Kraftfahrzeugmechatronik: Ein innovatives Fachgebiet an der Universität Stuttgart

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1 Kapitel 31 Kraftfahrzeugmechatronik: Ein innovatives Fachgebiet an der Universität Stuttgart Dr.-Ing. Gerd Baumann Prof. Dr.-Ing. Ulf Essers Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss 1. Definition Kraftfahrzeugmechatronik Eine der treffendsten Definitionen des Begriffs Mechatronik stammt von S. J. Ovaska: In a mechatronic product, the characteristics of mechanics, electronics and information technology are combined to form a new product development philosophy. Das Wort Mechatronik steht somit für einen ganzheitlichen Ansatz der Entwicklung von integrierten Systemen, die aus mechanischen, elektronischen und informationstechnischen Komponenten bestehen. Kurz gesagt: Mechatronik ist die Kunst, mechatronische Systeme zu entwickeln. Die treibende Kraft für den Einzug mechatronischer Systeme in viele Produkte des täglichen Lebens ist die Explosion der Funktionen, d. h. durch die Integration von Elektronik und Software in mechanische Systeme kann eine Vielzahl neuer Funktionen realisiert werden und vorhandene Funktionen können deutlich wirtschaftlicher als bisher dargestellt werden. Eines der eindrücklichsten Beispiele für den Siegeszug der mechatronischen Systeme ist das Kraftfahrzeug. Ein Auto nur mit Mechanik (und Thermodynamik) ist heute schlichtweg undenkbar. Durch die Integration von Elektronik und Software haben die Leistungsfähigkeit, die Sicherheit, der Komfort und die Umweltverträglichkeit ein hohes Maß erreicht und erhöhen sich noch weiter. Von Modell zu Modell bestechen neue Autos durch neue Funktionen im Antriebsstrang, im Fahrwerk und im Innenraum, ganz zu schweigen von dem rasanten Anstieg der Sicherheits- und Fahrerinformationsfunktionen. Alle diese Funktionen werden durch mechatronische Teilsysteme realisiert, die mehr und mehr zu einem mechatronischen Gesamtsystem vernetzt werden. Dieses mechatronische Gesamtsystem ist bereits heute von hoher Komplexität und bietet ein ungeheures Optimierungspotential, das noch lange nicht ausgeschöpft ist. 2. Kraftfahrzeugmechatronik im Umfeld von Industrie und Universität Da Deutschland einer der weltweit bedeutendsten Standorte der Automobilindustrie und führend in der Entwicklung innovativer Komponenten und Systeme ist, ist die Ausbildung von Ingenieuren für die Kraftfahrzeugtechnik für uns besonders wichtig und sie wird auch seit über 100 Jahren an den Technischen Hochschulen und Universitäten unseres Landes sehr erfolgreich betrieben. Um neuen Herausforderungen gerecht zu werden, hat sich die Universität Stuttgart, die eine der führenden deutschen Hochschulen auf dem Gebiet der Ingenieurwissenschaften (Platz 1 laut Spiegel Nr. 48/2004, Platz 2 laut Fokus Nr. 10/2004) und der Fahrzeugtechnik ist, in den letzten Jahren an der Fakultät Maschinenbau eine neue Struktur auf dem Wissengebiet der Kraftfahrzeugtechnik gegeben. Insbesondere durch die Einrichtung des neuen Lehrstuhls Kraftfahrzeugmechatronik in 2004 hat sie eine enorme Verstärkung von Forschung und Lehre vorgenommen und eine deutschlandweit einmalige Abdeckung der wissenschaftlichen Themen rund ums Automobil erzielt. Gestiftet von mehreren Firmen der Automobilindustrie im Autoland Baden-Württemberg (Behr GmbH & Co. KG, Robert Bosch GmbH, Dekra Automobil GmbH, Porsche AG und der ZF Friedrichshafen AG) wurde der Lehrstuhl am 1. April 2004 mit Herrn Professor Hans-Christian Reuss besetzt. 1

2 3. Kraftfahrzeugmechatronik in der Forschung Das Ziel von Forschung und Lehre an diesem neuen Lehrstuhl liegt in der Verfolgung eines ganzheitlichen Ansatzes für die Entwicklung mechatronischer Systeme für das Kraftfahrzeug. Das bedeutet in der Forschung neben der konkreten Entwicklung neuer Funktionen die Erarbeitung und Verbesserung von Methoden und Werkzeugen für den Entwurf, den Test und die Diagnose Bild 1. Entwurf Test Diagnose Bild 1: Methoden und Werkzeuge Eine wesentliche Herausforderung ist in diesem Zusammenhang die Beherrschung der Komplexität. Die Elektronik-Systeme im Automobil haben eine rasante Entwicklung erfahren. Handelte es sich vor einigen Jahren noch überwiegend um Stand-alone-Systeme, haben wir es heute mit einem komplexen, vernetzten Gesamtsystem mit starken internen Wechselwirkungen zu tun, an dessen Entstehung viele verschiedene Partner beteiligt sind. Dieses komplexe Gesamtsystem muss nach Kriterien wie Kosten, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Sicherheit, Kundennutzen, Umweltfreundlichkeit, Bauraum, Gewicht sowie Entwicklungszeit und Manpower optimiert werden. Folgende Themen bilden den Schwerpunkt der Forschungsarbeiten: Sensorik und Aktuatorik Antriebsstrangmanagement Dynamik und Regelung Vernetzung und Architektur Bordnetz und Energiemanagement Software und Entwurfswerkzeuge Test und Diagnose So gilt es beispielsweise die Energie- und Informationsflüsse im Antriebsstrang sowie im Energieund Informationsnetz zu optimieren, damit der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen reduziert und der Fahrkomfort erhöht werden kann. Wichtige Aktivitäten sind hierbei die Analyse des Einflusses von Fahrer und Fahrsituation auf den Kraftstoffverbrauch, die Entwicklung situationsadaptiver Gangwahlstrategien für automatische Getriebe im PKW und im Nutzfahrzeug, die Auslegung und Regelung von Hybridantrieben Bild 2, die vorausschauende Steuerung des Antriebssystems unter Einsatz von digitalen Karten und GPS-Ortung sowie Fahrerassistenzsysteme für eine kraftstoffsparende Fahrweise. 2

3 Bild 2: Simulation eines hybriden Antriebskonzeptes Bild 3: 4-Rad-Multifkonfigurationsbordnetz und Antriebsstrang-Prüfstand 3

4 In seinen Berufungsverhandlungen gelang es Professor Reuss, die Zusage für den Ausbau eines Multikonfigurations-Antriebsstrangprüfstands zu erhalten Bild 3. Mit diesem Prüfstand wird es möglich sein, Optimierungen im Gesamtsystem des Antriebsstrangs eines Allrad-Fahrzeugs und Untersuchungen zum Energiemanagement, insbesonders im elektronischen Bordnetz, am Generator, an Hybridantrieben und an elektrischen Speichern durchzuführen. 4. Kraftfahrzeugmechatronik in der Lehre Neben den Aktivitäten in der Forschung ist es natürlich die Aufgabe des neuen Lehrstuhls, Lehrveranstaltungen anzubieten, d. h. den Studenten die Kunst der Mechatronik zu vermitteln. Es darf nicht sein, dass die Universitäten, die sich ja aus historischen Gründen durch eine klare Trennung ihrer ingenieurwissenschaftlichen Fakultäten Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik/Informatik auszeichnen, diese Aufgabe der Automobilindustrie überlassen. An der Universität Stuttgart wird seit dem WS 2004/05 im Hauptstudium des Studiengangs Fahrzeugund Motorentechnik als neues Haupt- und Pflichtfach Kraftfahrzeugmechatronik angeboten. Das Hauptfach Kraftfahrzeugmechatronik hat einen Umfang von 10 Wochenstunden pro Semester die sich in Kernfächer (4 Stunden) und Ergänzungsfächer (6 Stunden) aufteilen. Der Fächerkatalog, an dem sich Professoren der Fakultäten Maschinenbau und Elektrotechnik und Informatik sowie auch Lehrbeauftragte aus der Automobilindustrie beteiligen, sieht wie folgt aus: Kernfächer (obligatorisch) Dozent Benennung V UE WS/SS Reuss, H.-C. Kraftfahrzeugmechatronik I 2 WS Reuss, H.-C. Kraftfahrzeugmechatronik II 1 1 SS Ergänzungsfächer Dozent Benennung V UE WS/SS Reuss, H.-C. Embedded Controller 1 1 SS Reuss, H.-C. Datennetze im Kraftfahrzeug 2 WS Gauger/Widdecke Kraftfahrzeug-Komponenten 2 SS Kolb Motorsteuergeräte 2 SS Hettich Einführung in die Kraftfahrzeugsystemtechnik 2 WS Bergmann, R. Sensoren für die Kraftfahrzeugelektronik 2 SS Zeitz Simulationstechnik 3 1 WS Wehlan Elektrische Signalverarbeitung 2 2 SS Wehlan Echtzeit-Datenverarbeitung 3 1 WS Brand Planung und Konzeption von Prüfständen 2 SS/WS Göhner Softwaretechnik I 2 2 SS/WS V = Vorlesung, UE = Übung In Ergänzung zu den Vorlesungen und Übungen werden Praktika zu den Themen Motorsteuergeräte, Bordnetz, Diagnose und Datenbussysteme angeboten, die in Kleingruppen absolviert werden Bild 4. 4

5 Bild 4: Versuchsaufbau für Diagnosepraktikum 5. Das FKFS als Forschungs- und Entwicklungsdienstleister auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugmechatronik Das Arbeitsgebiet Kraftfahrzeugmechatronik existiert am FKFS seit Anfang der 1990er Jahre. Zunächst stand die Entwicklung neuer Verfahren zur numerischen Simulation von Teilsystemen und Komponenten des Kraftfahrzeugs im Mittelpunkt der Aktivitäten, z. B. die detaillierte Simulation von Lenkungen Bild 5. Bild 5: Simulationsmodell einer Kegelumlauflenkung 5

6 Daraus entwickelte sich der Arbeitsschwerpunkt Echtzeitsimulation. In Zusammenarbeit mit einem Industriepartner entstanden die ersten Hardware-in-the-Loop-Simulationsanlagen zur Untersuchung elektronisch geregelter LKW-Bremsanlagen mit ABS und EBS. Weiterhin wurden verschiedene Fahrsimulatoren im Kundenauftrag entwickelt, unter anderem entstanden Anlagen zur Einweisung von LKW-Fahrern in die elektronische Getriebesteuerung des Mercedes-Benz Actros und zur Demonstration von Funktionen des neuen Unimog Bild 6. Diese Aktivität besteht bis heute. So wurde vor kurzem ein Fahrsimulator zur Untersuchung der Haptik von Kfz-Bedienelementen entwickelt Bild 7. Bild 6: Fahrsimulatoren zur Fahrerschulung und Demonstration von Fahrfunktionen Bild 7: Haptik-Fahrsimulator 6

7 Fragen der Haptik stehen auch im Mittelpunkt des Themas Auslegung von PKW-Bremsanlagen, das seit vielen Jahren intensiv bearbeitet wird. Unter Anderem wurde eine Methode zur Bewertung und Optimierung des Bremspedalgefühls entwickelt. Die neuen Auslegungsverfahren wurden in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH in dem Softwarewerkzeug CoBrake implementiert Bild 8. Bild 8: Rechnergestützte Bremssystemauslegung Einen weiteren Schwerpunkt der Kraftfahrzeugmechatronik bildet die Steuergeräte-Software- Entwicklung. Zunächst wurden neue Methoden der modellbasierten Funktionsentwicklung betrachtet, z. B. Software-in-the-Loop unter Verwendung zeitgemäßer Software-Werkzeuge mit graphischer Modellbeschreibung. Dabei wurde stets eine Anwendung der Methoden in konkreten Projekten angestrebt. So wurde eine verbrauchsoptimierte Schaltstrategie für PKW mit automatisiertem Schaltgetriebe entworfen und mittels Rapid Control Prototyping in einem Versuchsfahrzeug implementiert und erprobt Bild 9. Bild 9: Steuergeräteverbund eines Fahrzeugs mit ASG 7

8 Eine weitere Anwendung ist die detaillierte Simulation der Abstandsregelung ACC Bild 10. Ähnliche Aktivitäten bestehen bei der Getriebesteuerung von Nutzfahrzeugen, wobei die selbständige Anpassung der Schaltalgorithmen an verschiedene Fahrsituationen im Mittelpunkt steht. Hierfür wurde ein Messsystem entwickelt, dass neben der Erfassung zahlreicher Fahrzustandsgrößen auch die Zuordnung der aktuellen Fahrsituation über eine grafische Benutzeroberfläche ermöglicht Bild 11. Bild 10: Simulation einer Abstandsregelung (ACC) Bild 11: Fahrtenmesssystem mit Erfassung von Fahrsituationen 8

9 Für Untersuchungen zum kundenrelevanten Fahrbetrieb wurde bei Stuttgart eine Rundstrecke definiert, die den durchschnittlichen Fahrbetrieb in Deutschland mit sehr guter Näherung repräsentiert Bild 12. Durch Versuchsfahrten auf dieser Strecke in Kombination mit einer Simulation konnte z. B. vorhergesagt werden, welche Auslegung eines Hybridantriebs optimal bezüglich des Kraftstoffverbrauches im realen Fahrbetrieb ist. Die Strecke wird auch für weitere Untersuchungen, z. B. beim Entwurf von GPS-gestützten Assistenzsystemen verwendet. Bild 12: Repräsentativer Rundkurs zur Untersuchung des realen Fahrbetriebs In Zusammenarbeit mit einem OEM wurde der Prototyp eines vorausschauenden Fahrerassistenzsystems entwickelt, das unter Verwendung von Topografiedaten aus einer digitalen Straßenkarte Empfehlungen für eine verbrauchsgünstige Fahrweise ermittelt und diese dem Fahrer über ein aktives Fahrpedal mitteilt Bild 13. Eine aktuelle Weiterentwicklung dieses Ansatzes stellt das lernende Fahrzeug dar. Ein im Fahrzeug integriertes Streckengedächtnis ermöglicht es, den Kraftstoffverbrauch oder den Fahrkomfort bei wiederholtem Befahren von Strecken zu optimieren, z. B. durch verbesserte Gangwahl und vorausschauendes Energiemanagement. 9

10 Bild 13: Verbrauchsassistent mit digitaler Straßenkarte Ein weiteres Thema, das seit vielen Jahren intensiv bearbeitet wird, ist die Onboard-Diagnose. Beispielsweise wurde in Zusammenarbeit mit einem OEM die Software zur Erkennung kleinster Leckagen im Kraftstoffsystem verbessert und an einem Prüfstand erprobt Bild 14. Bild 14: Prüfstand zur Entwicklung von Software für die Tankleckdiagnose 10

11 Mit der gestiegenen Komplexität der Kfz-Elektronik und -Software sind auch die Anforderungen an Testverfahren in der Entwicklung gewachsen. Hardware-in-the-Loop-Simulatoren und Laborauto- Aufbauten sind in den Entwicklungsabteilungen vieler Fahrzeughersteller und Systemlieferanten zu finden. Als Ergänzung zum Fahrversuch decken solche Anlagen wichtige Teilaufgaben bei der Entwicklung und Integration von Kfz-Elektronik ab, vor allem in frühen Entwicklungsphasen. Für die sich häufig wiederholenden Prüfaufgaben, die den Entwicklungsprozess in hohem Maße prägen und die Zuverlässigkeit des Serienfahrzeugs signifikant beeinflussen, wurde am FKFS das P.A.T.E.- System (Personal Automatic Tester for Electronics) entwickelt: Eine einfach zu bedienende Testumgebung, die als Open-Loop-System sowohl als Standalone-Tester am einzelnen Arbeitsplatz als auch für größere Prüfaufbauten in der Entwicklung bei OEM und Elektronik-Zulieferern geeignet ist, Bild 15. Auch im Versuchsfahrzeug kann P.A.T.E. eingesetzt werden. Bild 15: Automatisches Testsystem P.A.T.E. für Kraftfahrzeugelektronik Zusammenfassung Mit der Einrichtung des neuen Stiftungslehrstuhls Kraftfahrzeugmechatronik im Umfeld starker, renommierter und neuer Lehr- und Forschungsinstitute auf dem Campus der Universität in Stuttgart- Vaihingen, an der die Hochschul- und Fakultätsleitung, das Ministerium für Wissenschaft und Kunst Baden-Württemberg und die Automobilindustrie in Baden-Württemberg gleichermaßen beteiligt waren, wurde ein zukunftsweisendes Konzept zur Behandlung des Automobils in Forschung und Lehre realisiert. Die Bearbeitung industrienaher Forschungsprojekte und die Ausbildung von Diplomingenieuren, die die Automobilindustrie wirklich braucht, schaffen ein Potenzial, mit dem der Standort Stuttgart auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik einen Spitzenplatz in der deutschen Wissenschaftslandschaft einnimmt. 11