Mechatronik im KFZ am Beispiel aktiver und passiver

Fahrzeugsicherheitssysteme

Prof. Dr.-Ing. habil. M. Hiller,

Universität-Gesamthochschule Duisburg

Lotharstr.1, 47048 Duisburg

Tel. (0203) 379 3337 www.mechatronik.uni-dusiburg.de

Fax:(0203) 379 4143 [email protected]
 
 

Mechatronische Systeme sind gekennzeichnet durch das Zusammenspiel unterschiedlicher Teildisziplinen des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Informationsverarbeitung. Welche Teilgebiete dabei zum Zuge kommen, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Es ist jedoch festzustellen, daß das multidisziplinäre Konzept der Mechatronik in immer stärkerem Maße den Entwicklungsprozess vieler technischer Produkte prägt. Ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Kraftfahrzeugentwicklung, bei der sich die Mechatronik inzwischen einen festen Platz erobert hat. Auf der methodischen Seite kommt dabei der Simulation als Entwicklungswerkzeug eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dies soll am Beispiel der Entwicklung von aktiven Fahrzeugsicherheitssystemen wie ABS/ASR, FDR (Fahrdynamikregelung) bzw. ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) und ACC (Adaptive Cruise Control) sowie von Rückhaltesystemen zum Fahrzeuginsassenschutz exemplarische demonstriert werden. Die vorgestellten Ergebnisse wurden in enger Kooperation mit der Industrie erarbeitet.
 
 
 
 
 
 

Mikrosystemtechnik � Mechatronik im Kleinstformat und mehr

Prof. Dr. rer. nat. A. Schütze, FH Niederrhein

Reinarzstr. 49, 47805 Krefeld

Tel. (02151) 822 362 www.fh-niederrhein.de/fb03

Fax: (02151) 822 333 [email protected]
 
 

Die Mikrosystemtechnik, kurz MST, stellt ähnlich wie die Mechatronik ein relativ junges, interdisziplinäres Arbeitsgebiet mit einer enormen Breite an Applikationsmöglichkeiten dar. Sie ist mit der Mechatronik eng verwandt, da auch hier elektrische und mechanische Komponenten mit intelligenter Signalverarbeitung verknüpft werden � besonders deutlich wird dies am amerikanischen Synonym für MST Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Ihre Wurzeln liegen primär in der Mikroelektronik, zusätzlich vereint sie weiter (Mikro-) Techniken (u.a. Mikrooptik, LIGA, aber auch chemische und biologische Techniken) sowie Systemtechniken (AVT, Entwurf, Simulation und Test) unter dem übergreifenden Aspekt der Systemminiaturisierung.
 
 

Der Vortrag soll einen kurzen Einblick in die MST, ihre heute maßgeblichen Produkte sowie aktuelle Entwicklungen und sich abzeichnende Trends geben. Dazu sollen Aspekte der gegenseitigen Befruchtung von Mikrosystemtechnik und Mechatronik aufgezeigt werden, daß die extreme Miniaturisierung mit typischen Abmessungen im m m-Bereich im Vergleich zur klassischen Mechanik neue Konzepte für mikromechanische Lösungen erfordert.
 
 
 
 

Produktentwicklungs- und Innovationsprozesse in der Mechatronik:

Risikominimierung oder Chancenmaximierung ?

Prof. Dr.-Ing. J. Wallaschek

Heinz Nixdorf Institut, Paderborn

Fürstenallee 11, 33102 Paderborn

Tel. (05251) 60 6276 neuwww.uni-paderborn.de

Fax: (02151) 60 6278 [email protected]
 
 

Die Entwicklung neuer Technologien und Produkte erfolgt im Spannungsfeld von Chancenmaximierung und Risikominimierung. In der Mechatronik stellen sich aufgrund der Vielzahl der beteiligten Disziplinen und Technologien besondere Herausforderungen, die ein systematisches Vorgehen bei Entwicklungs- und Innovationsprozessen erfordern. Die zeitnahe Umsetzung der sich ständig ändernden Forderungen des Marktes und der sich ständig verändernden technologischen Randbedingungen in konkrete Entwicklungsziele stellt sich als schwierige Managementaufgabe dar und ist oft genug Auslöser von Konflikten an der Schnittstelle von technischer und kaufmännisch-wirtschaftlicher Betrachtungsweise.
 
 

Im vorliegenden Beitrag werden zunächst die Besonderheiten mechatronischer Produktentwicklungsprozesse und das Innovationspotential, das durch die Verknüpfung unterschiedlicher Ingenieurdisziplinen entsteht, dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Modell des Entwicklungsprozesses vorgestellt, indem neben methodischen Aspekten auch Gesichtspunkte der technisch-wirtschaftlichen Bewertung und der kaufmännischen Risikoabschätzung berücksichtigt werden. Übergeordnetes Ziel ist dabei, Chancen und Risiken neuer Technologien und neuer Produkte bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung explizit zu erfassen und einer Quantifizierung zugänglich zu machen, sowie die dabei gewonnenen Erkenntnisse im Management von Innovationsprozessen zu nutzen. Die Anwendung des Modells erfolgt an Praxisbeispielen aus der Kfz-Zulieferndustrie und der Halbleiterfertigungstechnik.
 
 
 
 
 
 

Die Entwicklung mechatronischer Systeme mit CAMEL

Dipl.-Ing. U. Meier-Noe

Universität-Gesamthochschule Paderborn

Warburgerstr. 100, 33098 Paderborn

Tel. (05251) 60 2417 www.mlap.uni-paderborn.de

Fax: (05251) 60 3550 [email protected]
 
 

Elektronische Regelung des Bewegungsverhaltens von Aktuatoren

für elektromechanische Ventilantriebe

Dr.-Ing F. v.d. Stay, Dipl.-Ing. C. Boie, Dipl.-Ing. L. Kather,

Dipl.-Ing. H. Kemper, FEV Motorentechnik Aachen

Neuenhofstr. 181, 52078 Aachen
 
 

Tel. (0241) 5689 668 www.fev.com

Fax: (0241) 5689 574 [email protected]
 
 

Stichworte:

Darstellung der Systemstruktur des elektromechaninischen Ventiltriebs - Analyse des Anforderungsprofils an das Bewegungsverhalten (Akustik, Thermodynamik, Mechanik) � Umsetzung eines Regelungsansatzes auf Basis von Simulation (SABER) und Rapid Prototyping (MATLAB/dSPACE)
 
 
 
 

Prozessketten in der digitalen Produktentwicklung � Gewusst wie ?

Dr.-Ing. P. Ebbesmeyer, Dr. Wirt.-Ing. F. Thielemann,

UNITY AG Padeborn

Riemekestr. 160, 33106 Paderborn

Tel. (05251) 69090 157 www.unity.de

Fax: (05251) 69090 199 [email protected]
 
 

Unter dem Begriff Digital Mock-Up (DMU) werden Technologien und Prozesse zur Erstellung digitaler Prototypen zusammengefaßt. Der Zweck eines digitalen Prototypen ist es, ein neues Produkt zunächst im Rechner zu simulieren bevor es hergestellt und erprobt wird. Auf diese Weise können Produkteigenschaften bereits in den frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses ermittelt werden. Das Produkt kann bereits am Rechner optimiert werden, wodurch sich die Zahl physikalischer Prototypen verringert. Letzlich dient das Digital Mock-Up somit der Verkürzung der Entwicklungszeit und der Senkung der Entwicklungskosten.
 
 

Für die effiziente Nutzung des Digital Mock-Up ist neben dem gezielten Einsatz der entsprechenden Softwarewerkzeuge die richtige Gestaltung der Produktentwicklungsprozesse von besonderer Bedeutung. Digital Mock-Up bildet die Grundlage für die Produktentwicklung, da es von der Gestaltung des Produktes bis zur Kommunikation und Entscheidungsfindung alle Prozesse der Produktentwicklung unterstützt. Somit wird die Qualität des Produktentwicklunsprozesses maßgeblich durch Digital Mock-Up beeinflußt.
 
 

Der vorliegende Beitrag erläutert wie Digital Mock-Up das Management der an der Produktenttwicklung beiteiligten Prozesse beeinflußt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Darstellung von Strategien zur methodischen Einführung von Digital Mock-Up.
 
 
 
 
 
 

Automatisierung von Entwicklungsprozessen bei der Realisierung

komplexer ECU-Anwendungen: Innovationshindernis oder Kostenvorteil

Dipl.-Ing. R. Hupfer, Dipl.-Ing.U. Finis, AFT Werdohl

Postfach 1107, 58771 Werdohl

Tel. (02392) 809 201 www.aft-wehrdohl.de

Fax: (02392) 809 100 [email protected]
 
 
 
 

Die Elektronik ist heute eine der Schlüsseltechnologien für das moderne Auto und wird die Zukunft der Automobilentwicklung prägen wie kaum eine andere Technologie. Der Anteil der Kosten Elektrik/Elektronik liegt inzwischen bei 15 bis 30 Prozent der Gesamtkosten eines Fahrzeuges mit stark zunehmender Tendenz. Die Expansion der Elektrik/Elektronik-Systeme und damit die Steigerung des Wertschöpfungsanteils in allen Anwendungsgebieten des Fahrzeuges sowie die rapide Zunahme der Funktionalität und Systemvernetzung wird damit zu einem wettbewerbsentscheidenden Faktor. Mit den steigenden Anforderungen an Qualität, Time-To-Market und Kosten stellt die Beherrschung der Systemkomplexität eine entscheidende Herausforderung dar. Diese Systemkomplexität stellt einen leistungsfähigen Entwicklungsprozeß in den Focus für zukünftige Elektronik-Systementwicklungen. Die Entwicklungsmethodik dient dabei der systematischen Beschreibung aller Entwicklungsschritte � von der Idee bis zur Umsetzung im Fahrzeug _ und bildet damit die Grundlage zur Definition der Sollprozesse. Aufgrund der stringenten Entwicklungszeiten müssen Entwicklungsaktivitäten hochgradig parallelisiert und automatisiert werden. Dies erfordert die Integration der Entwicklungsschritte im Sinne eines Concurrent Engineering und einer Verbesserung der Prozeßsicherheit. Entwicklungsschritte müssen aufeinander abgestimmt bzw. miteinander integriert werden. Werkzeuge, Schnittstellen und Standards müssen diese integrierten Entwicklungsprozesse massiv unterstützen. Die Prozeßoptimierung fokussiert die Einführung automatisierter, rechnergestützer Entwicklungsmethoden. Die exemplarische Darstellung eines Entwicklungsprozesses unter Einbeziehung der Simulation, automatischer Codegenerierung und entsprechender Einbindung entwicklungsbegleitender Case- sowie Meß- und Applikationstools erläutert den Nutzen dieser Methodik für innovative, zukunftweisende Systementwicklungen in der Kraftfahrzeugelektronik.
 
 
 
 
 
 

Simulation und Realität: Systemanalyse und

Realisierung zur Montage einer Kfz-Armaturentafel

Dipl.-Ing. B. Bruckert IGB Automation

Osemundstr. 20-22, 58809 Neuenrade

Tel. (02392) 96890

Fax: (02392) 968919 [email protected]

Prof. Dr.-Ing. P. Renvert, FH Iserlohn

Postfach 2061, 58590 Iserlohn

Tel. (02371) 566 145 www.mfh-iserlohn.de

Fax: (02371) 566 274 [email protected]
 
 

Das realisierte Projekt umfaßt die Analyse, Simulation und Realisierung einer flexiblen Roboteranlage zur Montage von Stabilisierungsträgern für Kraftfahrzeug-Armaturentafeln. Aufgrund der hohen Anforderungen entstand nach konstruktiver und steuerungstechnischer Vorarbeit eine Echtzeit-Simulation in der neben der angestrebten Taktzeit und Kollisionsbetrachtungen vor allem die Bereitstellung und Fixierung des zu erstellenden Stabilisierungsträgers im Vordergrund standen. Ergebnis war eine flexible und technologisch neuartige Fertigungsstrategie die in ihrer Ausführung höchste Ansprüche an das mechatronische System stellen. Bei der Ausführung des Automatisierungssystems liegt der Schwerpunkt in der Berücksichtigung von Maß- und Toleranzvorgaben der Automobilindustrie. Diese sind daher so bedeutend, weil man sich entschied die Verbindungstechnik der Stabilisierungsträger-Komponenten durch den neuen Produktionsablauf noch stärker zu automatisieren als ursprünglich geplant und das, obwohl das Fahrzeug zu diesem Zeitpunkt kurz vor der Vorserien-Produktion stand.
 
 
 
 
 
 

Automatische Lenksysteme in Landmaschinen

mittels Laser-Sensoren

Dipl.-Ing. H. Thiemann, CLAAS Harsewinkel

Tel. (05247) 12 2318 www.claas.com

Fax: (05247) 12 1714 [email protected]
 
 

Die Lösung landwirtschaftlicher Problemstellungen beeinhaltet naturgemäß ein hohes Maß an mechanischen Systemen. Ein Blick auf moderne, selbstfahrende Erntemaschinen wie Mähdrescher, Feldhäcksler oder auch multifunktionale Traktoren zeigt die immense Komplexität dieser Maschinen.

Die wohl komplexeste Erntemaschine, der Mähdrescher, verdeutlicht die Vielzahl an zu automatisierenden Funktionen: Regelung der Schnitthöhe, automatische Lenkung, Hangausgleich, Fahrgeschwindigkeit, Haspeldrehzahl, Dreschtrommeldrehzahl .... Wo anfänglich in erster Linie mechanische und elektrohydraulische Lösungen zur Verfügung standen, gewinnt auch hier seit mehr als 10 Jahren die Mikroelektronik mehr und mehr an Gewicht. Je näher die Automatisierung der Maschinenfunktionen durch rein elektrohydraulische Regelkreise an ihre Grenzen kommt, desto mehr muß die Optimierung der Ernteprozesse durch Einsatz "intelligenter Sensor- und Aktorsysteme" erreicht werden.

Der Begriff der "Intelligenz" in Bezug auf den Sensor bzw. die Elektronik steht für den Einzug der softwaremäßigen Datenverarbeitung in die Automatisierung der Landmaschinen. Diese Sensoren zeichnen sich durch eigenintelligente Funktionen aus. Die Lösung erntespezifischer Problemstellungen stellt demnach ein klassisch mechatronisches Anwendungsfeld dar. Eine Aufgabe wird durch das Zusammenspiel mechanischer Elemente (Erntemaschine, Hydraulik ...), [mikro]elektronischer Steuerungen und Prozessoren (Regelkreise, Ansteuerung von Hydraulikkomponenten, AD/DA-Wandler ...) und Informatik (Software, Softwareregler, Logik...) gelöst.

Eine typische Aufgabenstellung ist die automatische Lenkung von Erntemaschinen. Die Vielzahl von Steuer- und Kontrollaufgaben mit dem der Fahrer einer modernen Erntemaschine konfrontiert ist, zwingt ihn zu höchster Aufmerksamkeit. In Verbindung mit den langen Arbeitszeiten werden die Anforderungen an den Fahrer stetig erhöht. Automatische Lenksysteme könnten den Fahrer entlasten und somit auch die Produktivität der Maschinen steigern.

Neben einer allgemeinen Darstellung der Mechatronik im landwirtschaftlichen Kontext, am Beispiel eines CLAAS Mähdreschers, stellt mein Vortrag einen Lösungsansatz zur automatischen Lenkung bzw. Spurführung von Erntemaschinen mittels 2d-Lasertelemetrie vor. Ein mechanisches Autopilotsystem für z.B. Maisernte ist optional für CLAAS Maschinen schon lange im Praxiseinsatz. Dies stellt an weitere berührungslose Abtastsysteme (Lasertelemetrie) die Anforderung alle Schritte der Sensorstrecke (integrierter Sensor + Verarbeitungseinheit) im Sensor abzuarbeiten und nur ein Steuersignal für das Autopilotsystem zur Verfügung zu stellen. Eine zukünftige Lösung kann also nur ein intelligenter Sensor im Sinne mechatronischer Systeme sein.
 
 
 
 
 
 

Entwicklung einer Funktion zur Steigungs- und Beladungserkennung

Postfach 1107, 58771 Werdohl

Tel. (02392) 809 201 www.aft-wehrdohl.de

Fax: (02392) 809 100 [email protected]
 
 

Im Zuge der stetig wachsenden Möglichkeiten elektronischer Systeme im Fahrzeug wird es mehr und mehr möglich, Teilaufgaben des Fahrers durch intelligente Automatisierungen abzudecken. Der Fahrer kann damit von den Aufgaben entlastet werden, die ihn seinem eigentlichen Ziel, von A nach B zu kommen, nicht näherbringen. Das Automatgetriebe ist ein typisches Beispiel hierfür;es nimmt dem Fahrer die Aufgabe des Gangwechsels ab. Warum aber empfinden viele Fahrer die Funktion eines Automatgetriebes als nicht vollständig befriedigend, wenn sie durch die Übernahme des Gangwechsels doch eigentlich entlastet werden ? Eine der Antworten ist recht einfach: Der Fahrer würde andere Entscheidungen treffen, als die Steuerung des Automatgetriebes. Dies begründet sich unter anderem darin, daß das Gesamtsystem Antriebsstrang über wesentlich weniger sensorische Informationen als der Fahrer verfügt: Es "sieht" nur begrenzt die aktuelle Verkehrssituation, "fühlt" nur einige Aspekte der Fahrzeugbewegung, kann nicht "vorausschauen" oder gar erkennen, welche Stimmung der Fahrer im Moment hat. Im Idealfall aber verhält sich eine Automatisierung so, daß ihre Entscheidungen denen des manuell eingreifenden Fahrers soweit entsprechen, wie es weitere Kriterien (Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission, Verschleiß etc.) zulassen. Es gilt also, die sensorischen Fähigkeiten des Fahrzeuges weiter zu verbessern; möglichst ohne Kostensteigerung durch zusätzliche Sensorik. Wichtige Informationen für die Steuerung des Antriebsstranges sind z.B. die Fahrzeugmasse und die Steigung der Fahrstrecke, deren Erkennung dem Fahrer gefühlsmäßig recht leicht fällt. Ein Großteil der Basis-Informationen, aus denen der Fahrer sein Urteil ableitet, steht aber auch dem Antriebsstrangmanagement zur Verfügung: Z.B. Fahrpedalstellung, Geschwindigkeit und Beschleunigung sind Größen, die im Antriebsstrangmanagement üblicherweise vorliegen. Darüberhinaus sind einige Informationen der Steuerung wesentlich genauer als dem Fahrer bereits bekannt oder leicht "erlernbar", wie z.B. die Abhängigkeit der Antriebsleistung von Fahrpedalstellung, Motordrehzahl, Getriebeübersetzung etc. Der Prozeß wird dargestellt, mit dem eine Funktion für die Erkennung der Fahrzeugmasse und Fahrbahnsteigung entwickelt wird, ausgehend von einer Kombination aus Modellrechnungen und gemessenen Vorgängen, gefolgt von der modellhaften Beschreibung einer Funktion bis hin zur Umsetzung dieser Funktion in das Antriebsstrangmanagement. Es wird aufgezeigt, wie mit modernen Entwicklungsmethoden "intelligente" Software entwickelt werden kann, die ohne zusätzliche Hardware-Kosten hilft, Fahrzeuge noch "anwenderfreundlicher" zu gestalten.
 
 
 
 
 
 

Mechatronische Komponenten als intelligentes Subsystem

Dipl.-Ing. R. Wecke, Dipl.-Ing. H. Scharlibbe

Berstein AG Porta Westfalica

Tieloser Weg 6, 32457 Porta Westfalica

Tel. (0571) 793 0 www.bernstein-gmbh.de

Fax: (0571) 793 555 [email protected]
 
 

In der Vergangenheit bestimmen einzelne Komponenten wie mechanische Schalter, Sensoren, Taster, Schütze und viele andere die Ausrüstung in der Automatisierungstechnik. Zur Zeit übernehmen in wachsendem Umfang Subsysteme vernetzte Aufgaben. Beispielhaft sind hier Aktor-Sensor-Kombinationen, die am Beispiel von aktuellen Sicherheitsschaltgeräten beschrieben werden. Sensorisch werden hier Maschinenzustände erfasst und aktorisch z.B. erlektromagnetische Verriegelungen gesteuert und auf ihren Zustand überwacht. Zukünftig dringen Informationstechnologien in diese Produkte. Das bedeutet, daß zunehmend intelligente Subsysteme Signale vorort am Prozeß verarbeiten, daß zukünftig eine Fernparametrierung der Sensorik Realität wird und daß auch sicherheitsgerechte Informationen auf Feldbussen übertragen werden. Maßgeblicher Wegbereiter für solche Sensor-Aktor-Subsysteme ist oft eine mechatronische Lösung.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ist die Ausbildung zum Mechatronik-Ingenieur

in Deutschland Weltspitze ?

Prof. Dr.-Ing. R. Dudziak, FH Bochum

Lennershofstr. 140, 44801 Bochum

Tel. (0234) 700 7159 www.fh-bochum.de

Fax. (0234) 7094 276 [email protected]
 
 
 
 
 
 

TransMechatronik � Ein innovatives Kooperationsmodell

zwischen Hochschulen und KMU

Prof. Dr.-Ing. J.Benner, FH-Aachen

Goethestr. 1, 52064 Aachen

Tel. (0241) 6009 2429 www.fh-aachen.de

Fax: (0241) 6009 2681 [email protected]