Fahrzeugtechnik

Der Radverkehr ist zentraler Bestandteil einer klimafreundlichen Mobilität. EBikes eröffnen neue Möglichkeiten für verschiedene Nutzergruppen und tragen so dazu bei den Anteil des Radverkehrs weiter zu steigern. Da die Verkehrsmittelwahl jedoch wesentlich von subjektiven Fahreindrücken abhängt, müssen geeignete Methoden zur objektiven Bewertung subjektiver Fahreindrücke beim eBike-Fahren entwickelt werden. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Machine-Learning (ML) -basierte Objektivierung subjektiver Fahreindrücke beim eBike-Fahren. Mittels eines Mixed-Methods-Designs werden subjektive Fahreindrücke und deren Einflussfaktoren qualitativ in einer Interviewstudie (N=23) ermittelt und quantitativ durch Daten einer Fahrstudie (eMountainbike, N=80) verifiziert. Mithilfe einer Gauß-Prozess Regression wird der subjektive Fahreindruck Fahrerlebnis mit eBike-Sensordaten für vier Fahrertypen in den Anwendungsfällen eMountainbike (N=80) und eTrekking (N=55) prädiziert. Aufgrund des Black-Box-Charakters der ML-Modelle wird post-hoc die Explainable-AI (XAI) -Methode SHAP (SHapley Additive exPlanations) zur Evaluation des Fahrerlebnisses eingesetzt. Die in den untersuchten Anwendungsfällen erreichten Modellgüten belegen die Eignung von ML zur Objektivierung subjektiver Fahreindrücke. Die Post-hoc-Analyse zeigt den Mehrwert von SHAP zur Evaluation subjektiver Fahreindrücke auf. Mithilfe der vorgestellten Methode können aussagekräftige Prädiktoren und deren Einfluss auf das Fahrerlebnis bestimmt werden. Fahrerleistungsbezogene Parameter, Motorleistung, Längsdynamik und Querdynamik wurden als Quelle einflussreicher Prädiktoren ermittelt. Der Einfluss der Prädiktoren unterschied sich zwischen einem komfortorientierten, abfahrtsorientierten, dynamikorientierten und sportlichen Fahrertypen. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation verdeutlichen das Potential der ML-basierten Objektivierungsmethode zur Evaluation subjektiver Fahreindrücke. Die gewonnenen Erkenntnisse erweitern das Verständnis über subjektive Fahreindrücke beim eBike-Fahren und tragen zu einer Verbesserung des Fahrerlebnisses bei.

Die Möglichkeit einer frühzeitigen Integration des Menschen in den Entwicklungsprozess wird durch die Nutzung von Fahrsimulatoren geschaffen. Diese bieten die Möglichkeit, den Menschen als Echtteil in eine Simulationsumgebung einzubinden, mit der er interagieren kann, ohne sich selbst und andere zu gefährden. Ziel der Simulation ist es dabei immer, ein Verhalten bzw. eine Reaktion hervorzurufen, welche der in einer vergleichbaren realen Situation entspräche. Somit kommt der Güte der bereitgestellten Informationen eine erhebliche Bedeutung zu, da sie zum einen über die Befriedigung der Erwartungshaltung des Menschen an eine mit der Erfahrung korrelierende Stimmigkeit der Informationen zueinander entscheidet, zum anderen maßgeblich dessen Reaktion auf die jeweilige Fahrsituation bestimmt. Diesem Informationsbedarf stehen die technischen Gegebenheiten gegenüber, die es ermöglichen sollen, den Bedarf zu decken - sei es über eine Täuschung oder eine Skalierung. Die Herausforderung besteht dabei neben der Darstellung selbst zum einen in deren zeitlichen Verlauf, zum anderen in deren beabsichtigtem oder auch unbeabsichtigtem Zusammenwirken mit anderen Informationen. Gerade falsche Informationen führen schnell zu einer Nicht-Akzeptanz der Simulation, womit deren Sinnhaftigkeit hinfällig ist. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss der Bewegungsdarstellung auf die subjektive Beurteilung des Fahreindrucks in der Fahrsimulation zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Akzeptanz der Verzerrung einer Gierbewegung im Rahmen der Bewegungsdarstellung lag. Dazu wurden nach eingehender theoretischer Betrachtung Simulationsumgebungen aufgebaut, in welchen Versuche mit Probanden durchgeführt wurden, welche statistisch abgesicherte Aussagen über die Akzeptanz skalierter Gierbewegungen unter Berücksichtigung verschiedener weiterer Einflussfaktoren zulassen. Die Versuche zeigen zunächst, dass der Mensch als reale Komponente in einer Systemumgebung eine in ihren Eigenschaften und ihrem Urteilsvermögen nicht immer reproduzierbare Größe darstellt. Somit kommt der Vorbereitung und Durchführung der Versuche dahingehend eine besondere Bedeutung zu, als das man dem Ziel einer repräsentativen und möglichst reproduzierbaren Bewertung so nah wie möglich kommen sollte. Wie erwartet zeigen die Versuche, dass eine Verzerrung der Gierbewegung möglich ist. Dieser bereits bei einem reinen Freiheitsgrad um die Hochachse erkennbare Effekt steigert sich gerade bei Überlagerung mit einer Querbeschleunigung nochmals deutlich. Dieses Ergebnis ist bei allen untersuchten Fahrmanövern erkennbar, wobei auch eine Identifikation des Eigenlenkverhaltens der simulierten Fahrzeugmodelle in weiten Bereichen möglich war. Auf der anderen Seite ist zu erwähnen, dass ein Weglassen der Gierbewegung selbst bei einer realitätsgetreuen Darstellung der Querbeschleunigung von den Probanden nicht nur teilweise bemerkt, sondern teilweise auch negativer als mit deren Darstellung bewertet wurde. Bereits der Einsatz eines reinen Giersimulators führt zu überraschend guten Fahreindrücken. Auch die Kombination einer Querbeschleunigung mit einer Gierbewegung führt bei den wenigen Bewegungssystemen, die dazu vollumfänglich in der Lage sind, zu unerwarteten guten Ergebnissen, was auch in den hier durchgeführten Versuchen - wenn auch nur als Nebeneffekt - klar erkennbar wurde. Es bleibt festzuhalten, dass grundsätzlich die Verzerrung von Bewegungen in den einzelnen Freiheitsgraden innerhalb eines gewissen Bereiches durchaus möglich ist, jedoch stark vom Ziel des Simulatoreinsatzes und oft auch von den Probanden selbst abhängt. Auch ist die Nutzung einer möglichen für den Anwendungsfall unschädlichen Verzerrung bzw. Skalierung aufgrund der verfügbaren bzw. nicht mit vertretbarem Aufwand realisierbaren technischen Möglichkeiten nicht immer umsetzbar. Letzteres wird auch die Schwierigkeit im konkreten Fall der Gierbewegung sein.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Glaubwürdigkeit und Belastbarkeit von Simulationen im Kontext der schnellen Deformationen von Stahlstrukturen, wie sie zum Beispiel in der automobilen passiven Sicherheit relevant sind. Dabei wird zunächst auf die theoretischen Hintergründe und Randbedingungen bei der Nutzung von Modellen eingegangen. Die betrachteten relevanten Hauptkonzepte sind hier Validierung und Ungewissheitsbetrachtung. Die theoretischen Betrachtungen werden anschließend auf zwei typische einfache Prüfkörper angewendet. Für diese Prüfkörper werden in unterschiedlichem Umfang mehrere Versuche jeweils für einen langsamen und einen schnellen Lastfall durchgeführt. Diese können anschließend als Referenzergebnisse für die Bewertung der Güte von Simulationen und für die Betrachtungen unter Ungewissheit genutzt werden. Für den ersten betrachteten Prüfkörper des Vierkantrohres ergeben die Charakterisierungen bereits zwei signifikant unterschiedliche Eigenschaftengruppen im Hinblick auf Blechdicke, Material und Geometrie. Für den langsamen Versuch gelingt für diese beiden Gruppen ein sehr guter Abgleich. Die Übertragung auf den schnellen Lastfall offenbart für das abgeglichene Modell merkliche Unterschiede zu den Versuchsergebnissen. Aus diesem Grund muss die Validierung für das Modell dieses Prüfkörpers, der eine starke Idealisierung der in der passiven Sicherheit von Automobilen eingesetzten Strukturen darstellt, für den schnellen Lastfall als eingeschränkt erfolgreich angesehen werden. Ein typisches Deformationselement wird als zweiter Prüfkörper berücksichtigt. Hier liegen deutlich weniger Versuche vor. An dieser Stelle wird der Modellabgleich für die Blechdicke und Materialeigenschaften im Sinne einer Parameteridentifikation durchgeführt. Es wird gezeigt, dass zusätzlich zu den bestimmten Werten für Blechdicke und Material die Abbildung der tatsächlichen Geometrie einen signifikant positiven Einfluss auf die Übereinstimmung mit den langsamen Versuchsergebnissen hat. Die Übertragung des Modells auf den schnellen Lastfall funktioniert für das Deformationselement mit sehr hoher Güte. Ebenso wie die physischen Versuche bei Wiederholungen ist das Modell für den schnellen Lastfall nicht besonders sensitiv gegenüber geringen Variationen. Während offenbleibt, warum die Übertragung des Modells des Vierkantrohrs auf den schnellen Lastfall nicht in hoher Güte gelingt, dürfen die Ergebnisse zum Deformationselement als Beispiel für ein im Rahmen der betrachteten Lasten glaubwürdiges und belastbares Modell angesehen werden. Es wird daran vor allem auch deutlich, welchen Einfluss vermeintlich kleine Abweichungen in der Geometrieabbildung haben können.

Die Effizienzsteigerung der Fahrzeugantriebe und damit die Reduktion von CO2-Emissionen ist ein vornehmliches Ziel in der Fahrzeugentwicklung, welches durch gesetzgeberische Eingriffe in Form von Restriktionen des Schadstoffausstoßes eine hohe Priorisierung erhält. Die hierdurch getriebene Elektrifizierung des Antriebsstrangs führt zu einer Vielzahl von Antriebsstrangtopologien. Deren Potenzialergründung für unterschiedliche Nutzungsprofile bedarf aufgrund der Komplexität der Topologien selbst sowie aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Energiewandler einer computeralgebraischen Unter-stützung. Die entwickelte Methode zur nutzungsbasierten Optimierung des Antriebsstrangs nimmt sich dieser Problematik an und löst sie durch eine integrierte Betrachtung der Systemauslegung und objektivierten Bewertung von nutzungsspezifischen Parametern. Die Methodik zielt dabei auf eine nutzungsbasierte Auslegung der Antriebssysteme in einer frühen Entwicklungsphase dieser ab. Die daraus resultierende Abstraktion auf eine konzeptionelle Ebene führt zu einer Fokussierung auf die Optimierung der Energiewandler, die als Verbrennungskraftmaschine oder elektrische Maschine im Antriebsstrang Verwendung finden. Das Instrument zur Abbildung des Fahrzeugverhaltens bildet eine Längsdynamiksimulation, die durch Ausrollversuche validiert wird. Die Modellierung des Antriebsstrangs und im Speziellen der Traktionsmaschinen erfolgt mittels elliptischer Paraboloide über einen eigens entwickelten Ansatz zur Abstraktion der Kennfelder des spezifischen Verbrauchs und des Wirkungsgrades. Dieses Verfahren wird durch einen Vergleich mit realen Kennfeldern unter Verwendung des neuen europäischen Fahrzyklus validiert und im Folgenden als Bestandteil der Zielfunktion des Optimierungsverfahrens genutzt. Dieses nutzt die Parameter der Paraboloiden zur Anpassung auf den betrachteten Nutzungszyklus, was für konventionelle und batterieelektrische Antriebe eine Leistungsskalierung und für hybride Antriebssysteme eine Leistungsverteilung zwischen Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine einschließt. Das Ergebnis sind auf einen Nutzungszyklus optimierte Antriebe, deren Well-to-Wheel CO2-Emissionen als Ordnungskriterium dienen. Die optimierten Antriebssysteme werden genutzt, um deren Fahrleistungen in einer dynamischen Längsdynamiksimulation zu ermitteln. In Verbindung mit den CO2-Emissionen werden diese einem Bewertungsverfahren nach dem Analytic Hierarchy Process zugeführt, welches auf objektivierten Bewertungskriterien beruht. Die Gewichtung der Kriterien gegenüber den Zielen erfolgt ebenfalls durch objektivierte Größen, die aus dem Nutzungsprofil gewonnen werden. Das Ergebnis des Bewertungsverfahrens ist der nutzungsbasierte Optimalantrieb.

Die kontinuierliche Verbesserung der Fahrzeugsicherheit wird durch stetig verschärfte gesetzliche Vorgaben und das steigende Bewusstsein auf der Verbraucherseite angetrieben. Die aktive Fahrzeugsicherheit versucht eine Gefahrensituation frühzeitig zu erkennen und einen Unfall zu vermeiden, während die passive Fahrzeugsicherheit den Insassenschutz und eine Minderung der Unfallfolgen zum Ziel hat. Heutige Fahrzeuge werden einer Vielzahl von Crashtests unterzogen, die vom Gesetzgeber und Verbraucherschutzorganisa- tionen festgelegt werden. Die Crashtest können in sogenannte must-fire und no-fire Lastfälle eingeteilt werden. Im must-fire Crashtest müssen die Rückhaltesysteme zum Schutz des Insassen gezündet werden, während im no-fire Fall keine Zündung erfolgen darf. Eine früh- zeitige Trennung dieser Lastfälle stellt eine Herausforderung für die Crasherkennung dar, sodass kontinuierlich an der Entwicklung der Crashsensorik und einer robusten Trennung der Crashszenarien gearbeitet wird. Der Einsatz von Körperschallsensorik in der Crasherkennung stellt einen Schritt in dieser Richtung dar und verbessert die frühzeitige und robuste Einstufung der Crashschwere. Die während eines Crashs entstehenden hochfrequenten Körperschallsignale werden mit der Deformation des Fahrzeugs korreliert und bieten somit eine zusätzliche neue Informa- tionsquelle. Im Gegensatz zu Satellitensensoren wird die Körperschallsensorik nicht in der Knautschzone, sondern im Bereich der Fahrgastzelle verbaut. Für die Signalübertragung vom Entstehungsort bis zum Sensor werden keine zusätzlichen Leitungen benötigt. Die Körperschallsignale breiten sich direkt über die Karosseriestruktur bis zum Sensor aus, wodurch das Fahrzeug selbst zu einem Teil des Sensoriksystems wird. Die Entwicklung und Applikation von Körperschallsensorik für neue Fahrzeugmodelle wurde bisher auf Basis von Versuchen durchgeführt. Die Applikation ist daher erst zu einem späten Zeitpunkt im Design-Prozess des Fahrzeugs möglich, da Prototypen für die Versuche vorhanden sein müssen. Das bisherige Vorgehen ist somit zeit- und kostenintensiv. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation hochfrequenter Crashsignale, um eine frühzeitige Applikation der Körperschalltechnologie zu ermögli- chen. Hierdurch kann bereits eine Evaluierung der Signalqualität und die Optimierung der Fahrzeugstruktur stattfinden, bevor reale Prototypen verfügbar sind. Darüber hinaus kann die Parametrierung des Crasherkennungsalgorithmus früher durchgeführt und gemeinsam mit der Fahrzeugstruktur optimiert werden. Das erste Kapitel bietet eine Einleitung in die Thematik und eine Übersicht des Stands der Forschung. Im zweiten Kapitel wird auf die theoretischen Grundlagen von Körper- schallwellen eingegangen. Die eingesetzte Messtechnik und Signalverarbeitung werden im dritten Kapitel vorgestellt, bevor im vierten Kapitel die Messung von Signallaufzeiten und die Einteilung unterschiedlicher Crashsignale diskutiert wird. Die Entstehung hochfrequenter Crashsignale und deren Übertragung entlang der Fahr- zeugstruktur werden im Rahmen der Arbeit getrennt voneinander behandelt. Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit Körperschallquellen im Fahrzeugcrash, sowie mit der Simu- lation der Signalentstehung durch die finite Elemente Methode (FEM). Am Beispiel eines Stoßfängersystems wird gezeigt, dass eine Vorhersage der hochfrequenten Körperschallsig- nale, die durch eine Deformation der Struktur hervorgerufen werden, möglich ist. In einem zweiten Schritt wird das FEM-Model erweitert und für die Simulation eines Rohkarosserie- Crashs eingesetzt. Beide Simulationsmodelle werden durch Versuche validiert. Im sechsten Kapitel wird eine Übersicht an numerischen Verfahren gegeben, die zur Simulation von Wellenausbreitungsphänomenen eingesetzt werden können. Die Eigenschaften der einzel- nen Verfahren werden unter Gesichtspunkten der Crashsimulation diskutiert. Anschließend werden im siebten Kapitel FEM-Modelle einzelner Komponenten der Karosseriestruktur vorgestellt, die zur Simulation der Signalübertragung eingesetzt werden. Insbesondere wird der Einfluss von Schweißnähten und Sicken im Signalweg untersucht. Durch den Einsatz der Laser-Scanning-Vibrometer Technik wird die Interaktion der Körperschallwellen mit der Struktur visualisiert und zur Validierung der Simulation eingesetzt. Im achten Kapitel wird der Aufbau eines Programm-Codes auf Basis der spektralen finiten Elemente Methode (SFEM) als Alternative zur FEM vorgestellt. Die Vorteile der SFEM werden gegenüber der herkömmlichen Elementformulierung in der FEM anhand von mehreren numerischen Beispielen und einer karosserienahen Struktur aufgezeigt.