fahrerlebnis als Auslegungsgröße für die Hardwareauslegung in der frühen Konzeptphase gezielt zu berücksichtigen. Am Beispiel der virtuellen Motorauslegung wurde ein typischer Prozess zur BILD 5 Zwei Drehmomentvarianten für das Zielfahrzeug als Ergebnis der Auslegung (schematisch) ( AVL) 64

65 BILD 6 Bewertung der zwei ausgelegten Motorvarianten für Volllastbeschleunigung mit AVL-Drive (oben) und Fahrleistung (unten) im Vergleich zum Wett bewerberstreuband (Messungen) in blau und dem definierten Ziel wertebereich in grün ( AVL) 4,5 4, km/h 15,0 14, km/h 4,1 14,0 Fahrleistung [-] Beschleunigungszeit [s] 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2, Motorleistung [kw] Variante 1 nur Fahrbarkeit optimiert Variante 2 Fahrbarkeit & Fahrleistung optimiert Wettbewerber 13,5 13,0 12,5 12,0 11,5 11,0 10,5 10, Motorleistung [kw] READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: Auslegung der stationären Drehmomentcharakteristik durchschritten. Es hat sich gezeigt, dass bereits früh wechselseitige Beziehungen widersprüchlicher Fahrzeugzielwerte sichtbar werden und damit einen deutlich gesteigerter Reifegrad zu Beginn der hardwarebasierten Entwicklungsphase des aufeinander abgestimmten Motor-Triebstrang-Systems verspricht. Die als Ergebnis erhaltene Drehmomentcharakteristik dient etwa als wichtige Eingangsgröße für die Spezifikation des Aufladesystems oder als Grundlage möglicher weitergehender Untersuchungen hinsichtlich Elektrifizierung des Antriebs. Grundsätzlich verspricht die vorgestellte Auslegungsmethode eine sehr breite Nutzbarkeit für verschiedenste Untersuchungen, zum Beispiel für die Auslegung eines elektrifizierten Antriebs strangs oder für die Fahrwerksauslegung zur Erreichung gewünschter Querdynamikeigenschaften. LITERATURHINWEISE [1] Zehetner, J.; Schöggl, P.; Dank, M.; Meiz, K.: Simulation of Driveability in Real-Time. SAE Technical Paper , 2009 [2] List, H.; Schöggl, P.: Objective Evaluation of Vehicle Driveability. SAE Technical Paper , 1998 [3] Schöggl, P.; Ramschak, E.: Vehicle Driveability Assessment Using Neural Networks for Development, Calibration and Quality Tests. SAE Technical Paper , 2000 [4] Boissinot, F.; Bellavoine, J.; Shabashevich, A.; Puster, S.: Automated Calibration for Transmission on Powertrain Dynamometers. SAE Technical Paper , 2015 [5] Damji, N.; Dresser, D.; Bellavoine, J.: Automated Model-Based Calibration for Driveability Using a Virtual Engine Test Cell. SAE Technical Paper , 2015 ATZ Jahrgang 65

66 ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT Traktionsbatterie als thermischer Speicher Die Reichweite von Elektrofahrzeugen sinkt speziell bei niedrigen Außentemperaturen drastisch. Um diese Reichweitenvarianz zu reduzieren, arbeiten unter anderem die Partner Denso, Fraunhofer LBF, das ika der RWTH Aachen sowie das Virtual Vehicle Research Center im Optemus-Projekt an einer integrierten Lösung bestehend aus einem Batteriesystem und einer kom pakten Wärmepumpeneinheit, die es ermöglicht, in der Batterie gespeicherte thermische Energie als Wärmequelle zu nutzen. RWTH Aachen AUTOREN Alois Steiner ist stellvertretender Gruppenleiter im Bereich Thermal Management & Mobile Air Conditioning am Virtual Vehicle Research Center in Graz (Österreich). Gero Mimberg ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Antrieb des Instituts für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University. Felix Weidmann ist Fachteamleiter für Composite- Technologien im Bereich Kunststoffe des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt. Andrés Caldevilla ist Leiter der Technologie- Trend forschung bei der Denso Automotive Deutschland GmbH in Eching. 66

67 REICHWEITENPROBLEME BEI ELEKTROFAHRZEUGEN Bei aktuellen Elektrofahrzeugen variiert die Reichweite stark in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen. In Winter szenarien und bei Einsatz einer reinen Widerstandsheizung kann sich die Reichweite auf weniger als die Hälfte verringern. Die Verwendung der Kälteanlage als Wärmepumpe gilt als eine vielversprechende Lösung für diese Problemstellung. Im EU-Forschungsprojekt Optemus arbeiten unter anderem die Partner Denso, Fraunhofer LBF, das ika der RWTH Aachen sowie das Virtual Vehicle Research Center als Projektkoordinator an einer Lösung mit einer kompakten Wärmepumpeneinheit, die die Einbindung verschiedener Wärmequellen ermöglicht. Die Traktionsbatterie verfügt aufgrund ihres hohen Gewichts auch über eine entsprechende thermische Speicherfähigkeit. Für die im Projekt verwendete Lithium-Ionen-Batterie wurde ein Konzept zur Speicherung von thermischer Energie entwickelt. In Kombination mit einer vorausschauenden Vorkonditionierung, die zum Beispiel den Abfahrtszeitpunkt sowie das Wetter berücksichtigt, kann so die Batterie entsprechend temperiert werden. Die gespeicherte Wärme kann dann wiederum von der Wärmepumpeneinheit für die Beheizung der Fahrzeugkabine genutzt werden. KOMPAKTE WÄRMEPUMPENEINHEIT Bei der von Denso entwickelten Wärmepumpeneinheit (Compact Refrigeration Unit, CRU), BILD 1, handelt es sich um ein kompaktes Wasser-Wasser-System, bei dem ein Kompressor, zwei Wärmeübertrager und ein Expansionsventil (EXV) im selben Gehäuse untergebracht sind [1]. Auf der Seite des Verdampfers wird somit dem Kühlmittelkreislauf Wärme entzogen und dem Kühlmittel, das durch den Kondensator strömt, zugeführt. Die beiden somit entstehenden Temperaturniveaus können für das Thermomanagement im Fahrzeug durch eine bedarfsgerechte Verteilung mithilfe von Ventilen genutzt werden. Mithilfe dieses Systems ist es beispielsweise möglich, eine Wärmepumpenfunktion zu realisieren, indem die elektrischen Komponenten sowie die Batterie gekühlt werden und die Abwärme zum Heizen des Innenraums verwendet wird. Besteht der Bedarf, die Batterie und die Fahrzeugkabine zu beheizen, kann die Außenluft als Wärmequelle verwendet werden. Auch im Kühlbetrieb ist mit diesem System eine entsprechende Kombination von Wärmequellen und -senken möglich. BATTERIE MIT PCM UND THERMISCH ISOLIERTEM GEHÄUSE Die Leistungsfähigkeit der Hochvoltbatterie ist bei niedrigen beziehungsweise BILD 1 Kompakte Wärmepumpeneinheit von Denso im Fahrzeug ( Virtual Vehicle) ATZ Jahrgang 67

68 ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT BILD 2 Schematischer Aufbau eines Batteriemoduls mit PCM ( RWTH Aachen) hohen Temperaturen stark eingeschränkt. Bei Abnahme der Batterietemperatur von 20 auf 0 C reduziert sich der Wirkungsgrad aktueller Lithium- Ionen-Batterien um etwa 20 % [2]. Das am ika entwickelte Batteriekonzept sieht einen Wärme transfer über die Systemgrenzen durch Verwendung eines Wasser- Glykol-Kreislaufs vor, der sowohl das Kühlen als auch das Heizen der Batterie ermöglicht. Um die thermische Stabilität und die in der Batterie speicherbare Wärmemenge zu erhöhen, wird zusätzlich ein spezielles Phasenwechselmaterial (PCM) in der Batterie verwendet. BILD 2 zeigt den schematischen Aufbau eines Batteriemoduls. Das Optemus-Batteriemodul besteht aus 144 Batteriezellen des Typs Die freien Hohlräume zwischen den Zellen sind mit einem speziellen PCM gefüllt. Um unter den Zellen im Modul eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten, stehen alle Zellen auf einer mithilfe von 3-D-Simulationen strömungsoptimierten Kühlplatte. Bei einer Abkühlung der Batterie von 35 auf 15 C können somit dem Wasser- Glykol-Kreislauf 1,7 kwh thermische Energie bei einer maximalen Leistung von 1,9 kw zugeführt werden, die durch die thermische Leitfähigkeit des PCMs begrenzt ist [3]. Diese konnte durch 68 BILD 3 Temperaturverteilung im Batteriemodul ohne (links) und mit (rechts) Kühlstiften ( RWTH Aachen)

69 Zugabe von Bornitridpartikeln um 400 % gesteigert werden, während die elektrische Isolationsfähigkeit erhalten bleibt. Die thermische Kontaktierung des PCMs konnte durch Einbringen zusätzlicher Kühlstifte verbessert werden. BILD 3 zeigt die Temperaturverteilung im Batteriemodul (Starttemperatur 25 C, Kühlplattentemperatur 15 C) am Ende einer 15-minütigen Ladung mit maximaler Laderate, wobei pro Zelle 0,83 W Wärme (als konstant angenommen) generiert werden. Durch die verbesserte thermische Kontaktierung des PCMs wird sowohl die maximale axiale Temperaturdifferenz der Zellen als auch die durchschnittliche Zelltemperatur im Batteriemodul signifikant gesenkt. In weiteren Simulationen konnte am ika nachgewiesen werden, dass die Optemus-Batterie auch ohne Kühlung die gesamte, bei einer Schnellladung bei Raumtemperatur freiwerdende Wärmemenge absorbieren kann, ohne dabei für die Zellen kritische absolute Temperaturen oder Temperaturgradienten anzunehmen. Um die Wärmespeicherfähigkeit des Batteriemoduls für eine Vorkonditionierung optimal nutzen zu können, wurde ein thermisch isolierendes Gehäuse entwickelt, BILD 4. Es basiert auf einem integralen Polymerschaum, der maßgeblich der thermischen Isolation dient. Dieser wird mit hochfesten Decklagen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (TP-FKV) verstärkt, um eine Sandwichstruktur zu erhalten. Deren Herstellung erfolgt dabei großserientauglich mithilfe eines neuartigen hybriden Verfahrens, aufbauend auf dem Schaumspritzgießprozess. Um die thermische Isolationsfähigkeit des neuartigen Gehäuses zu prüfen, wurde eine experimentelle Versuchsreihe durchgeführt. Dabei wurden jeweils ein Aluminiumreferenzgehäuse sowie ein TP-FKV-Sandwichgehäuse gefertigt. Die Batterie-Submodule wurden mit 40 Zellen vom Typ aufgebaut, wobei zwei Zellen mit Temperatursensoren ausgestattet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass bei Umgebungstemperaturen von -10 C die Abkühlrate vorkonditionierter Zellen von 23 bis 2 C durch die Verwendung von FKV-Sandwichgehäusen im Vergleich zu Aluminiumgehäusen um mehr als 250 % reduziert und somit die thermische Isolation klar gesteigert werden konnte. VORKONDITIONIERUNG Die Vorkonditionierung eines Elektrofahrzeugs bietet zwei wesentliche Vorteile: Erstens wird der Komfort verbessert, da die Passagiere nicht in einen kalten oder heißen Innenraum einsteigen müssen, zweitens wird die elektrische Reichweite durch die Verringerung der Kompressorleistung bei Fahrtbeginn im Vergleich zu einem nicht-konditionierten Fahrzeug erhöht. Besonders bei kalten Winterbedingungen kann die Vorkonditionierung auch auf die Batterie angewendet werden, um eine optimale Batterietemperatur beim Abfahren zu erzielen und somit die Reichweite und die Lebensdauer der Batterie zu verbessern. Zusätzlich kann die in der Batterie gespeicherte Wärme auch für die Beheizung der Fahrzeugkabine verwendet werden. NEU: Leichtbaulager aus 3D-Druck Light Bearings for Innovation BILD 4 Batteriemodulgehäuse mit Sandwichstruktur aus isolierendem Integralschaum und hochfesten Decklagen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (TP-FKV) ( Fraunhofer LBF) ATZ Jahrgang 69

70 ENTWICKLUNG THERMOMANAGEMENT BILD 5 HMI und Kommunikationsarchitektur der Vorkonditionierung ( Denso) Um eine effiziente thermische Vorkonditionierung des Kabinenraums zu ermöglichen, hat Denso eine innovative Lösung entwickelt [1]. Die Herausforderung besteht darin, den optimalen Zeitpunkt zu finden, um die Vorkonditionierung des Fahrzeugs (Aufheizen oder Abkühlen des Innenraums) zu starten, ohne die Reichweite des Fahrzeugs erheblich zu reduzieren (falls das Fahrzeug nicht mit der Ladesäule verbunden ist). Dafür wurde sowohl ein getriggerter (direkt vom Benutzer mittels einer App ausgelöst) als auch ein prädiktiver Algorithmus entwickelt, der das Fahrer verhalten (Annäherung an das Fahrzeug) registriert und die Vorkonditionierung des Kabinenraums just-in-time bei Ankunft des Fahrers sicherstellt. Wie in BILD 5 dargestellt, kann der Benutzer die Vorkonditionierungsfunktionalität mit einer App steuern, die mit dem Fahrzeug-Human-Machine-Interface (HMI) über einen Cloud-Server kommuniziert. Das HMI sendet die benötigten Informationen über das CAN-Bus-Gateway (GW) an die Thermomanagement-ECU (TMECU). Dieser High-Level- Controller startet dann den optimierten Vorkonditionierungsvorgang, um die gewünschte Zieltemperatur im Innenraum kurz vor dem Einsteigen der Passagiere zu erreichen. 70 BILD 6 Leistung des PTC-Heizers (links oben) und Kabinentemperatur (links unten) mit und ohne Vorkonditionierung (Fall 1 in blau, Fall 2 in rot) sowie berechneter Energieverbrauch (rechts oben) für die vier definierten Fälle und deren Auswirkung auf die Reichweite (rechts unten) ( Virtual Vehicle)

71 Partner schafft Perspektiven SIMULATIONSERGEBNISSE Um die Auswirkungen der genannten Techniken auf den Energiebedarf und die Reichweite quantifizieren zu können, wurden vier verschiedene Fälle bei -10 C Umgebungstemperatur simulativ betrachtet: In Fall 1 erwärmt ein PTC- Heizer einen nicht-vorkonditionierten Fahrgastraum, in Fall 2 wurde der Fahrgastraum während des Ladevorgangs auf 20 C vorkonditioniert. Fall 3 repräsentiert die Beheizung des bereits vorkonditionierten Fahrgastraums mithilfe der kompakten Wärmepumpeneinheit unter Verwendung der Außenluft als Wärmequelle (durchschnittlicher COP = 1,1). Fall 4 verwendet anstatt der Außenluft die Batterie als Wärmequelle (durchschnittlicher COP = 2,1). Als Fahrzyklus wurde der 30-minütige Aachen Driving Cycle verwendet. BILD 6 zeigt, dass in beiden ersten Fällen die Heizung aufgrund der Regelstrategie zunächst bei Maximalleistung betrieben wird, diese aber im Fall 2 (aufgrund der Vorkonditionierung) deutlich früher heruntergeregelt wird, wodurch der Energieverbrauch von 2,06 auf 1,18 kwh sinkt. Bei der Verwendung der kompakten Wärmepumpeneinheit mit der Außenluft als Wärmequelle sinkt der Energieverbrauch auf 1,07 kwh, und die Nutzung der Batterie als Wärmequelle ermöglicht eine weitere deutliche Absenkung des Energieverbrauchs auf 0,56 kwh, BILD 6 (oben rechts). Dies führt bei einem beispielhaften Fahrzeug aus dem A-Segment (Energieverbrauch für Traktion von 159 Wh/km) zu einer Erhöhung der Reichweite von 103 km (Fall 1) auf 108 km für Fall 2 (+5 %), auf 111 km für Fall 3 (+7 %) sowie auf 117 km (+13 %) beim Einsatz aller genannten Techniken. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die Verwendung der kompakten Wärmepumpeneinheit in Kombination mit einer Batterie mit integriertem PCM als Wärmespeicher ermöglicht im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Vorkonditionierung der Batterie und der Kabine deutliche Energieein sparungen während der Fahrt. Basierend auf Simulationsrechnungen für den Heiz betrieb bei -10 C Außentemperatur wurden für dieses System Energieeinsparungen von 1,5 kwh während der 30-min- Fahrt berechnet. Dies entspricht einer Erhöhung der Reichweite von 14 km (+13 %) bei einem beispielhaften Fahrzeug aus dem A-Segment. Als nächste Schritte sind die weitere Optimierung der Kühlmittelkreisläufe sowie die Verringerung der Kühlmittelmenge (zum Beispiel durch trockene Batteriemodule mit gemeinsam durchströmter Kühlplatte) geplant. LITERATURHINWEISE [1] Caldevilla, A.; Özbek, M.; Hünemörder, W.; Györög, T.; Hougard, E.; Pintea, M.: Efficient cloud-based cabin preconditioning for EVs with a compact heat pump system. EVS30- Symposium, Stuttgart, October 2017 [2] Kontinuierliches Design und Funktions- Benchmarking von Elektrofahrzeugen. Online: aufgerufen am [3] Mimberg, G.; Massonet, C.: Battery concept to minimize the climate-related reduction of electric vehicles driving range. 12 th International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (Ever), Monaco, April DANKE Die Autoren bedanken sich bei den Co-Autoren Christoph Massonet (ika), Markus Özbek (Denso) und Werner Hünemörder (Denso), bei CRF für deren Beitrag zu der Entwicklung und der Fahrzeugintegration der CRU sowie für die Förderung im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördervertrag Nr ). READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: ATZ Jahrgang 71

72 ENTWICKLUNG ASSISTENZSYSTEME Hochautomatisiertes Lkw-Fahren auf der Autobahn und in der Stadt IAV AUTOREN Dr.-Ing. Alexej Janz ist Entwicklungsingenieur für longitudinale und laterale Assistenz bei IAV in Chemnitz/Stollberg. Im Gegensatz zu Pkw stellen Nutzfahrzeuge durch ihre Länge und Mehrgliedrigkeit bei Fahrerassistenzsystemen ganz besondere Anforderungen. Im Forschungsprojekt ejit untersuchte IAV an einer Prototyp-Sattelzugmaschine unter anderem, wie mit diesen Systemen hochautomatisiert von Laderampe zu Laderampe gefahren werden kann. Dr.-Ing. Uwe Schob ist Projektleiter für longitudinale und laterale Assistenz bei IAV in Chemnitz/Stollberg. NUTZFAHRZEUGE AUF DEM WEG ZUM AUTOMATISIERTEN FAHREN? Moderne Fahrzeugtechnik zeichnet sich durch einen hohen Grad an Automatisierung aus. Bei Automobilherstellern wie beispielsweise Volkswagen, Tesla, Audi oder Ford werden Fahrerassistenzsysteme wie ACC oder LKA serienmäßig in Fahrzeuge inte griert. Sie stellen einen entscheidenden technischen Baustein dar, der auch höhere Grade der Automatisierung ermöglicht. Schon heute kann ein Fahrer mit nur geringem Einwirken auf Autobahnen nahezu 72

73 hoch automatisiert fahren. Weitere Assistenzsysteme umfassen etwa Einparkfunk tionen, die es erlauben, eine Parklücke zu finden und selbstständig einzuparken. In dazugehörigen Software-Entwicklungsumgebungen (zum Beispiel das Automotive Data and Time-triggered Framework, ADTF) lassen sich in der Regel sehr flexibel verschiedene Funk tionen wie intelligente Trajektorien planung, Objekterkennung oder Verkehrszeichenerkennung imple mentieren und darauf aufbauende Verarbeitungen realisieren. Die bekanntesten (und medienwirksamsten) Fortschritte in der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen sind fast ausschließlich im Pkw-Bereich sichtbar. Der Bereich der Nutzfahrzeuge stellt hingegen ganz besondere Herausforderungen dar. Im Gegensatz zu Pkw sind Nutzfahrzeuge nicht nur deutlich größer und länger, sondern bestehen oft aus mehrgliedrigen Sattelzügen mit Gesamtlängen von mehr als 16 m. Nicht alle Straßen können ohne Einschränkungen befahren werden. Lkw-Anhänger sind in ihrer Bauart sehr variabel, insbesondere auch in ihren geometrischen Abmessungen. Eine Zugmaschine ist üblicherweise nicht an einen bestimmten Anhängertyp gebunden. Allein diese Tatsachen stellen beispielsweise Bahnplanungsalgorithmen vor komplexe Herausforderungen. Weitere spannende Fragestellungen beim automatisierten Fahren in urbanen Gebieten sind: Wie erkennt ein Algorithmus zuver lässig, dass eine enge Straße nur passiert werden kann, wenn der Gegenverkehr wartet? Wie detektiert man bewusst wartenden Gegenverkehr (der vorausschauende Fahrer lässt dem entgegenkommenden Lkw Platz) und unterscheidet ihn von zufällig wartenden Fahrzeugen? Wie kann ein Fahrzeug beim In-einen-Kreisverkehr-Einfahren den Gegenverkehr verlässlich in seiner Fahrtrichtung prädizieren (biegt das andere Fahrzeug ab oder nicht?)? Was ist notwendig, um mit einem mehrgliedrigen Sattelzug rückwärts einzuparken beziehungsweise eine bestimmte Halteposition anzufahren? ANWENDUNGSBEISPIEL AUS DER JUST-IN-TIME-LOGISTIK Die zuvor geschilderten Fragestellungen auf dem Weg zu einem automatisiert fahrenden Nutzfahrzeug wurden im Forschungsprojekt ejit aufgegriffen [1]. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Vorhaben hat zum Ziel, auf zwei Just-in-Time- Logistikstrecken elektrische Sattelzugmaschinen einzusetzen und im realen Betrieb zu testen. Im Sommer des Jahres 2017 wurde die erste elektrische Sattelzugmaschine in Betrieb genommen und für Anfangsversuche eingesetzt, BILD 1. Neben dem rein elektrischen Betrieb soll darüber hinaus auch eine der Strecken hochautomatisiert von Laderampe zu Laderampe abgefahren werden. Die zu absolvierenden Abschnitte reichen vom Fahren um enge Kurven über das Ein- und Ausfahren in einen Kreisverkehr, das Linksabbiegen in den Gegenverkehr bis zum Parken an einer Laderampe. Der relevante Streckenabschnitt in Leipzig ist in BILD 2 dargestellt. Aus diesem Fahrszenario lassen sich im Detail mehrere Anforderungen an die Algorithmen und insbesondere an die Trajektorienplanung für verschiedene Teilszenarien ableiten. Auf einige dieser Herausforderungen und grundsätzliche Lösungsansätze wird im Folgenden näher eingegangen. HERAUSFORDERUNGEN BEIM FAHREN MIT LKW-ZÜGEN Das Fahren mit einem Lkw stellt einige Herausforderungen gegenüber dem mit einem Pkw dar. Abgesehen davon, dass Lastfahrzeuge größere Abmessungen haben, muss auch die ganze kinema tische Kette aus Zugmaschine und einem oder mehreren Anhängern und Aufliegern berücksichtigt werden. Dies wird in engen Kurven oder Kreuzungen offensichtlich, wo die Lkw-Fahrer Fahrzeugbewegungen unter Berück sichtigung der Fahrzeugmaße weit vorausplanen müssen. BILD 1 Vollelektrischer Sattelzug aus dem Forschungsprojekt ejit für hochautomatisiertes Fahren von Laderampe zu Laderampe ( IAV) ATZ Jahrgang 73

74 ENTWICKLUNG ASSISTENZSYSTEME Objekt in der Gegenspur Objektprädiktion C D D C D C B C A D A B Kollisionszone Geplanter Pfad BILD 2 Streckenverlauf der Logistikroute in Leipzig ( IAV) B A BILD 3 Kinematischer Pfad und Kollisionserkennung in einer engen Kurve ( IAV) Ein Fahrerassistenzsystem kann problemlos diese Aufgabe übernehmen, indem es die Fahrspur als initialen Pfad annimmt und daraus einen fahrzeugspezifischen Pfad berechnet. In urbanen Gebieten, wo die Fahrgeschwindigkeit in den Kreuzungen niedrig ist, können der Fahrzeug- und Anhängerpfad mit der Fahrspur gleichgesetzt und der Pfad für das Führerhaus unter Anwendung der Fahrzeugkinematik mit einem Einspurmodell berechnet werden. Dadurch wird schon gewährleistet, dass kein Teil des Fahrzeugs die innere Spurbegrenzung der Kurve überschreitet. Es ist aber zu erwarten, dass der berechnete Pfad aufgrund der Fahrzeugabmessungen die Überschreitung der äußeren Spurbegrenzung nicht vermeiden kann und das Fahrzeug doch in die Gegenspur ausschwenken muss, BILD 3. Hieraus wird eine weitere Herausforderung ersichtlich die Vermeidung von Kollisionen mit Fahrzeugen der Gegenspur. Die Sensorik für die Objekterkennung wie Radar- oder Lasersensoren in Kombination mit der Datenfusion ermöglicht Messungen der Position, Größe und Bewegungsvektoren der anderen Verkehrsteilnehmer. Mit diesen Bewegungsdaten ist es also möglich, die Objekte in 74 Gruppen wie Fußgänger, Zweirad-, Pkwund Lkw-Fahrer zu klassifizieren und deren Bewegungen in Form eines Pfads vorherzusagen. Werden diese Objektpfade und der fahrzeugeigene Pfad übereinandergelegt, lässt sich eine Kollisionsmöglichkeit vorherbestimmen ist. Wenn zum Beispiel das prädizierte Fahrzeug aus der Gegenspur zum Zeitpunkt des Ausschwenkens des eigenen Fahrzeugs die Gefahrzone bereits passieren würde, wird die Kollisionswahrscheinlichkeit niedrig, und das eigene Fahrzeug bekommt eine Freigabe zum Ausführen des aktuellen Manövers. Wenn aber das prädizierte Fahrzeug sich noch in der Gefahrzone befindet, wird das eigene Fahrzeug verzögern oder gar anhalten, um das prädizierte Fahrzeug passieren zu lassen und dadurch eine Kollision zu vermeiden. Dieses Verfahren kann ebenso an Verkehrsteilnehmern in Querrichtungen oder in eigener Bewegungsrichtung angewendet werden. Aufgrund der sensorischen Unschärfe der Richtungsprädiktion von Objekten ist jedoch kaum mit einer 100-%-igen Verlässlichkeit zu rechnen. Neben den dynamischen spielen jedoch auch statische Objekte eine große Rolle. Da eine Zugmaschine mit Auflieger deutlich mehr Straßenfläche überstreicht als nur die Zugmaschine allein, müssen die statischen Hindernisse nicht nur frontal, sondern auch seitlich mit genügend Abstand passiert werden. Typische Beispiele für diese Hindernisse sind am Straßenrand geparkte Pkw, Baustellen absperrungen und sonstige fahrspurverengende Objekte. Die statischen Objekte müssen hierbei nicht unbedingt genau identifiziert werden und können mit freien Flächen 360 -Polygon begrenzt mit den Messpunkten von Radar- oder Lasersensoren beschrieben werden. Wenn ein solches Hindernis, BILD 4, in der eigenen Spur detektiert wird, wird der Pfad automatisch angepasst, um ihm auszuweichen. Der Pfad wird mit kinematischen Berechnungen optimiert und über die bereits beschriebene Kollisionsvermeidung plausibilisiert. Rückwärtsparken mit Auflieger stellt den Lkw-Fahrer vor eine weitere schwierige Aufgabe. Das zu lösen, erfordert vom Fahrer viel Erfahrung und Gespür, dies in einen Algorithmus zu übertragen ist aber technisch machbar. Ein rückwärtsfahrender Lkw mit Auflieger kann mit einem inversen Pendel typisches Beispiel eines instabilen Systems in der

75 Regelungstechnik verglichen werden [2]. Um ein solches System zu stabili sieren, kann eine Regelung des Winkels zwischen dem Anhänger und der Zugmaschine benutzt werden, wobei analog zum 2-D-Inverspendelmodell die Quer beschleunigung in der Zugmaschine-Anhänger-Kupplungsposition als Stellgröße benutzt wird, BILD 5. Das inverse Pendel sieht vor, dass es aufrecht zu stabilisieren ist und so nicht umfällt. Der rückwärts parkende Lkw stellt eine etwas komplexere Aufgabe dar der Anhängerwinkel ist stets von Null verschieden, wenn das Einpark manöver anders als ein lineares Zurücksetzen ist. Anders ausgedrückt muss eine Bahn planung diesen Winkel vor geben. Die Planung kann mithilfe eines η 4 -Splines [3] realisiert werden, der die Start- und Stoppkonfiguration des Fahrzeugs als Eingangsdaten verwendet und beispielsweise durch die Wahl eines maximalen Lenkwinkels optimiert werden kann. Eine solche Regelung ist unmöglich ohne entsprechende dynamische Erfassung des Anhängerwinkels. Da Anhänger kaum über Einrichtungen für eine solche Winkelerfassung verfügen und ein häufiger Anhängerwechsel üblich ist, muss der Winkel anhand von zug maschineneigenen Sensoren erkannt und gemessen werden. Beispielsweise kann dies durch bekannte Rückfahr kameras und passende Detektions algorithmen realisiert werden. Um nun die Parklücke mit Zugmaschine und Anhänger genau treffen zu können, muss die Zielposition und Form mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Egal, ob die Zielposition anhand einer bordeigenen Sensorik definiert oder über die Infrastruktur bereitgestellt wird, müssen die Hindernisse erkannt werden. Im Rahmen des Projekts fiel die Entscheidung auf eine externe Sensorik, die mit einem Laserscanner den toten Winkel überwacht. Die Informationen über die sichtbare freie Fläche werden per Funkstrecke zu Zugmaschine übermittelt. Die Zugmaschine fusioniert die Informationen mit seinen eigenen Sensorbildern und kann daraus erkennen, inwiefern ein geplanter Pfad über freie Flächen führt. Werden hingegen Hindernisse erkannt, so erfolgt keine Unser Erfolgsrezept über 70 Jahre Erfahrung in der Gummiherstellung FTE automotive Innovation drives Unter Einsatz neuester Rohstoffe und Verfahren entwickeln und produzieren wir seit vielen Jahren Gummimischungen für die verschiedensten und innovativsten Technologien. Dabei genießen die Wünsche und Anforderungen unserer Kunden, technische Spezifikationen und eine möglichst hohe Kosteneffizienz stets die oberste Priorität. ATZ Jahrgang 75

76 ENTWICKLUNG ASSISTENZSYSTEME Pfadum planung, sondern das Fahrzeug hält an und signalisiert dem Fahrer die Situation. Organisatorisch sollten Laderampen frei von Hindernissen sein, was Originaler Pfad Originale Spurbegrenzung Pfad zum Ausweichen vor dem Hindernis BILD 4 Ausweichen vor Hindernissen ( IAV) sich aber in der Realität nie zu 100 % gewährleisten lässt. Das Anhalten und die Übergabe der Verantwortung an den Fahrer ist somit das sicherere Vorgehen. Mit der freien Fläche angepasste Pfadbegrenzung Freie Fläche Laserscanner-Messfeld Winkelabweichung des Pendels ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die beschriebenen Beispiele und Konzepte stellen einen Teil der Gesamtherausforderung automatisierter Lkw dar, die das Forschungsprojekt ejit zu lösen versucht. Auch wenn hiermit noch keine serientaugliche Lösung entsteht, so lassen sich doch zahlreiche Problemstellungen im realen Umfeld erproben. Besonders durch den realen Schichtbetrieb (ab 2018) werden viele hilfreiche Erkenntnisse erwartet. Um sich langfristig dem autonomen Fahren anzunähern, sind schon heute weiterführende Aufgaben identifiziert worden. Allein im Logistikbetrieb ist der häufige Anhängerwechsel ein Problem. Unterschiedliche geometrische Ausführungen, Beladungen und damit kinematische Eigenschaften sind bisher nirgendwo elektronisch erfasst, sodass ein Algorithmus nicht darauf reagieren kann. Auch der Blick hinter den Anhänger mit eigener Sensorik ist ein schwieriges Thema. Aus wirtschaftlichen Gründen ist jede Verteuerung eines Aufliegers kaum vertretbar. Auch eine stabile Kommunikation über die gesamte Zuglänge lässt sich lösen, erfordert jedoch gegebenenfalls andere Vernetzungstechniken. Trotz der offenen Themen erscheinen die Probleme alle lösbar und vor allem technisch beherrschbar. Nichtsdestotrotz sind weitere Anstrengungen und vor allem langfristige Projekte notwendig, um das dennoch komplexe Themenfeld des automatisierten Fahrens mit Nutzfahrzeugen zu meistern. Detektion der Anhängerkontur Anhängerpfad Anhängerwinkel Beschleunigung b) Analogie zum inversen 2-D-Pendel Geschwindigkeitsvektor LITERATURHINWEISE [1] RKW Sachsen Rationalisierungs- und Innovationszentrum e. V.: Forschungsprojekt ejit. Online: aufgerufen am [2] Nilsson, S.; Abraham S.: Trailer Parking Assist. In: Report No. EX055/2013, Chalmers University of Technology, Göteborg, Schweden, 2013 [3] Ghilardelli, F.; Lini, G.; Piazzi, A.: Path Generation Using η 4 -Splines for a Truck and Trailer Vehicle. In: IEEE Transactions on Automation Science and Engineering 11 (2014), Nr. 1, Januar 2014 Querbeschleunigung in der Kupplungsposition BILD 5 Konzept des Rückwärtsparkens mit einem Lkw ( IAV) a) Rückwärtsparken mit einem Lkw READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: 76

77 ADDITIVE FERTIGUNG SPEZIAL Von der Nische in die Industrie In den vergangenen Jahren ließ sich am Beispiel der additiven Fertigung verfolgen, wie sich eine interessante Idee aus einer Nische befreit und zum ernstgenommenen Zukunftsthema entwickelt. Vor zehn Jahren noch beschäftigten sich Forschungsinstitute und Tüftler mit der Technik und wurden dafür belächelt der industrielle Durchbruch schien in weiter Ferne, wenn nicht gar unmöglich. Wie anders stellt sich die Situation heute dar: Kaum ein Industrie unternehmen beschäftigt sich nicht mit der additiven Fertigung, Dienstleister helfen Unternehmen, die Technik für ihre Erzeugnisse zu nutzen, Innovationen sind beinahe an der Tagesordnung. Einen kleinen Ausschnitt aus diesem Spektrum zeigt dieses Spezial von ATZ und lightweight.design. Gefertec Voraussetzungen für die wirtschaftliche additive Fertigung 78 Stephan Kegelmann Viele Unternehmen stellen die technische Umsetzbarkeit oder die Wirtschaftlichkeit additiv gefertigter Produkte in Frage und zögern bei der Anwendung. Kegelmann Technik beschreibt, wie die additive Fertigung mit einer neuen Denkweise zu höherer Wirtschaftlichkeit und Vorteilen im Wettbewerb führt. Additives Fertigungsverfahren mit Draht als Basismaterial 86 Georg Fischer Gefertec hat mit dem formgebenden Auftragsschweißen ein neues Verfahren der additiven Fertigung entwickelt. Es verwendet drahtförmige Ausgangsmaterialien und erweitert die bisher in der additiven Fertigung bestehenden Verfahrensgrenzen hinsichtlich Aufbaugeschwindigkeit, Aufwand für Pulverhandling und Laserschutzmaßnahmen und Maschinen- und Materialkosten. Digitale Entwicklung und automatisierte CFK-Verstärkung additiv gefertigter Teile 82 Farbod Nezami, Jan-Philipp Fuhr Cikoni hat ein Verfahren zur Verstärkung additiv gefertigter Strukturen mittels lastpfadgerechten räumlichen Endlosfasern entwickelt. Eine durchgängige digitale Auslegungskette und eine auto matisierte Prozessführung ermöglicht zudem die kosteneffiziente Herstellung von Null- und Kleinstserien mit leichtbaugerechten mechanischen Eigenschaften. 77

78 SPEZIAL ADDI T I V E FERTI GUNG Voraussetzungen für die wirtschaftliche additive Fertigung Viele Unternehmen stellen die technische Umsetzbarkeit oder die Wirtschaftlichkeit additiv gefertigter Produkte in Frage und zögern bei der Anwendung. Mit einer neuen Denkweise führt die additive Fertigung jedoch zu höherer Wirtschaftlichkeit und Vorteilen im Wettbewerb, wie Kegelmann Technik in diesem Beitrag beschreibt. Mit der additiven Fertigung ist nicht jedes Produkt oder Bauteil besser oder günstiger herzustellen als auf dem klassischem Weg. Ein falscher Ansatz ist jedoch die Annahme, ein in vielen Jahren optimiertes und durch den Einkauf nah an die Grenzkosten der Serienfertigung gebrachtes Produkt allein durch einen Wechsel des Fertigungsverfahrens in kleinen Losgrößen noch günstiger produzieren zu können. Der Trend stetig steigender Erwartungen immer anspruchsvollerer Kunden führt für alle Branchen zu einem Wettbewerbsumfeld mit zunehmend großen Herausforderungen und einer hohen Dynamik. Alle Unternehmen sind gefordert, sich und ihren Kunden mehr Möglichkeiten zu schaffen, f lexibler und schneller auf volatile Märkte, geringere Planbarkeit und höhere Komplexität reagieren zu können. Additive Fertigungsverfahren helfen, diese Komplexität zu reduzieren: Komplexität wird dem nachgelagerten Prozess entnommen und in den vorhergehenden Planungs- und Fertigungsprozess verlagert. Trotz höherer Bauteilkomplexität steigen bei additiver Fertigung die Herstellungskosten nicht. Die höhere Komplexität verursacht keine Mehrkosten, die wirtschaftlichen Vorteile kommen vollständig dem Produkt zugute. Damit liegt in dieser Technik ein hohes wirtschaftliches Potenzial. Es bleibt eine Herausforderung, Unternehmen mit klassischen Konstruktions prozessen und Arbeitsmethoden, die Vorteile additiver Fertigung näher zu bringen. Ansatz von Kegelmann Technik ist es, Projekte nach Potenzial und Geschwindigkeit für die additive Umsetzung zu priorisieren, um nachhaltige, resiliente und zukunftsfähige Produkte und Geschäftsmodelle zu entwickeln, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich wären. Bild 1 Stromschienenhalter: klassisch konstruiert mit aufwendiger Montage (links), additiv gefertigt (rechts) ( Kegelmann Technik) Leichter bauen Mit dem Wissen um die Möglichkeiten der additiven Fertigung stellt sich regelmäßig auch die Frage nach dem Effekt eines leichteren Bauteils. Vorteile können beispielsweise geringere Schwungmassen, weniger Verschleiß, ein niedrigerer Energieverbrauch und ein reduzierter CO 2 -Ausstoß sein. Dabei sind vor- und nachgelagerte Prozesse der gesamten Zulieferkette zu betrachten. Auch ist zu beachten, dass das Portfolio von Kegelmann 78

79 Autor STEPHAN KEGELMANN ist Geschäftsführer von Kegelmann Technik in Rodgau-Jügesheim. Technik eine große Bandbreite innovativer Fertigungsverfahren umfasst. Das bietet zum einen die Sicherheit, dass auf jeder Stufe der Produktentwicklung, von der Idee bis zur absoluten Seriennähe, jeweils das optimale Verfahren zum Einsatz kommt. Zum anderen bieten die enorm vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Fertigungsverfahren bei der Produktentwicklung große wirtschaftliche Potenziale. Das folgende Beispiel von Autodesk verdeutlicht dies. Autodesk hat nachgewiesen [1], dass eine Fluglinie allein durch Leichtbausitze jährlich mehr als US-Dollar pro Flugzeug sparen kann. Dazu kommt die Verringerung des CO 2 -Fußabdrucks. Zunächst wurde ein Sitz neu konstruiert, wobei die Möglichkeiten der additiven Fertigung bezüglich Leichtbau voll ausgeschöpft wurden. Die Gewichtsersparnis war signifikant, dennoch war eine Serienfertigung größerer Bauteile wie eines Sitzes im Selective-Laser-Melting(SLM)-Verfahren trotz der Gewichtsersparnis nicht wirtschaftlich möglich. Als Lösung wurde das additiv gefertigte Modell neu konstruiert, diesmal im Hinblick auf eine Fertigung im Gussverfahren mit Magnesium als Material. Das Urmodell wurde im Stereolithografie(SLA)-Verfahren, in dem Kunststoff additiv verarbeitet wird, hergestellt. Pro Sitz konnten so circa 900 g Gewichtsreduktion erzielt werden. Auf dieser Basis wurde dann eine Hochrechnung der Kerosinersparnis in US-Dollar und t CO 2 bei über 600 Sitzen in einem Airbus A380 vorgenommen. Das Ergebnis war eine Ersparnis von US- Dollar pro Flugzeug und Jahr. Übertragen auf die A380-Flotte der Lufthansa entspräche das einer jährlichen Ersparnis von circa 1,4 Millionen US-Dollar und 2661 t CO 2. Leichtbau durch additive Fertigung Mit additiven Fertigungsverfahren kann man Leichtbau auch über eine bloße Geometrie- oder Topologieoptimierung hinaus neu denken, etwa indem Baugruppen zu einem einzigen Teil zusammengefasst, Funktionen integriert oder radikale Designänderungen vorgenommen werden. Daraus kann eine weniger komplexe Zuliefererkette und damit verbundene Kostensenkungen resultieren. Welchen Effekt die Neukonstruktion schon Es ist schwer, Unternehmen mit klassischen Konstruktionsprozessen die additive Fertigung näher zu bringen. eines relativ simplen Teils haben kann, verdeutlicht das Beispiel eines Stromschienenhalters, Bild 1. In der automobilen Endmontage wird entlang von Förderanlagen eine Stromversorgung benötigt, um die Fahrzeugbatterie während der Produktion aufzuladen. Die Stromversorgung wird mittels kunststoffummantelter Kupferschienen entlang des Montagebands realisiert. Die Montage des herkömmlich in Metall und Kunststoff konstruierten Stromschienenhalters mit Sechskantschraube war hinsichtlich Zeit und Logistik aufwendig und teuer jedenfalls im Vergleich zu dem jetzigen einteiligen Kunststoffformteil, dessen Befestigung durch einfaches, schnelles und werkzeugloses Einclippen erfolgt. Aus vier Teilen eines zu machen reduziert nicht nur die Komplexität des Bauteils, sondern auch alle damit zusammenhängenden Vorgänge. Die Montagezeit verringert sich durch die Möglichkeit des Einclippens anstelle des Schraubens. Volumen und Gewicht, und damit die Kosten für Logistik, Lagerhaltung und Transport, verringern sich zudem durch den Leichtbau mit Kunststoff anstelle von Metall. Durch die Berücksichtigung der additiven Herstellung bereits in der Entwicklung konnte der Halter zudem kompakter konstruiert werden und nimmt nun bei gleichen Abmaßen sechs statt fünf Stromschienen auf. Als Spritzgussteil wäre das technisch nicht möglich. Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung ergibt sich im Zusammenhang mit dem Übergang zur Elektromobilität. Die bei herkömmlichen Fertigungsmethoden für jede Produktvariante unterschiedlicher Stromschienenabmessungen anfallenden Werkzeugkosten sind wirtschaftlich nicht darstellbar, dazu kämen erhebliche Lagerhaltungskosten. Mit der additiven Fertigung im selektiven Lasersinter(SLS)-Verfahren lässt sich nun eine beliebige Variierung der Anzahl der Stromschienen, der Abstände zwischen den Stromschienen als auch deren Durchmesser realisieren. Eine Lagerhaltung ist nicht notwendig, die Produktion erfolgt, wenn der Bedarf entsteht. Laut Michael Heck, Geschäftsbereichsleiter Fluid Technology bei Sickert und Hafner, ist der Aufwand für ein Variantenmanagement minimal und das Unternehmen spart so jährlich Euro. Technische Zielkonflikte Technische Vorgaben und Spezifikationen bei der additiven Fertigung betreffen etwa die Genauigkeit, insbesondere Rauheit und Oberflächenbeschaffenheit, aber bei größeren Teilen wie einem Scheinwerfergehäuse beispielsweise auch die Durchbiegung. Es stellt sich die Frage, ob ein Bauteil in Bezug auf seine Größe überhaupt additiv herstellbar ist: Die derzeit üblichen Lasersinteranlagen bieten einen soge- 79

80 SPEZIAL ADDI T I V E FERTI GUNG 1 bis 15 Stück in seriennaher Qualität benötigt. Eine Fahrzeugtür ist ein wesentliches Element des Automobils, mit Sicken und B- oder C-Säule muss sie als kundensichtbares und damit markenprägendes Designelement höchsten technischen und ästhetischen Ansprüchen genügen, gleichzeitig jedoch mechanische Funktionalität Eine Fluglinie kann durch Leichtbausitze jährlich mehr als US-Dollar pro Flugzeug sparen. Bild 2 Funktionsprototyp einer im Lasers interverfahren gefertigten Fahrzeugtür ( Kegelmann Technik) nannten XL-Bauraum von etwa 55 cm 55 cm 75 cm. Aber 55 cm genügen in vielen Fällen nicht. Die fertigungstechnischen Probleme großer Funktionsprototypen werden gelöst, indem die Projekte im Rahmen der Prozesskonstruktion neu konstruiert, in Teilen produziert und entsprechend dem gewünschten Bauteil zusammengebaut werden, wie Bild 2 und Bild 3 am Beispiel einer Fahrzeugtür zeigen. Diese Fahrzeugtür wird im Rahmen der B-Muster-Vorserie in Stückzahlen von etwa gewährleisten, etwa für die Montage und den Einbau von Öffnungs- und Entriegelungsmechanismen, Fensterhebern oder Airbags. Die Anforderungen an einen Funktionsprototyp sind komplex und vielfältig, da er unter praxisnahen Bedingungen prüf bar sein muss. Geometrisch ist neben der mechanischen Funktionalität eine hohe Maßgenauigkeit und Passfähigkeit gefordert. Anhand der Prototypen werden Funktionsgrenzen und Zuverlässigkeit ermittelt. Für die spätere Serienfertigung sind Montage- und Demontagefähigkeit sowie Reproduzierbarkeit zu testen. Die spätere Qualitätsprüfung der Serienteile benötigt definierte Prüfmerkmale Bild 3 Für die Produktion im Bauraum einer SLS-Station wird die Tür in Teilen produziert und später nahtlos zusammengefügt ( Kegelmann Technik) wie signifikante Kontrollmaße und Produktfunktionen und -eigenschaften. Nicht zuletzt soll die Gestaltung, Ästhetik und Haptik eines Prototypen dem Endprodukt möglichst nahe kommen. Das Beispiel der Fahrzeugtür besteht aus mehreren Teilen und wurde durch Verbindungen wie Nut, Feder oder Schwalbenschwanzzapfen präzise und passgenau zusammengefügt. Die Herausforderungen der Produktion großer Bauteile sind nicht nur thermischer Art im Rahmen des SLS-Verfahrens, sondern auch die richtige Positionierung der Verbindungsstellen, sodass Festigkeiten und Druck- und Zugspannungen denen der ursprünglichen Konstruktion möglichst entsprechen. Alternativ bieten sich zur Lösung technischer Zielkonf likte Hybridverfahren und Multimaterialkonstruktionen an. Anspruch ist dabei, ein neues System zu schaffen, dessen Eigenschaften besser sind als die der jeweiligen Einzelkomponenten. So bietet die additive Fertigung beispielsweise die Möglichkeit, Class-A-Freiformflächen sehr hoher Steifigkeit mit hoher Festigkeit zu kombinieren, Bild 4. Je nach gefordertem Material oder Material eigenschaften für eine Konstruktion, lässt sich die additive Fertigungsmethode jedoch auch nicht ohne weiteres einsetzen. Ein stabilerer Werkstoff scheidet beim SLS mangels echter Alternativen aus, stattdessen wird ein Polyamidpulver (PA12) benutzt. Durch eine bionische Rekonstruktion können dadurch aber dennoch leistungsfähige Bauteile entstehen. Ein wichtiger Parameter für die erfolgreiche additive Fertigung ist die anwendungsbezogene Pulvermischung. Der von Kegelmann entwickelte Pulver qualitäts(kpq)-index stellt einen eigenen definierten Prozess für die Pulverqualifikation mithilfe von Licht- und Rasterelektronenmikroskop und Durchflussmessgerät dar. Ziel 80

81 10 Punkte für eine wirtschaftliche additive Fertigung ist eine stabile reproduzierbare Qualität bei definierten Bauteileigenschaften wie zum Beispiel Dichte und Bruchdehnung. Prozessdaten werden mit Messwerten zu Bruchdehnung, Zugfestigkeit und E-Modul bei mitgebauten Prüfkörpern und Referenzbauteilen archiviert und analysiert. Als fester Bestandteil des Qualitätsmanagementsystems erlaubt diese Vorgehensweise eine bessere Fein abstimmung der Parametersätze bei SLS-Prozessen. Serie von 1 Die Qualität eines Serienprodukts wird schon in der Stückzahl von 1 erreicht. Die sich } Welche Effekte hätte ein leichteres Bauteil? Geringere Schwungmassen, geringerer Energiebedarf, geringerer CO 2 -Ausstoß? } Welchen Nutzen hätte eine mögliche Individualisierung des Bauteils? } Können Baugruppen zu einem einzigen Teil zusammengefasst werden? Können Funktionen integriert werden? } Wäre das Bauteil in Bezug auf die Größe überhaupt additiv herstellbar? } Welche Genauigkeit, etwa hinsichtlich Durchbiegung oder Oberflächenbeschaffenheit, ist gefordert? } Welches Material, welche Materialeigenschaften sind gefordert? } Was sind die vor- und nachgelagerten Prozesse in der Produktion und im Einsatz (zum Beispiel Werkzeugwechsel, Montage, Hygiene oder Reinigung)? } Welche Losgrößen sind geplant? Welche Vorteile bringen kleinere Losgrößen? } Wäre bei additiver Fertigung nun ein noch nie dagewesenes innovatives Produktdesign möglich? } Könnte eine Produktion auf Basis additiver Fertigung ein neues innovatives Geschäftsmodell begründen? Bild 4 Funktionsprototyp eines Stoßfängers, hergestellt in Hybridfertigung von SLS und glasfaserverstärktem Kunststoff ( Kegelmann Technik) dadurch ergebende Flexibilität zeigt sich, wenn man neben den Betriebskosten in der Produktion die Gesamtsystemkosten (Total Cost of Ownership, TCO) und die vor- und nachgelagerten Prozesse der gesamten Zuliefer kette betrachtet, Bild 5. Die Kosten einer eventuellen Weiterentwicklung des Bauteils sind gering und die Werkzeugkosten entfallen. Vorlauf- und Lieferzeiten werden reduziert, die Verfügbarkeit erhöht, administrative Kosten werden minimiert und die mit der Bevorratung verbundenen Kosten wie Kapitalbindung, Transport, Personal oder Miete entfallen zum Teil sogar vollständig. Zusammenfassung Additive Fertigung bietet vielfältige Vorteile wie kleine Losgrößen, Kleinserien und Einzelstücke. Komplexe Teile sind auch in größerer Serie wirtschaftlich darstellbar. Das Fertigungsverfahren ermöglicht die kostengünstige Herstellung von Hochleistungsteilen und macht einen Betrieb so effektiver und effizienter. Die additive Fertigung kann in jeder Phase des Produktlebenszyklus eingesetzt werden, am effizientesten jedoch am Anfang und am Ende. Bild 5 Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) nach Abzug der Risikominimierung durch additive Fertigung ( Kegelmann Technik) Literaturhinweis [1] How this light-weight airplane seat can save airlines $200,000,000 (and dramatically reduce carbon emissions). Online: aufgerufen am

82 SPEZIAL ADDI T I V E FERTI GUNG Digitale Entwicklung und automatisierte CFK-Verstärkung additiv gefertigter Teile Cikoni hat ein Verfahren zur Verstärkung additiv gefertigter Strukturen mittels lastpfadgerechten räumlichen Endlosfasern entwickelt. Eine durchgängige digitale Auslegungskette und eine automatisierte Prozessführung ermö glicht zudem die kosteneffiziente Herstellung von Nullund Kleinstserien mit leicht baugerechten mechanischen Eigenschaften. Autoren DR. FARBOD NEZAMI ist Head of Process Development bei der Cikoni GmbH in Stuttgart. DR. JAN PHILIPP FUHR ist Head of Simulation bei der Cikoni GmbH in Stuttgart. Werkstoffgerechte Hybridisierung Vom Monocoque des BMW i3 zum intelligenten Materialmix des 7er-BMWs: Wer die Entwicklung des Kohlefasereinsatzes im Automobilbau verfolgt hat, bemerkt, dass sich der Fokus von einem Lernfeld für die automatisierte Fertigung zu einem intelligenten u nd a nwendu ngsspezif ischen Material einsatz gewandelt hat. Beim Besuch einer Fachveranstaltung zum Thema additive Fertigung fühlt man sich dabei schnell an die Anfangsjahre der Verbundwerkstofftrends im Automobilbau versetzt. Automatisierung, Qualitätssicherung und Entwicklungsmethodiken nehmen einen entscheidenden Platz in der Branche ein. Der anforderungsgerechten Hybridisierung widmen sich dagegen bislang wenige, dabei bieten sich gerade hier entscheidende Kosten- und Gestaltungspotenziale. Ziel einer Hybridisierung ist dabei stets die vorteilhafte Kombination von verschiedenen Werkstoffen und ihren Eigenschaften in technischen wie strategischen Aspekten. Die extreme gestalterische Freiheit der additiven Fertigung, die Möglichkeiten der Integration von Medienführungen und mechanischen Funktionen sowie das Fertigen ab Stückzahl Eins eröffnen Unternehmen die Chance zu kundenspezifischer Massenproduktion (englisch: Mass-Customization) und auftragsgesteuerter Fertigung. Für den industriellen Einsatz von additiv gefertigten Bauteilen im Leichtbau und für Strukturanwendungen kommen polymere Systeme allerdings bisher an Ihre Leistungsgrenzen. Zwar werden gerade im Flugzeugbau auch hochwertige Leichtmetalle wie Aluminium und Titan additiv verarbeitet, die hohen Kosten metallisch additiv gefertigter Bauteile sind aber nur begrenzt auf kostensensiblere Branchen wie den Maschinenbau, den Automobilbau und die Medizintechnik übertragbar. Unidirektionaler Kraft über trag und Wickelwerkzeuge Hier können Faserverbundwerkstoffe einen entscheidenden Beitrag leisten und durch Die additiv gefertigte Struktur übernimmt die Rolle einer Wickelvorrichtung und Druckstütze im Bauteil. 82

83 Bild 1 3-D-Hybridisierung an einem Knotenelement für den Betriebsmittelbau ( Cikoni) intelligente Hybridisierung die Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung mit der hohen Lasttragfähigkeit und dem Leichtbaupotenzial von beispielsweise Kohlenstofffasern kombinieren. Ziel muss es auch hier sein, die Verbundwerkstoffe Ihrer höchsten Lasttragfähigkeit entsprechend entlang der Faserlängsachse zu belasten und gleichzeitig die größten Kostentreiber in kleinen bis mittleren Losgrößen zu eliminieren: Werkzeugkosten, manuelle Lege- und Laminierarbeiten, Verschnitt und ineffiziente Materialausnutzung. Für diese Fragestellungen bietet das Verfahren Additive Carbon ein neuartiges Hybridisierungskonzept mit digitaler Entwicklungskette, Bild 1 und Bild 2. Funktional übernimmt die additiv gefertigte Struktur die Rolle einer Wickelvorrichtung und einer Druckstütze im Bauteil. Kohle- oder Glasfaserverstärkungen werden auf diese Grundstruktur robotergestützt drei dimensional appliziert. Durch die gestalterischen Möglichkeiten, die Faserverstärkung direkt von der Spule um Lasteinleitungspunkte und entlang der Lastpfade zu legen, wird die Faserverstärkung maximal effizient eingesetzt. Die additiv gefertigte Struktur dient dabei sowohl als Wickelbahn, kann aber auch eine Positionierhilfe für Stifte, Hülsen und Umlenkungspunkte beim Wickeln darstellen. Das kostenintensive Bauvolumen der additiven Fertigung wird hierdurch auf ein Minimum reduziert. Da im Nasswickelverfahren gearbeitet wird, entfallen für die Faserverstärkung neben den bereits genannten Punkten auch zusätzliche Halbzeugfertigungskosten und Infiltrations- oder Injektionsumfänge. Aufgrund der nahezu unbeschränkten Freiheit, die Fasern räumlich zu wickeln, übersteigt der Ansatz bei weitem die strukturellen Möglichkeiten heutiger Anlagen zur Wesentlich ist die automatisierte Generierung und Größenoptimierung von Verstärkungspfaden. additiven Fertigung mit integrierter Faserextrusion, die ausschließlich eine Faserverstärkung in der Ebene generieren können. Neuere Ansätze, den Extrusionskopf mit sechs Freiheitsgraden robotergestützt zum Auf bau dreidimensionaler Strukturen zu nutzen, werden aktuell entwickelt. Allerdings erreichen die Verfahren nicht die mechanischen Eigenschaften von infiltrierten Verstärkungs fasern. Die teure Verstärkungsfaser wird somit einerseits nicht vollständig in ihrem Eigenschaftsniveau ausgenutzt, andererseits ist mechanisch ohnehin eine höhere Materialeffizienz bei außenliegender Verstärkungsstruktur gegeben. Denkbar ist bei Verfügbarkeit solcher Systeme jedoch der additive Aufbau der inneren Druckstruktur mittels verstärkter Extrusion Bild 2 Robotergestützt eingewickelte metallische Lasteinleitungsstelle an einem Biegeträger für den Anlagenbau ( Cikoni) 83

84 SPEZIAL ADDI T I V E FERTI GUNG und das 3-D- Umwickeln der nassimprägnierten Fasern. Bild 3 3-D-Hybridisierung eines additiv gefertigten Moduls ( Cikoni) Digitale Entwicklungskette und Automatisierung Um das Kosten- und Leichtbaupotenzial der Technologie voll auszuschöpfen, ist eine konsequent umgesetzte digitale Prozesskette zwingend erforderlich. Diese muss die enge Verzahnung zwischen Bauteil anfor derungen, Formgebung der Grundstruktur, Im Automobilbau liegt der Fokus auf der Hybridisierung von Blechbauteilen. Struktureigenschaften der Faserverstärkung und den prozessbedingten Fertigungsrandbedingungen abbilden. Einen wesentlichen Bestandteil des Toolsets bildet daher die automatisierte Generierung und anschließende Größenoptimierung von Ver stärkungs pfaden, um Materialkosten und Gewicht minimal zu halten. Auch die für den Prozess erforderlichen Hilfselemente können teilautomatisiert, basierend auf einem Modulbaukasten integriert werden. Den letzten Schritt der digitalen Prozesskette stellt die Generierung der Steuerparameter für eine automatisiert operierende Produktionszelle über eine CAD- CAM-Schnittstelle dar. Dadurch wird der hohe manuelle Aufwand der Roboterprogrammierung eliminiert und die kosteneffiziente Fertigung auch von Nullserien ermöglicht. Gleichzeitig wird durch eine integrierte Bahnplanung von Beginn an sichergestellt, dass die generierte Struktur einerseits wickeltechnisch umsetzbar ist und andererseits mit den richtigen Prozessparametern hergestellt wird, ohne dass der Anwender das entsprechende Tiefenverständnis der Fertigungstechnologie mitbringen muss. Bild 4 Integrative Fügeverbindung durch Hybridisierung mit Kohlefaserverstärkung ( Cikoni) Hybridisierung konventionell gefertigter Metallbauteile Umsetzen lässt sich das Verfahren nicht nur zur Hybridisierung von additiv gefertigten Bauteilen, sondern auch bei der lokalen 84

85 wickeln umsetzen. Je nach Integrationszeitpunkt können somit klassische Fügeoperationen der Metallverarbeitung beibehalten und der Einfluss auf die Rohbaufertigung minimal gehalten werden. Umsetzbar sind auch vollintegrale 3-D-Wickelstrukturen, wobei diese nur in sehr begrenzten Anwendungsfeldern Sinn machen. Der besondere Reiz liegt in diesem Fall in der Integrationsmöglichkeit von zahlreichen Anbindungspunkten, die über traditionelle Fertigungsverfahren nur schwierig abgebildet werden können. Gleichzeitig wird von Beginn an sichergestellt, dass die Struktur wickeltechnisch umsetzbar ist. Verstärkung von gekanteten und umgeformten Blechbauteilen, Fräsbaugruppen oder (Spritz-)Gussbauteilen. Es ist also fol gerichtig von einer werkstoff- und kostengerechten Hybridisierungsstrategie zu sprechen. Die hierfür notwendigen Konstruktions- und Auslegungsprämissen sowie die prozessseitigen Vorzüge sind allgemein gültig. Wie in den Abbildungen gezeigt, lässt sich der Wickelprozess auch unmittelbar für das Fügen von einzelnen Modulen zu einander nutzen. Die relative Orientierung der Einzelmodule zueinander erfolgt wiederum durch formschlüssige Gestaltung der additiv gefertigten Strukturen. Der Kraftübertrag zwischen den einzelnen Elementen erfolgt jedoch abgesehen von einer Druck abstützung ausschließlich über die uni direktionale Faserverstärkung. Variantenvielfalt bei hohem Automatisierungsgrad Angewendet wird die 3-D-Hybridisierung von Bauteilen aktuell vor allem im Betriebsmittelbau, Bild 3, in der Medizintechnik und im Maschinenbau, Bild 4. In diesen Branchen paaren sich die Leicht bau - anforderungen mit hohen Bauteilvarianzen und hoher Preissensibilität, womit sich die Vorzüge besonders bemerkbar machen. Schnell bewegte und hochgenaue Achsen im Maschinenbau, individualisierbare Prothesen und Robotergreifer sind bereits digital entwickelt und umgesetzt worden. Erfahrungen konnten auch im Bereich des Automobilbaus gesammelt werden, wobei der Fokus auf der Hybridisierung von Blech bauteilen liegt. Denn auch hier lassen sich durch Tief zieh ope rationen und das Aufschweißen von Bolzen die notwendigen Hilfsmittel für das lastpfadgerechte Faser- Zusammenfassung Die Möglichkeiten der additiven Fertigung revolutionieren derzeit die Art und Weise der Entwicklung und Herstellung von Bauteilen über alle Branchen hinweg. Für strukturell hochbeanspruchte Komponenten stoßen die eingesetzten Kunststoffe jedoch schnell an ihre Grenzen, gleichzeitig sind additive Fertigungsverfahren für Metall für viele Anwendungen zu teuer oder zu schwer. Die gezielte Hybridisierung einer additiv gefertigten Grundstruktur mittels automatisiert applizierter Endlosfaserver stärkung eröffnet neue Möglichkeiten, kosteneffiziente und mechanisch hochbelastbare Bauteile in Null- und Kleinstserie umzusetzen. Die Vor- und Nachteile beider Technologien können dabei gegenseitig aufgehoben werden: Die Faserverstärkung reduziert das notwendige Bauvolumen und die additiv gefertigte Grund struktur macht ein separates Fertigungs werkzeug beim robotergestützten 3-D-Wickeln überflüssig. Eingebettet in eine durchgängige digitale Prozesskette ermöglicht Additive Carbon neuartige leichtbaugerechte Ansätze im Betriebsmittelbau, dem Prototypenbau, der Medizintechnik und zahlreichen anderen Anwendungsfeldern. DATENLOGGER FÜR HÖCHSTE ANSPRÜCHE Weltweite Nutzung bei Flottentests und Dauerlauferprobungen Extremsten Anforderungen gewachsen Kompakter und robuster Aufbau Optimal aufeinander abgestimmte Hard- und Software Maximale Zuverlässigkeit bei der Datenerfassung Bewährter Einsatz in Hybrid- und E-Fahrzeugen 85

86 SPEZIAL ADDI T I V E FERTI GUNG Additives Fertigungs ver fahren mit Draht als Basismaterial Gefertec hat mit dem formgebenden Auftragsschweißen ein neues Verfahren der additiven Fertigung entwickelt. Es verwendet drahtförmige Ausgangsmaterialien und erweitert die bisher in der additiven Fertigung bestehenden Verfahrensgrenzen hinsichtlich Aufbaugeschwindigkeit, Aufwand für Pulverhandling und Laserschutzmaßnahmen und Maschinen- und Materialkosten. Wachsende Bedeutung Die Anwendungen additiver Fertigungsverfahren lassen sich in die Bereiche Rapid Prototyping zur Herstellung von Prototypen, Rapid Tooling zur Herstellung von Werkzeugen und Rapid Manufacturing zur Herstellung von Endbauteilen untergliedern. Die Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Herstellungstechnologie. Aus den ersten additiven Verfahren zum Rapid Prototyping auf Kunststoffbasis hat sich mittlerweile ein eigener, stark wachsender Industriezweig entwickelt. Im Unterschied zu anderen Fertigungsverfahren wie Trennen, Fügen oder Urformen wird das herzustellende Bauteil bei additiven Fertigungsverfahren Schicht für Schicht aus einem flüssigen, pulverförmigen oder festen Ausgangswerkstoff hergestellt. Dazu ist in der Regel ein definierter Energieeintrag an der Bearbeitungsstelle in Form von Wärme oder Strahlung (zum Beispiel UV-Strahlung) erforderlich, durch den der Ausgangswerkstoff lokal erwärmt, aufgeschmolzen oder ausgehärtet wird. Die Bedeutung der additiven Fertigung wächst stark und ermöglicht in vielen Fällen die Lösung neuer technischer Herausforderungen. Die mit additiven Verfahren mittlerweile erreichbaren Bauteileigenschaften tragen dazu bei, dass sich der Trend von der reinen Prototypenherstellung (Rapid Prototyping) in Richtung Rapid Manufacturing (Herstellung verkaufsfähiger Produkte) verschiebt. Einsatzmöglichkeiten finden sich bei Einzel- und Ersatzteilen, Kleinserien sowie bei der Bauteilherstellung und -lieferung nach dem Prinzip Produktion auf Nachfrage. Additive Fertigungsverfahren bieten bei der Herstellung komplexer Bauteile gegenüber konventionellen Verfahren oftmals erhebliche Zeit- und Kostenvorteile. Heute am Markt verfügbare Anlagen zur additiven Fertigung basieren nahezu ausschließlich auf dem Lasersintern und -umschmelzen von Pulvern als Ausgangsmaterial. Daraus ergeben sich einige verfahrensbedingte Nachteile, die zu Einschränkungen bei der Nutzung additiver Fertigungsverfahren führen. So sind beispielsweise die herstellbaren Bauteilvolumina auf Grund der notwendigen, technisch anspruchsvollen Ausrichtung des Pulverbetts auf der gesamten Grundfläche der Bearbeitungskammer auf kleine Größen von maximal 0,25 m3 Bild 1 Prozesskette der additiven Fertigung mit Lichtbogen und Draht ( Gefertec) 86

87 Autor GEORG FISCHER ist Geschäftsführer der Gefertec GmbH in Berlin. beschränkt. Weiterhin ist es nicht ohne weiteres möglich, mit pulverbasierten Verfahren geschlossene, innenstrukturierte Bauteile zu fertigen, da das Pulver innerhalb des umgeschmolzenen Bereichs verbleibt und aufwendig wieder entfernt werden muss. Im Bereich der metallbasierten additiven Fertigungsverfahren wird zwischen Sinterund Schmelzverfahren unterschieden. Bei Sinterverfahren ergibt sich der Vorteil eines erheblich größeren Werkstoffspektrums, der Nachteil besteht hierbei jedoch darin, dass die Sinterverfahren zum Erreichen der geforderten Festigkeitseigenschaften in der Regel noch einen Nachbehandlungsprozess erfordern. Auch haben sie nicht die Werkstoffdichte, die etwa beim Guss erreicht wird. Schmelzverfahren bieten den Vorteil, dass durch das Umschmelzen des Werkstoffes in der Regel schon die geforderten Eigenschaften erzielt werden können. Darüber hinaus lassen sich bei den Schmelzverfahren auch band- oder drahtförmige Werkstoffe verarbeiten, was bei den Sinterverfahren nicht möglich ist. Mit Lichtbogen und Draht Ein relativ neuer Urformprozess ist die additive Schweißtechnik, Bild 1. Sie erlaubt es, individuelle, komplexe Strukturen ohne den Einsatz von Gussformen aufzubauen. Aus einer breiten Palette von additiven Fertigungsverfahren ist das Auftragsschweißen (3DMP, 3-D-Metal-Print) mit einem geregelten Kurzlichtbogenprozess dazu geeignet, in relativ kurzer Zeit, größere Bauteile durch die Lageauf-Lage-Technik zu erstellen. Zur Anwendung kommen dabei energie reduzierte Prozesse wie das Cold-Metal-Transfer-Verfahren (CMT), mit denen eine fast spritzfreie Generierung sehr dünner Wandstärken möglich ist. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens: Es können auch große Volumenkörper aus den unterschiedlichsten schweißgeeigneten Metallen hergestellt werden, Bild 2. Die derzeitig am häufigsten verwendeten Verfahren zur additiven Fertigung von metallischen Bauteilen sind neben dem Layer- Laminate-Manufacturing (LLM) das Lasersintern (SLS) und das Laserschmelzen (SLM), die jeweils auf Metallpulvern basieren. Dagegen verwendet 3DMP vergleichsweise kostengünstigen Metalldraht als Basismaterial [1-6]. Neben diesem Kostenvorteil zeichnet sich das Verfahren durch eine kostengünstige und robuste Prozesstechnik aus. Durch eine lokale Schutzgasabdeckung bestehen prinzipiell keine Restriktionen hinsichtlich der Bauraumgröße. Des Weiteren kann eine Vielzahl von metallischen Werkstoffen verarbeitet werden, wobei die Gefügeeigenschaften nahe am Grundwerkstoff liegen und ein weitgehend isotropes Werkstoffverhalten sowie ein porenfreier Lagenaufbau erreicht werden. Mit aktuell erreichbaren Aufbauraten von bis zu 600 cm3/h, je nach Material und Bauteilgeometrie, ermöglicht der lichtbogenbasierte 3DMP-Prozess Auf baugeschwindigkeiten, die mindestens Faktor drei über denen anderer additiver Verfahren liegen [7]. Das Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen mittels Metallschutzgas-Lichtbogentechnik wurde seit den 1990er-Jahren unter anderem an der Cranfield University in Großbritannien entwickelt [8]. Das grundlegende Prinzip geht jedoch deutlich Bild 2 Beispiele von additiv mittels Lichtbogen und Draht gefertigter Teile: Teil einer Wasserturbine aus Bronze (links), Treibstoffleitung aus Stahl (Mitte), Bauteil aus Titan (rechts) ( Gefertec) 87

88 SPEZIAL ADDI T I V E FERTI GUNG weiter zurück, was das US-Patent aus dem Jahre 1925 zeigt [9]. Verfahrensbedingt kann eine Mindeststrukturdicke von 3 mm und eine Oberflächenwelligkeit von Bild 3 Zugfestigkeiten (Mittelwerte) R m von mittels 3DMP gedruckten Werkstoffen ( Gefertec) etwa 0,5 mm nicht unterschritten werden, was gegenüber pulverbasierten Verfahren einen erhöhten Nachbearbeitungsaufwand bei Funktionsflächen mit sich bringen kann. Ein Vorteil gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren ist die signifikant kostengünstigere Anlagentechnik. Zum einen ist der Lichtbogenprozess gegenüber den Laserund Elektronenstrahltechniken deutlich preiswerter, zum anderen kann auf spezielle Die Aufbaugeschwindigkeiten liegen Faktor drei über denen anderer additiver Verfahren. Sicherheitseinrichtungen zum Strahlenschutz und auf Vakuumkammern verzichtet werden. Darüber hinaus werden Standard-Schweißdrähte verwendet, die in vielen chemischen Legierungen erhältlich sind. Die Preise liegen deutlich unter denen von Metallpulvern. Bild 4 Verhältnis der Mittelwerte von Dehngrenzen R p0,2, Zugfestigkeit R m und Dehnung A von mittels 3DMP gedruckten Werkstoffen gegenüber Sollwert ( Gefertec) Metallurgische Herausforderungen Das Lichtbogenschweißen ist ein ausgereiftes Verfahren, sodass auf ein umfangreiches Fachwissen zurückgegriffen werden kann. Im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren ergibt sich dadurch der Vorteil, dass aus dem klassischen Verbindungs- und Auftragsschweißen bereits eine Vielzahl von Normen und Richtlinien vorhanden sind, auf denen das Verfahren aufsetzen kann. Die wesentlichen technologischen Herausforderungen des Verfahrens liegen in der Gewährleistung der mechanisch-technischen Eigenschaften der gedruckten Bauteile sowie in der prozesstechnischen Beherrschung von auftretenden Eigenspannungen und des Verzugs. Die Bauteilintegrität hängt stark von der Qualität und Quantität des Energieeintrages ab. Da beim Lichtbogenschweißprozess verhältnismäßig viel Energie eingebracht wird, besteht für das additive Fertigungsverfahren die Gefahr von Verzug, hohen Eigenspannungen und Rissbildung sowie einer Veränderung der Gefügestruktur und Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften. Das 3DMP-Verfahren verwendet deswegen einen geregelten Kurzlichtbogenprozess, um den Energieeintrag möglichst gering zu halten. Der Drahtwerkstoff wird im Lichtbogen abgeschmolzen und so Lage für Lage aufgetragen. Dabei wird die Schmelze lokal durch S chut z ga s abdeck u ng vor O x id at ion geschützt. Durch die umfangreichen Parametrierungsmöglichkeiten ist es möglich, sowohl feine Strukturen für eher kleine Bauteile zu generieren, als auch sehr große Bauteile herzustellen. Durch die Verwendung von Mehrdrahtfördereinrichtung lassen sich die Aufbauraten weiter steigern. Das Verfahren zeichnet sich im Besonderen durch seine hohe Flexibilität der Bauteilvolumina, die hohen Auftragsraten und die große Bandbreite an günstigen Zusatzwerkstoffen aus. Da das 3DMP-Verfahren auf dem klassischen Metallschutzgas(MSG)-Prozess basiert, sind eine Vielzahl von Werkstoffen und Legierungen für das Verfahren verfügbar. Prinzipiell lässt sich jeder Werkstoff mit ausreichender Schweißeignung verarbeiten. Aufgrund der prozessbedingten spezifischen Abkühlgeschwindigkeiten sind auch 88

89 Legierungen zur Verarbeitung mittels 3DMP denkbar, die für das klassische Verbindungsschweißen zum Beispiel aufgrund von Aufhärtung ungeeignet sind. Eine große Herausforderung im Vergleich zum klassischen Verbindungsschweißen liegt darin, dass das Schweißen fortwährend auf dem Schweißgut und nicht auf dem Grundwerkstoff erfolgt. Somit sind verschiedene neue Betrachtungen der Legierungszusammensetzung, zum Beispiel im Hinblick auf eine Überlegierung der Drähte, notwendig. Der vergleichsweise hohe Energieeintrag birgt insbesondere bei kleineren Bauteilen die erhöhte Gefahr von Oxidation, da größere Bereiche kritische Temperaturen aufweisen können. Dies erfordert eine verbesserte Schutzgasabdeckung, eine erhöhte Prozesskontrolle sowie effiziente Kühlkonzepte. Durch den Einsatz von spezifischen Fertigungsstrategien und Prozessüberwachungs-, sowie Temperaturerfassungssystemen kann auch Eigenspannungen und Verzug effektiv entgegengewirkt werden. Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften von für das 3DMP-Verfahren qualifizierten Werkstoffen zeigen, dass diese vergleichbar mit denen konventionell hergestellter Probenkörper sind. Konkurrenz zur spanenden Fertigung Auch bei kostengünstigen und gut zerspanbaren Legierungen wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen kann das 3DMP-Verfahren Vorteile erzielen, vor allem im Hinblick auf Durchlaufzeiten. Wenn beispielsweise Prototyen und Kleinserien von Gussbauteilen durch additiv gefertigte Bauteile ersetzt werden sollen, kann das 3DMP-Verfahren zu einer signifikanten Verkürzung der Prozesskette führen. Da der Fertiger alle Schritte im eigenen Unternehmen durchführen kann, ist er nicht mehr zwangsläufig auf externe Lieferanten und entsprechende Lieferzeiten angewiesen. Gerade bei diesen Werkstoffen lassen sich durch einen gezielten und während der Fertigung adaptierten Energieeintrag sowie anschließender Wärmebehandlung sehr gute Werkstoffeigenschaften erzielen. Aufgrund der guten Wärmeleitung lässt sich ein gutes Thermomanagement auf bauen. Bei einem gut eingestellten Prozess lassen sich ein porenfreies Gefüge und sehr gute Festigkeitseigenschaften erreichen. Durch die moderne Kurzlichtbogentechnik lassen sich dabei eine Vielzahl von Aluminiumwerkstoffen verarbeiten. Nach folgend werden beispielhaft die Ergebnisse von AlMg4,5Mn (EN AW 5083) dargestellt. Bemerkenswert ist hierbei vor allem der nahezu porenfreie Aufbau des additiv hergestellten Gefüges mit mechanisch-technischen Eigenschaften, die teilweise deutlich über den Referenzwerten konventionell hergestellter Probenkörper aus gewalzten Grundmaterialien liegen, Bild 3 und Bild 4. So ist auch die Zugfestigkeit höher als der Seit mehr als 30 Jahren immer am Puls der Zeit. Sound Engineering, Geräuschoptimierung, Sprach- und Audioqualität. HEAD acoustics ist Ihr zuverlässiger Partner.

90 SPEZIAL ADDI T I V E FERTI GUNG Maschine zur additiven Fertigung mit dem 3DMP-Verfahren Bild 5 Die Anlage GTarc von Gefertec setzt das 3DMP-Verfahren erstmals in einer marktreifen Maschine um ( Gefertec) Referenzwert und ist unabhängig von der Aufbaurichtung, was für ein sehr homogenes Gefüge und einen geringen Einfluss der Wärmeeinflusszone (WEZ) auf die Bauteileigenschaften spricht. Dies kann dadurch begründet werden, dass aufgrund der geringeren Abkühlrate und dem mehrmaligen Wiedererwärmen die WEZ im Vergleich zum normalen Verbindungsschweißen verändert ausgeprägt ist. Weitere Untersuchungen werden derzeit durchgeführt, um die spezifischen Einflüsse kritischer Bauteilbereiche auf die Festigkeitseigenschaften additiv gefertigter Bauteile zu bewerten. Literaturhinweise [1] Ding, J.; Martina, F.; Williams, S. W.: Production of large metallic components by additive manufacture-issues and achievements. Metallic Materials and processes: industrial challenges, Deauville, France, 2015 [2] Frazier, W. E.: Metal additive manufacturing: a review, In: Journal of Materials and Engineering Performance 23 (2014), S [3] Lockheed M.: Wire-feed additive manufawcturing of metal components: technologies, developments and future interests; Additive Manufacturing of Ti-6Al-4V Alloy Components for Spacecraft Applications: Online: content/article /ntb/tech-briefs/manufacturing-andprototyping/18883, aufgerufen am Der geregelte Kurzlichtbogenprozess hält den Energieeintrag möglichst gering. [4] Martina, F.: Recent developments in largescale wire+arc additive manufacturing. Additive Manufacturing in aerospace, ILA, Berlin, Germany, 2016 [5] Mehnen, J.; Ding, J.; Lockett, H.: Design for Wire and Arc Additive Layer Manufacture. Proceedings of the 20th CIRP Design Conference, Nantes, 2010 [6] Ding D. H. et al.: Wire-based additive manufacturing of metal components: technologies, developments, and future interests. In: International Journal of Advanced Manufacturing Technoloy 81 (2015), S [7] Lathabai, S.; Glenn, M.; Ritchie, D. R.: Microstructural Evolution in Ti-6Al-4V Multi-Layer Builds Produced By Three Additive Manufacturing Processes, CSIRO, AeroMat Conference Presentation, 2017 [8] Williams, S. W.; Martina F.; Addison A.C. et al.: Wire + Arc Additive Manufacturing, In: Materials Science and Technology (2016), S. 1-7 [9] Baker, R.: Method of making decorative articles, US-Patent Number: , 1925 [10] Inconel alloy 718. Online: alloy_718.pdf, aufgerufen am Die neue GTarc-Maschine verwendet erstmals das 3DMP-Verfahren in einer marktreifen Maschine, Bild 5, die eine kostengünstige und schnelle Herstellung von endkonturnahen Rohlingen aus Metall ermöglicht. Die Qualität der Werkstücke entspricht der von Werkstücken, die mit Standard-Bearbeitungsmethoden hergestellt wurden. Das 3DMP- Verfahren verwendet als Ausgangsmaterial Draht, mittels dessen Schweißraupe für Schweißraupe ein Werkstück gedruckt wird. Dieses neue Fertigungsverfahren bietet im Vergleich zu herkömmlichen der additiven Fertigung, die Pulver als Ausgangsmaterial verwenden, eine Reihe von Vorteilen: das aufwendige Pulverhandling entfällt, zudem sind die meisten Standardwerkstoffe zu merklich niedrigeren Kosten bereits in Drahtform erhältlich. Größter Vorteil ist jedoch die sehr hohe Aufbaurate, die in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff aktuell bis zu 600 cm³/h beträgt. Dadurch eignet sich die Maschine für die schnelle und wirtschaftliche Fertigung auch größerer Werkstücke aus Stahl, Nickelbasis, Titan oder Aluminium. Die Maschine ist als dreiachsige Variante für Werkstückgrößen bis etwa 3 m³ oder fünfachsig für Werkstückgrößen bis 0,8 m³ erhältlich. Eine speziell entwickelte CAM-Software erzeugt aus den CAD-Daten des Werkstücks die Daten, mit denen die CNC-Steuerung die exakte Positionierung des Schweißkopfs vornimmt. Die Fertigung des endkonturnahen Werkstücks erledigt die Maschine vollautomatisch. Die Endbearbeitung erfolgt dann mit herkömmlicher CNC-Frästechnik. Im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren ist die Werkstoffausnutzung beim 3DMP-Verfahren optimiert, was vor allem bei teuren Werkstoffen wie Titan zu erheblichen Kostenvorteilen führt: Je nach Anwendung sinken die Herstellungskosten um bis zu 60 %. 90

91 Was sich unsere Kunden nicht vorstellen können, stellen wir einfach unseren Kunden vor. Unsere Kunden kennen das: voller Elan stürzen sie sich in die Entwicklung neuer Technologien und werden dann doch schneller gebremst, als ihnen lieb ist. Und warum? Weil die Dinge nicht immer so funktionieren, wie sie es sich eigentlich vorgestellt hatten - gefolgt von einer niemals endenden Suche in der Fehlerkette - bis hin zur Verzweiflung. Gut, dass auch die Köpfe von tectos stets mit vollem Elan dabei sind und sich sofort auf die Problemzonen unserer Kunden stürzen - immer focussiert und vorausschauend und damit auch alle möglichen Szenarien im Blick. Unter anderem mit innovativen Methoden im Bereich Simulation und Messtechnik. Und zwar genau dort, wo unsere Kunden diese nie vermutet hätten. Deshalb decken wir die wahren Ursache auf und entwickeln die optimalen Lösungen (z. B. bei Prüfstandsanwendungen), die zeitnah umgesetzt werden. Das Einzige, worüber sich unsere Kunden dann noch den Kopf zerbrechen: wie unsere Ingenieure das bloß wieder geschafft haben. tectos gmbh, Gradnerstrasse 145, A-8054 Graz T E office@tectos.at Jahrgang lightweight.design 91

92 IN EIGENER SACHE ATZ Das Original feiert 120. Geburtstag Bereits auf der Internationalen Automobil-Ausstellung (IAA) 2017 begannen die Feierlichkeiten und das nicht nur am ATZ-Messestand. Wenn auf der IAA zwei Feiern zeitgleich in derselben Messehalle stattfinden, dauert es meist nicht lange, bis sich die Feiernden zusammentun, gratulieren und Geschenke austauschen. Original für Originale: Oliver Kalkofe gratuliert Jens Fischer zum 120. Geburtstag der ATZ Volker Hesedenz; Einklinker: Disney-Pixar Daniel Esswein Alexander Heintzel (ATZ-Chefredakteur), Volker Hesedenz (Anzeigenleiter) und Jens Fischer (Marketingchef) besuchten mit der ATZ im Gepäck die Enthüllung des CARS-3-Spaßautos Lightning McQueen am Disney-Stand. Dabei staunten nicht nur die beiden Synchronsprecher Oliver Kalkofe und Benedikt Weber. Auch die ATZ-Mitarbeiter waren begeistert: Das in über 100 Stunden in Handarbeit erstellte, lebensgroße Modell besteht aus 5554 Spielzeugautos und verfügt damit über Räder sowie Frontscheinwerfer. Oliver Kalkofe, Komiker, Schauspieler und Medienkritiker, spricht Rusty, den Mitbesitzer des Rennstalls von Lightning McQueen. Bei der Frage nach Gemeinsamkeiten zwischen Film und Fachzeitschrift waren sich Kalkofe und Heintzel einig: Es geht um das Herz und um die Seele von Autos. Im Film um Seele und Herz der Protagonisten in der ATZ um das Herzblut mit dem Sie, liebe Leserinnen und Leser, Entwicklungen vorantreiben und begleiten. Auch bei der Designentwicklung im Fahrzeugbereich gibt es viele Gemeinsamkeiten zwischen Film und Fachzeitschrift: In der Fachwelt wurde beispielsweise das New Edge Design vom Kinetic Design, der sanften Rücknahme der Kantenoptik, abgelöst. Dies bestätigt auch Oliver Kalkofe für die Entwicklung der CARS- Modelle in den drei Disney-Filmen. Zum Abschluss gab der Komiker noch Tipps für Weihnachtsgeschenke von Kindern für ihre Väter: sich fünftausend der Spielzeugautos wünschen und dann damit das Auto vom Papa bekleben gerne ergänzt 120 Jahre: vom Motorwagen zur Automobiltechnischen Zeitschrift Titelbild der Erstausgabe von Der Motorwagen von 1898 ( ATZ) auch durch Ausgaben der ATZ. ATZ- Abonnenten und solche, die es noch werden wollen, finden mehr Kurioses und Veröffentlichungen zum 120. Jubiläum unter Die ATZ ging aus der 1898 gegründeten Zeitschrift Der Motorwagen hervor, dem Verbandsorgan des Mitteleuropäischen Motorwagen-Vereins. Zu ihren Gründervätern gehörten auch Karl Benz und Gottlieb Daimler. Verlegt wurde sie bis 1934 im Berliner Krayn-Verlag, danach bei der Franckh sche Verlagsbuchhandlung in Stuttgart, ehe Vieweg & Sohn in Wiesbaden die Herausgabe übernahm, die sich seit 1999 unter dem Dach der Springer Fachmedien Wiesbaden befindet. Alle ATZ-Leser erhalten mit der Februarausgabe einen Nachdruck der Erstausgabe von Wenn Sie noch kein Abonnent sind, testen Sie uns jetzt kostenlos: Testleser erhalten exklusiv den Download der Erstausgabe Der Motorwagen. (Downloadlink wird zum Erscheinungstermin zugesandt). Ihr Testabo erhalten Sie hier: 92

93 IN EIGENER SACHE #Batteriegehaeuse_aus_Stahl E-Mobilität für alle muss gar nicht schwer sein. Unsere Batteriegehäuse aus Stahl sind leicht, sicher und wirtschaftlich zugleich. Wir von thyssenkrupp bieten eine kundenspezifische Leichtbaulösung zum Schutz der Batterie, mit bis zu 50 % geringeren Kosten im Vergleich zu Werkstoffen wie Aluminium. Und das bei gleichem Gewicht. Unsere Werkstofflösungen aus hochfesten Stählen haben nicht nur beste Crash- und Korrosionsschutzeigenschaften, sondern ermöglichen auch eine optimale elektromagnetische Abschirmung und ein effizientes Thermomanagement. Erfahren Sie mehr unter: / batteriegehaeuse ATZ Jahrgang 93

94 AKTUELL FORSCHUNG DFKI Intelligente Elektromobilität DFKI Für kleine und mittlere Unternehmen kann das komplexe Management einer firmeneigenen Elektroautoflotte und die Ladeinfrastruktur für Privat-, Kunden- und Firmenwagen eine große Herausforderung darstellen. Zur Unterstützung der E-Mobilität hat das DFKI eine Software entwickelt, die am Standort Saarbrücken in der Test- und Erprobungsphase im Einsatz ist. eobox ist ein KI-gestütztes Programm zum MANAGEMENT VON LADEVORGÄNGEN für E-Autos. Die Komplettlösung ermöglicht es Unternehmen, Fahrzeuge mit Elektroantrieb aus der eigenen Flotte, von Mitarbeitern oder von Gästen einer Ladestation zuzuweisen, aufzuladen und den getankten Strom abzurechnen. Das kann ganz wesentlich zur Steigerung der Akzeptanz von E-Autos als Dienst- oder Flottenfahrzeuge beitragen, sagt eobox-projektleiter Dr. Matthieu Deru (Bild Mitte). FfE Zeitgesteuertes Lademanagement Ziel des nun abgeschlossenen, dreijährigen Projekts eplanb war es, Elektrofahrzeuge von Pendlern dann zu laden, wenn viel lokal erzeugter Solarstrom zur Verfügung steht und/oder der Börsenpreis für Strom sehr niedrig ist. Dafür haben die Projektpartner mehrere Feldtestphasen durchgeführt, in denen die ELEKTROAUTOS zunächst ungesteuert und anschließend gesteuert geladen wurden. Durch das entwickelte intelligente Lademanagement konnte in der Phase des gesteuerten Ladens der Anteil des regenerativ erzeugten Stroms um über 40 % gegenüber der ungesteuerten Referenzphase erhöht werden. Hierzu wurden die Elektrofahrzeuge nicht direkt nach dem Anstecken, sondern nur zu bestimmten Zeiten geladen. Das Projekt wurde von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e. V. (FfE), der Lechwerke AG, der LEW Verteilnetz GmbH, der Stadt Buchloe und dem Landkreis Ostallgäu durchgeführt und vom Bayerischen Ministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie gefördert. Ruth Pössel LEW Fraunhofer IFAM Schaumelektroden für Energie speicher Fraunhofer IFAM Für die Mobilitätswende wird intensiv nach Hochleistungs-Batteriesystemen für Elektroautos gesucht. Über die nächsten drei Jahre werden deshalb zehn Partner aus Industrie und Wissenschaft, so auch das Fraunhofer IFAM, vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die Entwicklung von Hochleistungsbatterien auf Basis dreidimensionaler Stromableiter gefördert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden unter Verwendung bekannter Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien neuartige Elektrodenstrukturen entworfen. Die Entwicklungsidee basiert dabei auf einem strukturierten Stromableiter in Form eines OFFENPORIGEN METALLSCHAUMS. Durch die Beschichtung der Schaumporen mit elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterialien kann eine dreidimensionale Elektrode unter Beibehaltung der offenporigen Struktur realisiert werden. 94

95 Freuen Sie sich jetzt schon auf die kommende Ausgabe 2/18 inklusive Reprint der ATZ-Erstausgabe von 1898! ATZ Jahrgang 95

96 FORSCHUNG SIMULATION UND TEST AUTOR Simulative Ermittlung von Key-Performance-Indikatoren komfortorientierter Fahrerassistenzsysteme Alexander Fen, MoE war zum Zeitpunkt der berufsbegleitenden Masterarbeit an der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften in Wolfsburg beziehungsweise System Simulation Engineer bei Continental Chassis and Safety Systems and Technologies bei Continental in Frankfurt und ist nun als Simulationsingenieur im Bereich Virtual Development von ADAS Driving Functions bei Continental in Frankfurt tätig. Durch die Kombinations- und Erweiterungsmöglichkeiten im Bereich der Fahrerassistenzsysteme steigt in überproportionalem Maße auch der Test- und Absicherungsaufwand bei Zulieferern und Fahrzeugherstellern. Darüber hinaus werden von Fahrzeugherstellern immer seltener reale Prototypen zu Evaluierungszwecken bereitgestellt, wodurch verstärkt das Ziel verfolgt werden muss, neue Testmethoden innerhalb des Entwicklungsprozesses zu implementieren. Bei Continental wurde daher die objektive Beurteilung von Simulationsergebnissen anhand definierter, quantitativ auswertbarer Kriterien als optimale Ergänzung beziehungsweise Alternative zur bisherigen subjektiven Expertenmeinung der Testingenieure für Quer- und Längsregelfunktionen am Beispiel eines Stauassistenten erarbeitet. Die bei der Masterarbeit in Zusammenarbeit mit der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften entstandenen Lösungen wurden mit dem SimulOscar 2017 der IPG Automotive ausgezeichnet. Continental 96

97 1 MOTIVATION 2 ABLEITUNG DER ANFORDERUNGEN ZU KEY-PERFORMANCE-INDIKATOREN 3 ERMITTLUNG DER RICHTWERTE ZU KEY-PERFORMANCE-INDIKATOREN 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK fungiert, ist der Stauassistent gemäß der Definition der Society of Automotive Engineers (SAE) als Funktion mit Automatisierungslevel 2 einzugliedern [2]. Der Funktionsumfang des Stauassistenten spiegelt sich auch beim Cruising Chauffeur als repräsentative Level-3-Funktion wider, weshalb die ermittelten KPIs unter anderem auch hierfür herangezogen werden können. 2 ABLEITUNG DER ANFORDERUNGEN ZU KEY-PERFORMANCE-INDIKATOREN 1 MOTIVATION Da existierende System- beziehungsweise Funktionsanforderungen lediglich digital bewertet werden (bestanden oder nicht bestanden), bieten die im Folgenden beschriebenen Kriterien Anhaltspunkte für eine analoge, kontinuierliche Beurteilung anhand einer definierten Bewertungsskala, TABELLE 1 [1]. Dabei steht der Komfort des Fahrers im Vordergrund. Zusätzlich wird die Performance der Assistenzfunktion sowie das Sicherheitsempfinden des Fahrers bei aktiver Regelung berücksichtigt. Dazu wurden die originalen Softwarefunktionen in einer virtuellen Fahrzeugsimulationsumgebung bestehend aus IPG CarMaker und Matlab/Simulink integriert sowie zur Auswertung geeignete Testszenarien aufgebaut, gruppiert und den jeweiligen Key-Performance-Indikatoren (KPIs) zugewiesen. Der hierbei analysierte Stauassistent basiert teilweise auf bereits verfügbaren Funktionen und kombiniert ein Full Speed Range ACC (FSRA) inklusive Stop-und-go-Funktionalität mit einem aktiven Spurhalteassistenten (Lane Keep Assist System, LKAS). Somit werden mit dem Lenksystem, dem Antriebsstrang aus Motor und Getriebe sowie dem Bremssystem alle zur sicheren und komfortablen Bahnführung benötigten Aktuatoren eines Fahrzeugs angesteuert. Das System, in diesem Falle der Stauassistent, übernimmt in definierten Situationen nach Betätigung durch den Fahrer die Längs- und Querführung des Fahrzeugs. Diese Situation kann beispielhaft zähfließender Verkehr auf der Autobahn sein, wobei zusätzlich neben den durch LKAS und FSRA abgedeckten Use-Cases noch die reine Objektfolgefahrt ohne Spurinformationen unterstützt wird. Da der Fahrer die Assistenzfunktion stets überwachen muss und bei Systemlimitierungen als Rückfallebene Die ermittelten KPIs sollten nicht fahrzeugspezifisch sein, sondern weitestgehende Allgemeingültigkeit besitzen, wodurch sich die herangezogenen Größen auf Gesamtfahrzeugebene befinden. Daher sind beispielhaft Beschleunigungen oder Rucke, die der Fahrer erfährt, gut als generische Indikatoren geeignet, wohingegen Drehmomente des Brems-, Lenk- oder Antriebssystems zu fahrzeugspezifisch sind. Somit wird deutlich, dass die entscheidenden Einflussfaktoren dieser Bewertungssystematik aus den Bereichen der Funktionsalgorithmen sowie der kinematischen und dynamischen Regelung stammen. Zur quantitativen Betrachtung werden neben den Extremwerten Minimum und Maximum auch Durchschnittswerte der zeitlichen Betrachtung berücksichtigt. Da zur Erkennung von Schwingungsanteilen innerhalb der Messgrößen nur nach einem spezifischen Frequenzband gesucht werden muss, dass als wahrnehmbar für den Fahrer gilt, kann an dieser Stelle der Goertzel-Algorithmus verwendet werden. Dieser bietet besonders in diesem speziellen Fall Geschwindigkeitsvorteile gegenüber der herkömmlichen diskreten Fourier-Transformation (DFT) [3]. Bei transienten Systemübergängen, wie beispielsweise dem Wechsel von Geschwindigkeits- auf Distanzregelung nach einem Cut-in, werden zudem regelungstechnische Größen wie die Überschwingweite und Aus regelzeit betrachtet sowie die ausgewertete Übergangsdauer zwischen Systemzuständen bewertet [4, 5]. Die tatsächlichen physikalischen beziehungsweise fahrzeugtechnischen Größen ergeben sich bei Betrachtung der unterstützten Szenarien, TABELLE 2. Dabei sollten einerseits redundante KPIs vermieden werden, deren Aussagen auf die gleichen Ursachen beziehungsweise Effekte hinweisen. So korrelieren bei komfortorientierten Assistenzsystemen im unteren Dynamikbereich beispielsweise Lenkradwinkel, Gierrate und Querbeschleunigung in den hierbei untersuchten Fällen, weshalb zunächst nur eine der Größen verwendet werden kann. Andererseits sollten die verschiedenen physikalischen Einwirkungen auf den Fahrer berücksichtigt werden. So wirken sich Beschleunigung und Ruck Bewertung Note Optimal 10 Sehr gut 9 Gut 8 Noch gut 7 Befriedigend 6 Ausreichend 5 Mangelhaft 4 Schlecht 3 Sehr schlecht 2 Ungenügend 1 TABELLE 1 Bewertungsschema ( Continental) Longitudinalregelung Geschwindigkeitsregelung Distanzregelung Cut-in Cut-out Lateralregelung Spurmittenführung Objektfolgefahrt Einpendeln nach Spurwechsel Kurvenführung Stop-and-go Seitliches Abdriften 1 1 Gemäß European New Car Assessment Program Lane Support Systems (Euro NCAP LSS) TABELLE 2 Funktional unterstützte und getestete Manöver ( Continental) ATZ Jahrgang 97

98 FORSCHUNG SIMULATION UND TEST BILD 1 Fahrspurhaltung bei Kurvenfahrt [5] ( Continental) unterschiedlich auf das Komfortempfinden des Fahrers aus, wodurch hierbei auch beide Größen als KPIs herangezogen wurden. Bei erkannten Oszillationen im untersuchten Frequenzband können diese toleriert werden, solange die Amplituden dabei für die Fahrzeuginsassen nicht beziehungsweise kaum spürbar sind. Zur Erreichung größtmöglicher Transparenz wurden die gefundenen KPIs eindeutig einer der drei KPI-Rubriken (Performance, Komfort oder Sicherheit) zugeordnet. So können durch Parameteranpassungen häufig Kreuzkorrelationen auftreten, bei denen beispielsweise Performance-KPIs verbessert, Komfort-KPIs jedoch verschlechtert werden. Ein entscheidender Faktor bei der KPI- Findung ist die Betrachtungsperspektive aus Sicht der Fahrer. Eine bestmögliche Bewertung bekommen nicht zwangsläufig die idealen Fahrerassistenzsysteme, die beispielsweise schnellstmöglich entstandene Zeitlücken zu vorausfahrenden Fahrzeugen ausgleichen oder exakt der geometrischen Spurmitte folgen. Vielmehr sollten auch optimierte Fahrverhaltensweisen, wie zum Beispiel das aktive Kurvenschneiden bei unkritischen Kurvenradien, nachgeahmt werden, um ein hohes Akzeptanz- und Komfortmaß zu gewährleisten. Daher lehnt sich beispielsweise der KPI-Faktor des Kurvenschneidens an die in BILD 1 dargestellte Betrachtungsweise an, wobei gewisse Mindestabstände zu den Spurbegrenzungen eingehalten werden sollten. Dabei ist zu erkennen, dass die in Grün dargestellte Trajektorie eine niedrigere Kurvenkrümmung aufweist als die ideale Spurmittenführung in Orange, wonach aufgrund von geringeren Querbeschleunigungen auf ein höheres Maß an Komfort geschlossen werden kann. Der Performance-KPI Corner Cutting Coefficient (CCC) beschreibt daher das Verhältnis aus dem Mittelwert der idealen Spurmittenkrümmung zur gefahrenen Krümmung und wird bei Werten größer 1 positiver bewertet. Andererseits führt ein zu geringer seitlicher Mindestabstand in dieser Rubrik zu einem schlechteren Sicherheits-KPI. BILD 2 Herbeigeführte Oszillation der Querbeschleunigung bei 70 km/h ( Continental) 98

99 3 ERMITTLUNG DER RICHTWERTE ZU KEY-PERFORMANCE-INDIKATOREN Um Richtwerte für die hierbei ermittelten KPIs zu erhalten, gilt es zunächst, sämtliche vorgeschriebenen Systemgrenzen einzuhalten. Dazu zählen unter anderem Vorgaben durch vorhandene ISO-Normen oder NCAP-Testkataloge. Relevant sind hier unter anderem die ISO für FSRA sowie die ISO und der Euro-NCAP-Lane-Support-Systems-Testkatalog für LKAS. Zur Ermittlung weiterer Richtwerte wurden diverse Testfahrten auf Teststrecken durchgeführt. Dabei konnten einige Richtwerte anhand der ausgewerteten Ergebnisse ermittelt werden. Beispielhaft werden im folgenden Verlauf die Bewertungsgrenzen einer lateralen Oszillation an Hand einer herbeigeführten Schwingung der Querbeschleunigung bei 70 km/h gezeigt. Die entsprechend BILD 2 gegen Ende abklingende und kaum wahrnehmbare Frequenz konnte dabei zu etwa 0,1 Hz bestimmt werden. Somit wird der Bereich von 0 bis 0,1 Hz mit der besten Bewertung gekennzeichnet. Die ungenügende Frequenz zu Beginn liegt in etwa zwischen 0,8 und 1,25 Hz. Im mittleren Bereich sind es hauptsächlich Frequenzen im Bereich von 0,2 Hz. Das Frequenzband wurde lediglich bis 3 Hz untersucht, da angenommen wurde, dass eine laterale Frequenz oberhalb 3 Hz mit entsprechender Amplitude aufgrund der Trägheit seitens elektrischer Lenkung nicht mehr realisierbar und seitens Komfortempfinden der Fahrer nicht mehr wahrnehmbar ist. LITERATURHINWEISE [1] Rundloff, B.: Fahrerassistenzsysteme wer sichert die Entwicklung ab? In: Zukunftstechnologien Auto der Zukunft (März 2015), S. 9 [2] N. N.: SAE International Standard J3016 Levels of Driving Automation. SAE International, 2014 [3] Mertins, A.: Signaltheorie: Grundlagen der Signalbeschreibung: Filterbänke, Wavelets, Zeit-Frequenz-Analyse, Parameter- und Signalschätzung. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2013, S. 173 ff. [4] N. N.: Simulation realer Verkehrsunfälle zur Bestimmung des Nutzens für ausgewählte sim-anwendungsfälle auf Basis der Gidas Wirkfeldanalyse. In: Sichere Intelligente Mobilität Testfeld Deutschland (2013), S. 9 [5] Hugemann, W.: Driver Reaction Times in Road Traffic. In: EVU (2002), S. 3 [6] Zacher, S.; Reuter, M.: Regelungstechnik für Ingenieure: Analyse, Simulation, und Entwurf von Regelkreisen. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2014, S. 221 ff. [7] Holzinger, J.; Schöggl, P.; Schrauf, M.; Bogner, E.: Objektivierung der Fahrbarkeit beim automatisierten Fahren. In: ATZ 116 (2014), Nr. 12, S [8] Heissing, B.; Brandl, H. J.: Subjektive Beurteilung des Fahrverhaltens. Würzburg: Vogel Business Media, 2002, S. 28 READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Es wurden Simulationsmethoden untersucht und bereitgestellt, die entwicklungsbegleitend früh eingesetzt sowie beliebig erweitert und angepasst werden können. Mit der Trennung nach lateralen und longitudinalen KPIs können einerseits auch Funktionen getestet und beurteilt werden, die die Fahrzeugführung in nur eine der beiden Fahrtrichtungen beeinflussen. Andererseits können Entwickler die Testumgebung gemäß deren Teilfunktion erweitern beziehungsweise anpassen. Durch die Möglichkeit der Parametervariation ist es darüber hinaus gegeben, mehrere Parametersätze abzulegen und anhand der KPI-Auswertung vergleichen zu können. Somit lassen sich nicht nur Tendenzen zum optimalen Parametersatz herausfinden, sondern auch mögliche Schwächen des Reglers oder des Funktionsalgorithmus erkennen und verdeutlichen. Die drei KPI-Kategorien zu Performance, Komfort und Sicherheit bilden an dieser Stelle bereits große Teile der subjektiven Unterscheidungsmerkmale ab, die mittels Gesamtfahrzeugsimulation abgedeckt werden können. Sie stellten sich vor allem aufgrund der Verständlichkeit, Trennbarkeit und Transparenz als durchaus geeignet heraus. Ebenso war das herangezogene Bewertungsschema der KPIs weitestgehend bekannt und schnell verständlich. Neben der Erhöhung der Anzahl der zur KPI-Auswertung relevanten Tests kann als Ausblick der Arbeit noch eine KPI-gestützte Parameteroptimierung in Betracht gezogen werden. Dazu müsste eine übergeordnete Logik implementiert werden, die auf Basis der ermittelten KPIs die definierten Parameter soweit variiert, bis die Bewertungsergebnisse ein Maximum erreichen. Somit hätte man einen geeigneten Ansatz geschaffen, um fahrzeugspezifische Regleranpassungen bereits vorab durch Simulationen unterstützen zu können und dadurch Zeit und Kosten im Entwicklungs- beziehungsweise Testprozess einzusparen. BRANCHEN- VERBUNDEN Der neue Newsletter Kvon Kleb- und Dichttechnik v adhäsion Alle Top-News und Branchen- Highlights aus der Welt der Kleb- und Dichttechnik, regel mäßig in Ihrem Postfach: Bestellen Sie jetzt unseren kostenlosen Newsletter. Jetzt registrieren: ATZ Jahrgang 99

100 FORSCHUNG ELEKTRISCHE ANTRIEBE Demontagegerechtes Batteriemodul Im Lithium-Ionen-Batteriemodul werden vorrangig stoffschlüssige Fügeverfahren für die elektrische Kontaktierung der einzelnen Batteriezellen eingesetzt. Dies hat zur Folge, dass einzelne Zellen, wenn sie einen Defekt aufweisen, nicht demontiert werden können. Ein alternatives Fügeverfahren könnte das Fließlochschrauben sein, das durch wenige Montageschritte eine demontagefähige Verbindung herstellt. Am wbk wird daher das Fließlochformen als alternatives, lösbares Fügeverfahren für den Einsatz im Batteriemodul untersucht. AUTOREN Ramona Singer, M. Sc. ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Produktionstechnik (wbk) in Karlsruhe. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer ist Leiter der Abteilung Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung am Institut für Produktionstechnik (wbk) in Karlsruhe. wbk 100

101 1 MOTIVATION 2 STAND DER TECHNIK 3 ZIELSETZUNG UND VORGEHEN 4 ERGEBNISSE 5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 1 MOTIVATION Der deutsche Bundesrat forciert die Energiewende unter anderem im Bereich der Mobilität: Im Jahr 2030 sollen bereits sechs Millionen Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs kann unter anderem durch Lithium-Ionen-Batterien erfolgen. Steigt die Fahrzeuganzahl an, wirkt sich das ebenfalls auf die benötigte Anzahl an zu produzierenden Batteriemodulen aus. Im VW e-golf werden beispielsweise 27 Batteriemodule verbaut [1]. Hochskaliert für das Jahr 2030 wären dies 162 Millionen benötigte Batteriemodule. Die hohe Zahl wirft die Frage nach der Reparatur und Wartungsmöglichkeit der Batteriemodule auf: Zwar ist es bereits möglich, einzelne Batteriemodule auszuwechseln [1]. Allerdings ist unklar, wie einzelne defekte Zellen in den Modulen ausgetauscht werden können, da dies aufgrund der vorrangig verwendeten stoffschlüssigen Fügeverfahren nicht möglich ist. Um dieses Defizit zu decken, wird im Forschungsprojekt Innovative Produktionstechnologien für die Herstellung demontagegerechter Lithium-Ionen-Batteriespeicher ein demontagegerechtes Batteriemodul entwickelt. Ziel ist es, defekte Zellen aus dem Modul demontieren und eine funktionierende Zelle wieder einsetzen zu können. Die beschriebenen Fügestellen zwischen Zellpol und Zellverbinder werden nach aktuellem Stand der Technik durch Schweißen oder Schrauben verbunden [4]. Die eingesetzten Verfahren hierfür sind das Ultraschall-, Widerstands- und Laserstrahlschweißen. Gegenüber Schraubverbindungen haben sie den Vorteil, dass ihre Verbindungsstellen bessere elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Aus diesem Grund werden diese Verfahren bevorzugt eingesetzt. Allerdings lassen sich diese Verbindungsstellen nicht wieder lösen [4], was für den Einsatz in einem demontagegerechten Batteriemodul nicht akzeptabel ist. Hier würden sich Schraubverbindungen besser eignen, da diese mehrmals gelöst und wieder angezogen werden. Der Austausch der Schrauben selbst ist ebenfalls möglich. Allerdings bringt die Schraube selbst zusätzliches Gewicht in das Batteriemodul ein. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen ist dies zu vermeiden, da sich ein hohes Fahrzeuggewicht unter anderem negativ auf die maximale Reichweite auswirkt. Zudem ist die Anzahl der notwendigen Montageschritte beim Schrauben, verglichen mit einem Schweißverfahren, höher. Zunächst muss ein Loch in das Bauteil eingebracht werden, in das im Anschluss ein Gewinde geschnitten wird. Beim Einbringen der Schraube wird diese über ein definiertes Anzugsdrehmoment befestigt. Da beide Fügeverfahren, Schweißen und Schrauben, nicht ideal für ein demontagegerechtes Batteriemodul sind, wird ein alternatives Verfahren betrachtet. Eine demontagegerechte Verbindung mit geringem Montageaufwand stellen sogenannte Fließlochschrauben (fließlochformende Schrauben) dar. Sie kombinieren das Fließlochformen und das Gewindefurchen [5]. Beim Montageprozess wird die Schraube ohne Vorloch in das Blech gebohrt und formt so zunächst das Fließloch aus und im Anschluss das Gewinde. Dann erfolgt das vollständige Einschrauben und zum Schluss wird mit einem definierten Drehmoment die Fließlochschraube angezogen. 3 ZIELSETZUNG UND VORGEHEN Das Ziel dieses Beitrags ist es, Fließlochschrauben auf ihre Eignung für den Einsatz in einem demontagegerechten Batteriemodul für Elektrofahrzeugen experimentell zu bewerten. Adressiert wird die Verbindungsstelle zwischen Zellpol und Zellverbinder. Diese muss eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit zwischen den Fügepartnern erreichen. Um die Leitfähigkeit zu bewerten, wird unter Einsatz des Vierpunktleitermessprinzips der Verbindungswiderstand R x bestimmt. Dieser setzt sich für eine kraftschlüssige 2 STAND DER TECHNIK Batteriemodule bestehen aus mehreren einzelnen Batteriezellen. Der Aufbau dieser Module ist geprägt von vielen Fügestellen. Die für die folgenden Betrachtungen relevanten Fügestellen werden anhand BILD 1 erläutert. Es sind vier prismatische Zellen abgebildet, deren Seitenflächen miteinander verklebt sind [2], um sie exakt aufeinander auszurichten. Entsprechend des Schaltplans werden die Zellen elektrisch miteinander verbunden, indem die Zellableiter [3] beziehungsweise Zellpole über Zellverbinder kontaktiert werden. Zellverbinder sind Bleche, die meistens aus Aluminium hergestellt und direkt auf dem Zellpol befestigt werden. BILD 1 Verbindungsstellen zwischen den Zellen ( wbk) ATZ Jahrgang 101

102 FORSCHUNG ELEKTRISCHE ANTRIEBE Verbindung aus dem Materialwiderstand (R M ), dem Engewiderstand (R E ) und dem Fremdschichtwiderstand (R F ) zusammen [6]: Gl. 1 R x = R M + R E + R F Der Messaufbau ist schematisch in BILD 2 beschrieben. Es werden zwei Aluminiumbleche (Werkstoff des Zellverbinders beziehungsweise des Zellpols) überlappend aufeinander positioniert und in diesen Fügebereich eine Fließlochschraube eingebracht. Es werden vier Messpunkte festgelegt, deren Abstand zueinander die Teilwiderstände R A und R B festlegen. Unter Verwendung von Gl. 2 ist es nun möglich, die Kontaktgütemaßzahl k der Verbindungsstelle zu berechnen [6]: Gl. 2 k = 2 R x /(R A + R B ) Diese sorgt dafür, dass der Werkstoffeinfluss der Verbindungsstelle entfällt. Dadurch ist es möglich, die elektrische Leitfähigkeit zwischen Schweißverbindungen, deren Werte aus der Literatur bekannt sind, und Fließlochschrauben zu vergleichen. Die ideale Kontaktgütemaßzahl beträgt im Allgemeinen 0,5 [6], da dann eine vollflächige Kontaktierung der Fügepartner vorliegt. Eine hohe Kontaktgütemaßzahl deutet auf eine schlechte elektrische Leitfähigkeit hin. Bei reib- oder formschlüssigen Verbindungen existiert kein durchgängiger Kontakt der beiden Fügepartner. Die Übergänge werden hier durch in Kontakt stehende Mikroflächen erzeugt. In diesen Übergängen werden die Stromfäden eingeengt, weshalb ein Engewiderstand entsteht. Dieser ist unter anderem abhängig von der Anzahl und Größe der Kontaktflächen und ändert sich mit der Kontaktkraft [7]. Übertragen auf die Fließlochschrauben bedeutet dies, dass der Engewiderstand vom Anziehdrehmoment abhängt. Weiterhin wird der Übergangswiderstand vom Schraubentyp beeinflusst. Aus diesen Gründen werden mehrere Fließlochschraubentypen untersucht, indem sie jeweils zwei Aluminiumbleche mit definierten Drehmomentstufen (4, 6, 8, 10 und 12 Nm) fügen. Nach jeder Drehmomentstufe wird der Verbindungswiderstand bestimmt und die Kontaktgütemaßzahl abgeleitet. Die Schraube mit der kleinsten Kontaktgütemaßzahl wird im Anschluss mit der idealen Kontaktgütemaßzahl, der bestimmten Kontaktgütemaßzahl einer reinen Schraubenverbindung sowie den Kontaktgütemaßzahlen von Laserschweißnähten (die aus der Literatur bekannt sind) verglichen. zerstört. Da Fließlochschraube 2 eine geringere Kontaktgütemaßzahl und damit eine bessere elektrische Leitfähigkeit als Fließlochschraube 1 erreicht, wird nachfolgend nur noch Fließlochschraube 2 betrachtet. In [6] sind die Kontaktgütemaßzahlen von Laserschweißverbindungen für den Einsatz in Batteriemodulen bestimmt worden. Aus eigenen Vorversuchen am wbk sind die Kontaktgütemaßzahlen für Schrauben bekannt. Diese Ergebnisse werden mit den Ergebnissen der Fließlochschraube 2 verglichen. Aus BILD 4 geht hervor, dass eine Fließlochschraube, im Vergleich zu einer Schweißnaht, eine deutlich höhere Kontaktgütemaßzahl aufweist (Abweichung über 50 %). Eine zweite Schweißnaht setzt die Kontaktgütemaßzahl auf 0,55 herab. Die Einbringung einer zweiten Fließlochschraube sorgt dafür, dass die Kontaktgütemaßzahl auf nahezu 1,0 fällt. Dies bedeutet, dass das Einbringen von zwei Fließlochschrauben annähernd die Kontaktgütemaßzahl einer einzelnen Schweißnaht ergibt. Daraus erschließt sich, dass die Fließlochschrauben den stoffschlüssigen Schweißverbindungen hinsichtlich der Kontaktgütemaßzahl unterlegen sind. Ergänzend zu den Vergleichen mit Schweißnähten sind weiterhin die Kontaktgütemaßzahlen von Schraubverbindungen mit den Werten der Fließlochschraube verglichen worden. Hier ergeben sich nahezu identische Messwerte für die Kontaktgütemaßzahlen. BILD 2 Messprinzip zur Bestimmung der Kontaktgütemaßzahl ( wbk) 4 ERGEBNISSE Zur besseren Übersichtlichkeit werden an dieser Stelle nur die zwei Fließlochschrauben mit den geringsten Kontaktgütemaßzahlen dargestellt. Fließlochschraube 1 ist aus Stahl gefertigt, hat eine Länge von 14 mm und einen Durchmesser von 4 mm. Fließlochschraube 2 ist zusätzlich beschichtet, hat eine Länge von 20 mm und einen Durchmesser von 5 mm. In BILD 3 sind die Kontaktgütemaßzahlen über dem Anzugsdrehmoment der Fließlochschrauben aufgetragen. Die Kontaktgütemaßzahl von Fließlochschraube 1 nimmt bis zu 8 Nm Drehmoment ab. Bei weiterer Steigerung des Drehmoments wird die mechanische Belastungsgrenze der Fließlochschraube überschritten und das Gewinde zerstört. Die Kontaktgütemaßzahl von Fließlochschraube 2 sinkt bis 10 Nm und unterschreitet dabei den minimalen Wert von Fließlochschraube 1. Erst bei 12 Nm Anzugsdrehmoment wird das Gewinde 102 BILD 3 Abhängigkeit der Kontaktgütemaßzahl vom Anzugsdrehmoment ( wbk)

103 Die reine Bewertung aus elektrischer Sicht ist nicht ausreichend, um eine Verbindungstechnik für den Einsatz in einem Batteriemodul zu qualifizieren. Es müssen weitere mechanische Tests durchgeführt werden, welche die notwendige Stabilität bei Vibrationen, die durch das Fahrzeug erzeugt werden bestätigen. BILD 4 Vergleich der Kontaktgütemaßzahlen unterschiedlicher Fügeverfahren ( wbk) 5 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die Kontaktgütemaßzahl einer Laserschweißverbindung besser ist, als die der Fließlochschraube. Allerdings sind die Kontaktgütemaßzahlen zwischen Fließlochschrauben und Schraubverbindungen gleich. Da letztere bereits als Fügeverfahren im Batteriemodul eingesetzt werden, wird der Einsatz von Fließlochschrauben für ein demontagegerechtes Batteriemodul als positiv bewertet. Da es beim Montageprozess der Fließlochschrauben jedoch zu einer Temperaturentwicklung in der Fügestelle kommt, welche die zulässige Belastungstemperatur der Zelle selbst übersteigt, wird eine direkte Kontaktierung von Zellpol und Zellverbinder über eine Fließlochschraube ausgeschlossen. Es ist jedoch denkbar, dass der Zellverbinder auf den Zellpol geschweißt wird und der Zellverbinder mit einem weiteren Zellverbinder über eine Fließlochschraube verbunden wird. Dadurch können einzelne Batteriezellen ausgetauscht werden. LITERATURHINWEISE [1] Schwarzer, C. M.: Die Mär vom Sondermüll auf Rädern. Online: mobilitaet/ /elektromobilitaet-batterie-recycling, aufgerufen am [2] Kampker, A.; et al.: Montage eines Batteriepacks. Aachen/Frankfurt am Main: PEM und VDMA Eigendruck, 2015 [3] Kampker, A.: Elektromobilitätproduktion. Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2014 [4] Lee, S.; et al.: Joining Technologies for Automotive Lithium-Ion Battery Manufacturing: A Review. ASME 2010, International Science and Engineering Conference [5] Friedrich, H.: Leichtbau in der Fahrzeugtechnik. Wiesbaden: Springer- Vieweg, 2013 [6] Schmidt, P.: Laserstrahlschweißen elektrischer Kontakte von Lithium-Ionen- Batterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen. München, Technische Universität, Dissertation, 2015 [7] Vinaricky, E.; et al.: Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren. Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2016 DANKE Dieser Beitrag ist durch die Forschungsarbeiten im Projekt Innovative Produktionstechnologien für die Herstellung demontagegerechter Lithium-Ionen- Batteriespeicher (InnoDeLiBatt) (Förderkennzeichen: 01MX15009C) entstanden. Besonderer Dank gilt dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), das die Förderung übernimmt. Weiterer Dank gilt dem Co-Autor Jakob Lechtenberg, der im Rahmen seiner am wbk angefertigten Bachelorarbeit wesentlich zu den im Artikel vorgestellten Erkenntnissen beigetragen hat. READ THE ENGLISH E-MAGAZINE Test now for 30 days free of charge: ZERO CO 2 MOBILITY OPTIMALE MOBILITÄTS- KONZEPTE FÜR HEUTE UND MORGEN. WIR UNTERSTÜTZEN SIE DURCH UNSERE EXPERTISE BEI DER ENTWICKLUNG ALTERNATIVER ANTRIEBSKONZEPTE Ihr Engineering Partner: > Vollständige und teilweise Elektrifizierung von Antrieben > Batterietechnik und Batteriemanagement-Systeme > Brennstoffzellen-Technologien > CNG und LNG > CO2-neutrale und regenerative Kraftstoffe > E-fuels > Power-to-X ATZ Jahrgang 103

104 SERVICE BÜCHER BERT BREUER, KARLHEINZ H. BILL (HRSG.) Bremsenhandbuch Kfz-Ingenieure und -Techniker kommen ohne detailliertes Wissen über moderne Fahrzeugbremsen nicht mehr aus. Als einziges Fachbuch in deutscher Sprache stellt das Bremsenhandbuch diesen sicherheitsrelevanten Bereich der Fahrzeugtechnik fachwissenschaftlich fundiert und gleichzeitig praxisorientiert dar. In 36 Kapiteln behandeln die Autoren ausführlich Grundlagen, Anforderungen, Auslegungen, Aufbau, Gestaltungen, Komponenten und Teilsystemfunktionen von Bremsen nicht nur von Pkw, sondern auch von geländegängigen Rad- und Kettenfahrzeugen sowie von Zweirädern und Luftfahrzeugen. In vielen farbigen Abbildungen zeigen die Autoren detailliert den Aufbau der verschiedenen Bremssysteme. Die fünfte Auflage wurde gründlich überarbeitet, aktualisiert und erweitert. Damit wird das Bremsen von Elektround Hybridfahrzeugen besonders berücksichtigt. Der Autor Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. Bert Breuer gründete und leitete das Fachgebiet Fahrzeugtechnik der TU Darmstadt mit den Schwerpunkten Fahrwerk und Bremsen. Ehrenamtlich war er unter anderem Vorsitzender der VDI-Gesellschaft Fahrzeug und Verkehrstechnik und Präsident der Fisita, derzeit ist er Präsident des internationalen µ-symposiums. Prof. Dr.-Ing. Karlheinz H. Bill, lehrt heute nach Fahrzeugforschung an Hochschulen und in der Industrie Fahrzeugtechnik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin. KLAUS KOMPASS Aktive Sicherheit und automatisiertes Fahren Das automatisierte Fahren wird heute als eines der größten Zukunftsthemen der Mobilität angesehen. Beim 3. Interdisziplinären Expertendialog zum Thema aktive Sicherheit und automatisiertes Fahren diskutierten die Teilnehmer unter anderem über die Absicherung der Funktionen, die Beherrschbarkeit von kritischen Situationen durch den Menschen oder auch über die Cybersicherheit, die in Zukunft eine große Rolle spielen wird. Auf 220 Seiten hat Klaus Kompaß die 14 Vorträge der 40 Mitautoren zusammengetragen. Zielgruppe sind Fach- und Führungskräfte aus dem Umfeld Fahrzeughersteller, Zulieferer, Entwicklungsdienstleister der Fahrzeugsicherheit, Automobilindustrie, Versicherer, technische Überwachungsvereine, Behördenvertreter sowie Verkehrspsychologen und Unfallforscher. Die Autoren sind Experten in den jeweiligen Fachgebieten und kommen aus Unternehmen und Institutionen, die in der jeweiligen Forschung führend sind. Sie befassen sich seit vielen Jahren mit den Themen Fahrzeugsicherheit, Fahrerassistenz und hochautomatisiertes Fahren. Der Band wurde unter der Leitung von Prof. Dipl.-Ing. Klaus Kompaß, Leiter Fahrzeugsicherheit der BMW Group, zusammengestellt. Die Besetzung des Fachbeirats belegt den interdisziplinären Charakter, der sich auch in den ausgewählten Beiträgen widerspiegelt. Springer Vieweg, Wiesbaden, 2017, 5. Auflage, XLVII, 791 Seiten, 350 Abbildungen in Farbe, 343 Schwarz- Weiß-Abbildungen, Hardcover, ISBN , 79,99 Euro, auch als ebook erhältlich, Bestellung unter: engineering Expert Verlag, Renningen, 2018, 220 Seiten, 118 Abbildungen, 17 Tabellen, Haus der Technik Fachbuch, Band 146, flexibler Einband, ISBN , 59,80 Euro, auch als ebook erhältlich 104

105 Anzeigen-Sonderveröffentlichung Uli Regenscheit ATZlive Foren für die Zukunft der Mobilität Kongresse, Tagungen und Messen gehören ohne Zweifel zu den wichtigsten Treibern für Forschung und Entwicklung. Der gegenseitige Austausch von neuen Erkenntnissen, der Blick über den Tellerrand und die Möglichkeit zur Vernetzung helfen immens, die eigenen Herausforderungen zu meistern. Auch deshalb haben das Wiener Motorensymposium, das Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik oder der Internationale Motorenkongress in Baden-Baden auch 2018 wieder ihren festen Platz im Terminkalender der gesamten Automobilbranche. Neu auf der Tagungsagenda ist die Messe elect!, die im Oktober in Stuttgart erstmals stattfindet. Parallel dazu organisiert ATZlive die Veranstaltung elect! ATZ-Kongress Electrified Mobility. Der Kongress soll eine Plattform für den fachlichen Austausch der Experten im Bereich der elektrifizierten Mobilität bieten. Bereits zum dritten Mal findet dagegen die internationale ATZ-Fachtagung Netzintegration der Elektromobilität in Berlin Anfang Juni statt. Zu den Voraussetzungen für den Durchbruch im Bereich Elektromobilität zählt auch ein kontinuierlicher Austausch von Ideen und Meinungen. Den Rahmen hierzu bietet diese ATZlive-Veranstaltung, die einem interdisziplinären Publikum aus Automobilindustrie, Energieversorgern, Datendienstleistern und Politik ein Forum zum Austausch bieten will. Mitte Juni findet mit der chassis.tech plus in München ein weiterer Höhepunkt des ATZlive-Veranstaltungskalenders statt. Die Großtrends automatisiertes Fahren und Elektrifizierung des Antriebs stellen auch die Chassisentwickler vor neue Auf gaben. Zahlreiche Experten und Redner aus Industrie und Forschung werden die neuesten Entwicklungen der Fahrwerkstechnik sowohl in Plenarsitzungen als auch in vier parallelen Themensträngen ansprechen. Uli Regenscheit ATZlive

106 7. Tagung Sensoren im Automobil am in München Erweitern Sie Ihr Netzwerk und profitieren Sie von aktuellstem Know-how von Automobilherstellern, Komponenten- und Modulzulieferern. DISCOVER THE WORLD S LEADING SPECIALIST MAGAZINE FOR THE AUTOMOTIVE SECTOR! TAKE A FREE TEST DRIVE ATZ-MAGAZINE.COM Die Themen umfassen: ADAS / Fahrerassistenzsysteme Automatisiertes / Autonomes Fahren Fahrwerk aktive / passive Sicherheit Klimatisierung Karosserie Batterien in Elektrofahr zeugen Datensicherheit und Datenverarbeitung inkl. Fachbuch Automobil-Sensorik des Springer Verlags Jetzt buchen unter: sensoren-im-automobil.de Ihre Ansprechpartnerin für Tagung und Ausstellung: Manuela Hartwich m.hartwich@hdt.de Tel.: +49 (0) 201/

107 VDA TECHNISCHER KONGRESS 2018 Kongress-Premiumpartner Kongress-Partner 27./28. Februar 2018 Maritim Hotel, Berlin February 27-28, 2018 Maritim Hotel, Berlin Kongress-Unterstützer

108 Hocheffizientes ISO Workshop - Training Vöhlinschloss bei Ulm, Feb Juni Nov (Grundlagenkurs jeweils am Vortag) Zentral: 4-tägiger Intensiv-Workshop zur ADAS Safety Case Entwicklung eines Kreuzungspiloten (Max. 25 Teilnehmer) Vertiefend: Vorträge von angesehenen Experten aus der Industrie zu bestimmten Aspekten Im Fokus: Systems-, Safety- & Security-Engineering, Testen komplexer Systeme, Semiconductor Solutions und ihre Herausforderungen Highlight: Diskussion mit einer Experten-Runde zu SOTIF und Predictable Performance Private Consulting durch Experten: zu spezifischen Fragen (optional, ohne Aufpreis) Grundlagenkurs: am Vortag für alle, die mit dem Standard noch nicht vertraut sind oder ihr Wissen auffrischen wollen Early-Bird-Rabatte: bis zu 400! Programm/Preise: THEFKFSis pleased to announce: 18 TH STUTTGART INTERNATIONAL SYMPOSIUM AUTOMOTIVE AND ENGINE TECHNOLOGY March 2018 Stuttgart, Germany STUTTGART INTERNATIONAL SUMMER SCHOOL MOBILITY 15 June 11 July 2018 Stuttgart, Germany 7 TH AUTOTEST TECHNICAL CONFERENCE TEST OF HARDWARE AND SOFTWARE IN AUTOMOTIVE DEVELOPMENT September 2018 Stuttgart, Germany 3 RD SHANGHAI STUTTGART SYMPOSIUM AUTOMOTIVE AND ENGINE TECHNOLOGY October 2018 Shanghai, China Pfaffenwaldring Stuttgart Tel Fax veranstaltungen@fkfs.de

109 th SuperEarlyBird REGISTRATION before Feb. 1, 2018 CONFERENC CKS SPECI SESSION: ernasch AC SAR ADVAnced co-simulation open SyStem Architecture Organization: S Exhibition: Information:

110 Antriebs- und Fahrzeugtechnik im Gespräch. Fachkonferenzen für Fahrzeug- und Motoreningenieure 2018 DER ANTRIEB VON MORGEN 12. Internationale MTZ-Fachtagung Zukunftsantriebe 31. Jan. und 1. Feb Frankfurt a. M. 5. INTERNATIONALER MOTORENKONGRESS Gesamtsystem Pkw Nfz Kraftstoffe 27. und 28. Februar 2018 Baden-Baden FAHRERASSISTENZSYSTEME 4. Internationale ATZ-Fachtagung Automatisiertes Fahren 18. und 19. April 2018 Wiesbaden KAROSSERIEBAUTAGE HAMBURG 16. ATZ-Fachtagung 8. und 9. Mai 2018 Hamburg NETZINTEGRATION DER ELEKTROMOBILITÄT 3. Internationale ATZ-Fachtagung 5. und 6. Juni 2018 Berlin CHASSIS.TECH PLUS 9. Internationales Münchner Fahrwerk-Symposium 12. und 13. Juni 2018 München SIMULATION UND TEST 20. MTZ-Fachtagung 25. und 26. September 2018 Hanau EINE PLATTFORM FÜR IHRE PRÄSENTATION Präsentieren Sie in unseren exklusiven Ausstellungen oder als Sponsor dem anwesenden Fachpublikum Ihre aktuellen Produkte und Dienstleistungen. Es informiert Sie gerne: Elke van Lon Telefon

111 elect! 2018 ATZ-Kongress Electrified Mobility 8. und 9. Oktober 2018 Stuttgart LADUNGSWECHSEL IM VERBRENNUNGSMOTOR 11. MTZ-Fachtagung 23. und 24. Oktober 2018 Stuttgart HEAVY-DUTY-, ON- UND OFF-HIGHWAY-MOTOREN 13. Internationale MTZ-Fachtagung Großmotoren 6. und 7. November 2018 Köln REIBUNGSMINIMIERUNG IM ANTRIEBSSTRANG 7. ATZ-Fachtagung Tribologie 20. und 21. November 2018 Esslingen am Neckar Interessante Fachtagungen verwandter Bereiche: EPS DER PULVERTREFF 37. JOTlive-Fachtagung Elektrostatisches Pulverbeschichten 16. und 17. Oktober 2018 München INDUSTRIE-LACKIERUNG 11. JOTlive-Fachtagung Industrielles Nasslackieren 15. und 16. November 2018 Stuttgart 1. TRANSFORMATIONS-KONGRESS Energie - Mobilität - Finanzierung 27. und 28. November 2018 Frankfurt a. M. PROGRAMM UND ANMELDUNG Telefon Abraham-Lincoln-Straße 46 Telefax Wiesbaden Deutschland ATZlive@springer.com ATZ Jahrgang 111

112 IMPRESSUM AUTOMOBILTECHNISCHE ZEITSCHRIFT Technisch-wissenschaftliche Zeitschrift für Forschung, Entwicklung und Produktion auf dem Gesamtgebiet des Kraftfahrzeuges Gegründet 1898 als Der Motorwagen Organ der VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik (FVT) Organ der Forschungsvereinigung Automobiltechnik e. V. (FAT) und des Normenausschusses Automobiltechnik (NAAutomobil), vormals FAKRA, im DIN Deutsches Institut für Normung e. V. Organ der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Kraftfahrzeug- und Motorentechnik e. V. (WKM) _ 120. Jahrgang Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Postfach Wiesbaden Abraham-Lincoln-Straße Wiesbaden Amtsgericht Wiesbaden, HRB 9754, USt-IdNr. DE Geschäftsführer Stefanie Burgmaier, Joachim Krieger, Juliane Ritt Gesamtleitung Produktion Dr. Olga Chiarcos ISSN WISSENSCHAFTLICHER BEIRAT Dipl.-Ing. Dietmar Bichler Bertrandt AG Dipl.-Ing. Kurt Blumenröder IAV GmbH Dr.-Ing. Joachim Damasky VDA/FAT Dr. Thomas Dieckmann Wabco GmbH Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein RWTH Aachen Dr.-Ing. Ulrich Eichhorn Volkswagen AG Dipl.-Ing. Klaus Fröhlich BMW AG Prof. Dr.-Ing. Uwe Dieter Grebe AVL List GmbH Prof. Dr.-Ing. Peter Gutzmer Schaeffler AG Dr.-Ing. Markus Heyn Robert Bosch GmbH Prof. Dr.-Ing. Pim van der Jagt Ford-Forschungszentrum Aachen GmbH Dipl.-Ing. Ralph Lauxmann Continental Teves AG & Co. ohg Dipl.-Ing. (BA) Joachim Mathes Valeo Schalter und Sensoren GmbH Dr.-Ing. Peter Mertens Audi AG Dr.-Ing. Harald Naunheimer ZF Friedrichshafen AG Prof. Dr. Dipl.-Ing. Peter Pfeffer Hochschule München Dr.-Ing. Otmar Scharrer Mahle International GmbH Prof. Dr.-Ing. Rodolfo Schöneburg Daimler AG, VDI-FVT Dipl.-Ing. (FH) Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Wolfgang Schwenk Adam Opel GmbH Dr. Michael Steiner Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG Dr. Frederik Zohm MAN Truck & Bus AG REDAKTION HERAUSGEBER Dr. Johannes Liebl, Wolfgang Siebenpfeiffer CHEFREDAKTEUR (verantwortlich für den redaktionellen Inhalt) Dr. Alexander Heintzel tel fax alexander.heintzel@springer.com STELLVERTRETENDER CHEFREDAKTEUR Dipl.-Ing. Michael Reichenbach tel fax michael.reichenbach@springer.com CHEFIN VOM DIENST Kirsten Beckmann M. A. tel fax kirsten.beckmann@springer.com REDAKTEURE Dipl.-Journ. (FH) Mathias Heerwagen tel fax mathias.heerwagen@springer.com Angelina Hofacker tel fax angelina.hofacker@springer.com Markus Schöttle tel fax markus.schoettle@springer.com Dipl.-Ing. Thomas Siebel tel fax thomas.siebel@springer.com ONLINE ELEKTRONISCHE MEDIEN Channelmanager/-in Automotive Christiane Köllner tel fax christiane.koellner@springer.com Patrick Schäfer tel fax patrick.schaefer@springernature.com KOORDINATION DIGITALE MAGAZINE Dipl.-Reg.-Wiss. 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(FH) Andreas Fuchs, Stefan Schlott PROJEKTMANAGEMENT ASSISTENZ Yeliz Konar tel fax yeliz.konar@springer.com REDAKTIONSANSCHRIFT Abraham-Lincoln-Straße Wiesbaden, Postfach Wiesbaden redaktion@atzonline.de ANZEIGEN LEITER MEDIA SALES (verantwortlich für den Anzeigenteil) Volker Hesedenz tel fax volker.hesedenz@springer.com VERKAUFSLEITER AUTOMOTIVE Rouwen Bastian tel fax rouwen.bastian@springer.com ANZEIGENDISPOSITION Susanne Bretschneider tel fax susanne.bretschneider@springer.com ANZEIGENPREISE Es gelten die Mediainformationen von Oktober VERTRIEB MARKETING SONDERDRUCKE LEITER VERTRIEB + MARKETING Jens Fischer PRODUKTMANAGEMENT Arzu Ugur tel fax arzu.ugur@springer.com SONDERDRUCKE Martin Leopold tel fax leopold@medien-kontor.de PRODUKTION LAYOUT Kerstin Brüderlin tel fax kerstin.bruederlin@springer.com Alle angegebenen Personen sind postalisch unter der Adresse des Verlags erreichbar. DRUCK UND VERARBEITUNG Kliemo Printing AG Hütte 53, 4700 Eupen, Belgien ABONNEMENTS Springer Customer Service Center GmbH Tiergartenstraße Heidelberg tel fax Montag bis Freitag, 8 bis 18 Uhr springervieweg-service@springer.com BEZUGSMÖGLICHKEITEN Die ATZ erscheint 11 Mal jährlich, zusätzlich erscheinen mindestens 5 Sonderhefte. Ein Jahres abonnement kostet für Privatpersonen 201 Euro, für Unternehmen 359,50 Euro. Vorzugspreise für VDI/ÖVK-Mitglieder bei Nachweis durch aktuelle Mitgliedsbescheinigung 174 Euro, für studierende VDI/ÖVK-Mitglieder bei Nachweis durch aktuelle Immatrikulations- und Mitgliedsbescheinigung 72 Euro. Einzelbezugspreis eines Hefts: 38,57 Euro. Alle Preise gelten zuzüglich Versandkosten: Inland 24 Euro, Ausland 39 Euro, AirMail 117 Euro. Weitere Preise, Bestellmöglichkeiten und Details zu den Abonnementbedingungen unter Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck: Die Zeitschrift sowie alle in ihr enthaltenen Beiträge einschließlich sämtlicher Abbildungen, Grafiken und Fotos sind urheberrechtlich geschützt. Sofern eine Verwertung nicht ausnahmsweise ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf jedwede Verwertung eines Teils dieser Zeitschrift der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlags. Dies gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Nachdrucke, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, öffentliche Zugänglichmachung sowie die Einspeicherung und Ver arbeitung von Teilen dieser Zeitschrift in Datenbanken und anderen elektronischen Systemen und die Verbreitung oder Verwertung über elektronische Systeme. Die Artikel der ATZ sind mit größtmöglicher Sorgfalt erstellt. Die Redaktion übernimmt jedoch keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit und Aktualität der abgedruckten Inhalte. Für den Inhalt der Werbeanzeigen ist das jeweilige Unternehmen beziehungsweise die jeweilige Gesellschaft verantwortlich. Jedes Jahresabonnement beinhaltet eine Freischaltung für das Online-Archiv auf SpringerProfessional.de sowie den Zugriff auf das E-Magazin (emag.springerprofessional.de). Der Zugang gilt ausschließlich für den Empfänger des Abonnements. Für unverlangt eingeschickte Manuskripte, Fotos und Illustrationen wird keine Gewähr übernommen. Gesellschafterin der Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ist zu 100% die Springer- Verlag GmbH. Deren 100%ige Gesellschafterin ist die Springer Science+Business Media GmbH. Die alleinige Gesellschafterin (100% der Anteile) der Springer Science+Business Media GmbH ist die Springer Science+Business Media Deutschland GmbH. Die Springer Science+Business Media Deutschland GmbH ist eine 100%ige Tochtergesellschaft der Springer SBM Two GmbH. Die Springer SBM Two GmbH ist eine 100%-ige Tochter der Springer SBM One GmbH. Die Springer SBM One GmbH ist eine 100%-ige Tochter der Springer SBM Zero GmbH. An der Springer SBM Zero GmbH hält die Springer Science+Business Media G.P. Acquisition S.C.A., Luxemburg, 47 % der Anteile und die GvH Vermögensverwaltungsgesellschaft XXXIII mbh 53% der Anteile. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 2018 Springer Vieweg ist ein Imprint der Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, die ein Teil der Fachverlagsgruppe Springer Nature ist.

113 AUSGABE VORSCHAU Die nächste Ausgabe erscheint am 26. Januar 2018 TITELT HEM A Lichttechnik Scheinwerfer für die Kommunikation 120 JAHRE ATZ Historisches seit 1898 Aerodynamik ENTWICKLUNG Fahrzeugintegration eines Brennstoffzellensystems xev-betriebsstrategien im virtuellen Entwicklungsprozess Siliziumkarbid-Halbleiter für die Zukunft des E-Antriebsstrangs Thermische Absicherung des BMW i8 Roadster ZKW FORSCHUNG In der Nacht ereignen sich 27 % aller Unfälle mit Personenschaden, der Anteil mit tödlichem Ausgang liegt bei 30 %. Damit sind Dämmerung und Dunkelheit ein ernst zu nehmender Faktor bei Verkehrsunfällen, weil die Leistungsfähigkeit der Augen an ihre Grenzen stößt. Die Entwicklung verbesserter Scheinwerfer ist deshalb zum einen immer noch ein wichtiges Instrument zur Steigerung der Verkehrssicherheit. Zum anderen können moderne LED- Matrix-, LCD- und Mikrospiegel-Lichtsysteme, aber auch Informationen transportieren. Und diese Informationsvermittlung wird wichtiger, wenn autonome Fahrzeuge auf den Straßen unterwegs sind. Möglichkeiten der Kommunikation gibt es viele. Der Besteller möchte wissen, welches der Robotaxis für ihn bestimmt ist. Mit einer Lichtprojektion auf den Boden vor dem Auto kann er per Name begrüßt werden. Oder Licht dient als Kennzeichnung. Es markiert die Sicherheitsabstände bei autonomer Kolonnenfahrt, oder es teilt dem Fußgänger den automatischen Modus mit. In diesem Themenumfeld stellen Audi, Ford und ZKW ihre neuen Systeme der Lichttechnik genauer vor. Vergleich zwischen LED- und Laserscheinwerfersystemen Gegenüberstellung des Klimakomforts von Oberflächenmaterialien für den Fahrzeugsitz ATZ Jahrgang 113

114 GASTKOMMENTAR Dr.-Ing. Peter Mertens Mitglied des Vorstands der Audi AG, Technische Entwicklung, ATZ-Beirat Audi Automobile Autonomie Technische Veränderung ist die Triebfeder der Automobilindustrie. Sie sichert seit 1886 ihren Bestand. Bei Audi heißen Technologieaffinität und Transformationsfähigkeit: Vorsprung durch Technik. quattro und TFSI, Laserlicht und Leichtbau sind Vorsprung durch Technik. Sie markieren große technische Entwicklungsschritte. Audi AI schließt hier an. Damit hält das Zeitalter der künstlichen Intelligenz (KI) Einzug ins Automobil. Die Chiffre Audi Artificial Intelligence beschreibt intelligente, selbstlernende Assistenzsysteme und autonomes Fahren. Sie steht für die Vernetzung des Pkw mit seiner Umwelt egal ob es sich um andere Verkehrsteilnehmer und Ampelsysteme, ein Parkhaus oder eine Ladestation handelt. Das erst macht das automatisierte Fahren möglich, das wiederum die Mobilität revolutionieren wird. Selbstfahrende Autos benötigen künstliche Intelligenz als eine der Schlüsseltechnologien. Nahezu in Echtzeit bringt die KI Infrastrukturdaten und Daten anderer Verkehrsteilnehmer zusammen. Das vollständig vernetzte Auto blickt dank Audi AI wesentlich weiter nach vorne als die bisher ein gesetzten Systeme rund 10 s sind bereits heute möglich. Anders aus gedrückt: Das Auto der Zukunft ist erstmals zu Prognosen fähig. Es macht damit Level 3 des automatisierten Fahrens erst möglich und wird künftig zur Grundlage für Level 4 und Level 5, dem vollautomatisierten und im letzten Schritt auto nomen Fahren. 114 Für den Autofahrer bedeutet autonome Mobilität ein Plus an Komfort, Freiheit und Sicherheit. Stichwort Freiheit: Autonomes Fahren gibt Zeit zurück: Denn es erlaubt dem Fahrer künftig, den Aufenthalt an Bord eines vollvernetzten Pkw freier zu gestalten. Nach und nach kann er das Lenkrad loslassen und stattdessen arbeiten, kommunizieren oder sich entspannen. Darüber hinaus gewinnt er Zeit, denn das automatisiert fahrende Auto nimmt ihm viele Routinetätigkeiten ab, wie das Einparken oder das Fahren durch die Waschstraße. Stichwort Sicherheit: Heute werden 90 % aller Verkehrsunfälle durch menschliches Versagen verursacht. Deshalb verspricht das automatisierte Fahren, die Unfallzahlen im Straßen verkehr signifikant zu verringern. Davon geht auch die Politik aus. So schreibt die Ethikkommission der deutschen Bundesregierung für automatisiertes und vernetztes Fahren im Abschlussbericht vom Juni 2017: Eine immer stärker vervollkommnete Wahrnehmung der Fahrzeugumgebung lässt eine immer bessere Unterscheidung von Verkehrsteilnehmern, Hindernissen und Gefahrensitua tionen erwarten. Damit dürfte die Straßenverkehrssicherheit deutlich zu steigern sein. Das erwartet auch Audi durch seine vielfältigen Assistenzsysteme. Digitalisierung und Vernetzung machen Mobilität sicherer und komfortabler. Das automatisierte Fahren ist der nächste Meilenstein in der über 130-jährigen Geschichte des Automobils.

115 5. Treffpunkt der Verbrennungsmotoren-Community PKW NFZ Kraftstoffe 27. und 28. Februar 2018 Baden-Baden IM FOKUS: ENERGIESYSTEME UND ANTRIEBE 2030 Podiumsdiskussion: Schaffen wir den Verbrennungsmotor ab!? SCHWERPUNKTTHEMEN Gesamtsystem Motoren und Kraftstoffe CO 2 -Reduzierung Realemissionen Ottomotoren im vollständigen Lambda 1-Betrieb Dieselmotoren in elektrifizierten Antrieben Synthetische Kraftstoffe TOP-REDNER Dr. Wolfgang Demmelbauer-Ebner, Volkswagen AG Rudolf Ellensohn, Liebherr Machines Bulle S.A., Schweiz Prof. Dr. Peter Gutzmer, Schaeffler AG Dr. Christian Landerl, BMW Group Carsten Müller, Deutscher Bundestag Jürgen Resch, Deutsche Umwelthilfe e. V. Dr. Otmar Scharrer, MAHLE International GmbH Dr. Markus Schwaderlapp, DEUTZ AG Rashmi Urdhwareshe, Automotive Research Association of India (ARAI), Indien Mit begleitender Fachausstellung PROGRAMM UND ANMELDUNG:

116 WE DRIVE INNOVATION Infrarotsensor nsor für berührungslose Gesten Drehsteller frei auf dem Touchscreen platzierbar Dreh-/Drücksteller mit Schiebefunktion zur Wahl des Fahrmodus DIE ZUKUNFT IM BLICK Mittelkonsolen-Konzept 2017 Mit der jüngsten Konzeptstudie für eine Mittelkonsole stellt Preh diverse Highlights vor. Mehr erfahren Sie im Pressebereich unserer Webseite.