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Über dieses Buch

Die Beiträge des Bandes Commercial Vehicle Technology 2020/2021 sind eine Sammlung von Publikationen für das 6. CVT Symposium der Commercial Vehicle Alliance Kaiserslautern. Wie in den Jahren zuvor, wurden zahlreiche Beiträge zu aktuellen Entwicklungen im Nutzfahrzeugbereich zu einer interessanten und informativen Sammlung zusammengestellt. Die Beiträge sind für Maschinenbauer, Elektrotechniker und Informatiker aus Industrie und Wissenschaft von Interesse und zeigen den aktuellen Stand der Technik auf diesem Gebiet. Die Inhalte der Publikationen umfassen die Themen automatisiertes und vernetztes Fahren und Arbeiten; Energie- und Ressourceneffizienz; Innovative Antriebe, Elektromobilität, alternative Kraftstoffe; Innovative Entwicklungen und Anwendungen; Nutzungsvariabilität, Lastdatenanalyse und Auslegungslasten; Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sowie Simulationsmethoden.
The proceedings of Commercial Vehicle Technology 2020/2021 are a collection of publications for the 6th CVT Symposium of the Commercial Vehicle Alliance Kaiserslautern. As in previous years numerous submissions focusing on current developments in the field of commercial vehicles have been composed into an interesting and informative collection. The contributions are of interest for mechanical engineers, electrical engineers and computer scientists working in industry and academia and show the current state-of-the-art in this field. The contents of the publications span the topics automated and connected driving and working; energy and resource efficiency; innovative drives, electromobility, alternative fuels; innovative development and applications; usage variability, load data analysis and design load targets; safety, reliability and durability as well as simulation methods.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Automated and Connected Driving and Working

Frontmatter

Automation of a Grid Connected Agricultural Swarm

The growing interest for electrification in agriculture has led to projects such as GridCON [4] where a fully automated, all electric, cable powered tractor has been developed to address the limitations in operating hours found in battery electric tractors [1]. The GridCON2 [8] project follows up with the scaling of the cable technology to higher power levels to supply several tractors from a single energy source. Whereas the development of such machines is the focus of the field swarm project (Feldschwarm©) [5], the development of the cable carrying vehicle and the operation strategy for this grid connected swarm are scope of GridCON2.The focus of this publication is the automation approach for this system where feasible field work plans are generated with respect to vehicle and swarm limitations. A hierarchical control structure executes and compensates for disturbances to keep to operation coordinated whilst being supervised by a remote operator. The developments in electrification and automation of the GridCON projects are part of the journey towards a resource-saving, low-emission agriculture where the locally generated energy from agricultural enterprises (biogas, photovoltaic, wind etc.) can be directly and locally consumed.

Felipe de Moraes Boos, Simon Pfaffmann, Nicolai Tarasinski, Volker Kegel

Requirements of Automated Vehicles and Depots for the Initial Step of Automated Public Transport

In recent years, the development of Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) has progressed rapidly. In order to make use of the advantages of self-driving busses, it is necessary to prepare the bus depots for automated vehicles. The aim of this paper is to investigate the associated optimization potential, to use it to raise the attention to the necessity of automated depots and to underline the profitability of a fully automated depot. In addition, automated driving on public roads is not feasible without restrictions, due to the legal framework in Europe. However, these regulations do not apply within cordoned off areas, as they are private property. Therefore terminals and depots offer already the possibility for test fields.Accordingly, and for initiating the preparation of depots, this paper first presents the state of the art of self-driving passenger cars, followed by automated busses. Subsequently the current operational tasks of a selected exemplary depot in Munich is recorded. For the creation of a concept for automated depots several requirements are presented. These include not only the technical requirements for the bus fleet and the Depot Operating System (DOS), but also demands on the infrastructure, the communication interface and the legal framework. Subsequently, a gap analysis is made by comparing the requirements and the state of the art.

Nathalie Brenner, Andreas Lauber, Christopher Meier, Wolfgang Reitmeier, Eric Sax

Digital Terrain Models Generation based on GNSS-Acquired Data

The rapid population growth, cost pressure and environmental requests have changed the way agriculture is done by pushing both the industry and the farmers to develop and invest in efficient and sustainable technologies, aimed at improving crop yields and reduce input costs.A special attention is required by the application of pesticides, whose usage affects not only the crops, but also the environment. When applying pesticides highest precision is required, non-targeted area must not be contaminated and regulations e.g. in regard to buffer zones, where spraying is prohibited, must be met. Since pesticide contamination can occur not only through direct application, but also through run-off or erosion, the German law stipulates the presence of buffer zones between targeted areas and adjacent waterbodies.The PAM3D project aims to integrate elevation information in the computation of buffer zones by using Digital Elevation Models (DEMs). Based on DEMs, the slope parameter can be derived and further introduced into the computation of buffer zones. The progress made in the GNSS field, where the repeatable accuracy can go up to ± 2 cm (RTK techniques), makes the documentation data from various field operations a viable source of 3D coordinates, from which highquality DEMs can be generated through kriging interpolation method.Furthermore, a cloud-based service with capabilities to process and store 3D information from GNSS receivers has been implemented, together with APIs necessary for enabling the communication between users and service.

Aurelia Maria Moanta, Oleg Rostanin, Tanja Riedel, Stephan Estel, Christoph Federle, Christian Bartolein

Achievable Performance Gains by Connected Driving

Over the years, automotive manufacturers have invested big efforts to reduce accidents and improve fuel efficiency, and at the same time to improve comfort and driving conditions. But the problem of traffic management on highways and in cities still persists, which results in increased fuel consumption, emissions and wastage of time. V2X communication technologies have been proposed as a means to further increase traffic safety and efficiency, wherein vehicles exchange information with other vehicles in their proximity and make collective decisions. This information exchange between vehicles enables them to not only make accurate and calculated split-second decisions, but also gives them the ability to remain connected over the network for commercial applications and real-time services. This paper aims to show the benefits of these network-connected vehicles in terms of improvements in traffic efficiency, emissions and time. These improvements are shown via two scenarios – shockwaves and connected traffic junction. Simulation of Urban Mobility (SUMO) along with a network model is used to model and reflect a more realistic traffic and network behavior. Key performance indicators such as traffic throughput, time-to-travel, emissions, etc. show a positive trend when compared to the conventional scenarios.

S. Partani, D. Wang, R. Sattiraju, A. Qiu, A. Weinand, H. D. Schotten

Extending Skills of Autonomous Off-Road Robots on the Example of Behavior-Based Edge Compaction in a Road Construction Scenario

Autonomous construction robots operate in challenging environments and fulfill versatile tasks within frequently changing surroundings. To increase quality and productivity, the functionality of autonomous agents has to be continuously extended to achieve robust navigation and task-related skills. Unfortunately, the complexity of autonomous systems increases strongly along with their increasing number of application areas, while the overall maintainability decreases. In the area of road construction, tandem rollers are vehicles with a high potential for automation. This paper proposes an extensible and scalable framework for autonomous off-road robots on the example of road compaction tasks. The solution fosters reuse of components, enables abstraction, and clear interface definitions. New skills are added to the software framework and their performance is demonstrated within a simulated road construction scenario.

Patrick Wolf, Axel Vierling, Jörg Husemann, Karsten Berns, Peter Decker

Model Predictive Control for Combine Harvesters using Geospatial Data

Controlling the engine load of combine harvesters is a difficult task due to quickly varying field conditions, numerous machine configurations and delayed sensing. The controller presented in this work pro-actively reacts to varying field conditions by using geospatial information derived before the crop is sensed inside the machine. For example, this information may consist of yield or crop height estimates. A model predictive control algorithm is chosen to incorporate varying biomass predictions and to determine a speed planning for the next sample steps. This speed planning is used to transform geospatial data into the time-domain such that it can be consumed by the control algorithm. The dynamic behavior and the power distribution of a combine harvester are modeled offline and adapted online to account for different machine configurations and non-linearities. The advantage of using anticipative knowledge is shown in simulation and field test data.

Tobias Peschke, Philipp Münch, Daniel Görges

Landwirtschaftliche Schwarmeinheit mit integriertem Energieverteilungssystem

Agricultural Swarm Unit with integrated Energy Distribution System

Mit dem Ziel die Landwirtschaft ressourcenschonender und emissionsarmer zu gestalten, was zusätzlich durch avisierte Gesetzesvorhaben flankiert wird, wird die Elektrifizierung der Landtechnik zukünftig in den Mittelpunkt der Forschungstätigkeiten rücken. Die Problematik der geringen Einsatzzeit batterieelektrischer Fahrzeuge bei einem für landwirtschaftliche Arbeitsmaschinen üblichen Leistungsbedarf wurde mit dem Projekt GridCON [2] adressiert. Der GridCON-Traktor ist ein vollautomatisierter Traktor, der über ein Kabel mit einer Energiequelle am Feldrand verbunden ist und somit eine unlimitierte Betriebsdauer erlaubt.Im öffentlich geförderten Projekt Feldschwarm© [6] wird die in Richtung höherer Leistung skalierte Kabeltechnologie des GridCON-Projektes aufgegriffen. Die hierdurch bereitgestellte Energie, die weit über den Bedarf eines einzelnen Traktors hinausgeht, kann somit gleichzeitig mehrere leichte, kompakte und leistungsdichte Fahrzeuge versorgen. Die Entwicklung dieser leistungsdichten „Schwarmeinheiten“ ist Inhalt dieser Veröffentlichung.Die Schwarmeinheit zeichnet sich durch einen vollelektrischen, einachsigen und ballastierbaren Triebkopf aus. Dieser ist über eine neuartige Schnittstelle mit einem gezogen Anbaugerät mit Zusatzachse gekoppelt. Aufgrund der externen Energiezuführung und der Verwendung eines vollelektrischen Antriebskonzeptes können zugleich das Gewicht des Triebkopfes minimiert, die Anzahl verbauter Komponenten verringert und die installierte Leistung durch kompakte elektrische Hochleistungsmaschinen erhöht werden.Die Energieverteilung erfordert ein zwischen den Fahrzeugen gespanntes Stahlseil, das ein Kabel trägt. Zur Kompensation von sich ändernden Relativabständen der Fahrzeuge ist das System mit einer Seiltrommel zur Regelung der Seilkraft ausgerüstet, welche durch einen hochdynamischen Servomotor angetrieben wird. Die hier gezeigte Technologie stellt eine Alternative zu konventionellen Arbeitsmaschinen dar und erlaubt Elektrifizierung und Automatisierung in der Landtechnik unabhängig von der Batterietechnologie. Gleichzeitig besteht weiter Forschungsbedarf, um realistische Einsatzszenarien in der Landtechnik mit all ihren Facetten darstellen zu können.

Simon Pfaffmann, Felipe de Moraes Boos, Nicolai Tarasinski, Volker Kegel

Modeling of Operational Aspects for the Autonomous Vehicle Development

The development of systems with highly automated or autonomous functions leads to high demands on the consideration of dependencies to external actors. In particular, the utilization phase of the systems must be considered closely, since the dynamic, operative context manifests itself only within utilization. Additionally, when considering involved sensors and actors for the utilization of functions of Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) for commercial vehicles, a precise and clear communication between different stakeholders in vehicle development is essential. In Model-Based Systems Engineering (MBSE), this can be achieved by modeling so-called operational aspects. Operational aspects are model elements and their relationships to each other, which are represented in suitable views. In this contribution, modeling of operational aspects will be demonstrated exemplary on a case study related to the development of an Evasive Maneuver Assistant (EMA) for vehicles. Currently, modeling operational aspects is not common in the civil sector and therefore not always considered in the development phase of commercial vehicles.

Oliver Bleisinger, Christo Apostolov, Sven Forte, Mario Schmitt, Chandrasekar Ramasamy

Energy and Resource Efficiency

Frontmatter

A driver-in-the-loop co-simulation framework for testing predictive EDAS for commercial vehicles in urban environments

To experience realistic driving scenarios in the virtual simulation environment, strengths of both the traffic simulation and the vehicle simulation tools must be combined. In this paper, a driver-in-the-loop co-simulation framework for testing predictive eco-driving assistance systems (EDAS) for commercial vehicles in urban environments is proposed. The co-simulation is performed by exchanging information between IPG TruckMaker, a vehicle simulation software tailored for commercial vehicles, and SUMO, an open-source software for microscopic traffic simulation. To avoid delays during the data exchange process, time-steps of both the tools are synchronized. The co-simulation environment replicates a bus route in the city of Kaiserslautern along with the corresponding bus stops, traffic lights, road speed limits, pedestrian crossings and road elevation. The stochastic traffic and pedestrian flow in the road network is generated using SUMO. In this work, the co-simulation framework is extended by introducing the driver into the simulation loop. This is achieved by coupling the vehicle simulation tool with a driving simulator, in which the driver controls the ego-vehicle. The proposed framework will serve to test various use-cases of predictive eco-driving assistant systems (EDAS).

Sai Krishna Chada, Daniel Gőrges, Achim Ebert, Roman Teutsch

A Brush Tyre Model with Standstill Handler for Energy Efficiency Studies

Energy efficiency simulations are crucial during development and sales phases, since they can be used to tune vehicle specifications and functions towards the use cases. During a transport mission, heavy-duty vehicles come across very common situations like idling and standstill which are often disregarded in many approaches. At the same time, slip losses are difficult to estimate due to intrinsic difficulties in tyre modelling. In this paper, we present a vehicle model switching among different discrete states. The switching logic is regulated by a state machine and allows to cope with standstill without neglecting frictional losses. The whole model is simulated within a complex environment able to reflect the impact from external surroundings over vehicle performance. Results from simulations show that slip losses can represent a conspicuous amount of the total, and should be properly taken into account when dealing with energy efficiency studies.

Luigi Romano, Fredrik Bruzelius, Bengt Jacobson

Energieeffiziente Auflösungs- und Bildungsmanöver bei Platoons aus schweren Nutzfahrzeugen

Lkw-Platooning stellt eine vielversprechende Technologie zur Steigerung der Energieeffizienz innerhalb des Transportsektors dar. Durch das Fahren bei geringen Fahrzeugabständen bietet Platooning aufgrund eines reduzierten Luftwiderstands aller Fahrzeuge die Möglichkeit zur Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduktion. Um einen hohen Verkehrsfluss gewährleisten zu können, ist es beispielsweise an Autobahnanschlussstellen notwendig, Platoons während der Fahrt aufzulösen und erneut zu bilden. Dies führt aufgrund zusätzlich auftretender Beschleunigungen zu einem im Vergleich zu einer regulären Platoonfahrt erhöhten Energieverbrauch und macht so die erzielte Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduktion wieder zunichte. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der energieeffizienten Gestaltung von Auflösungs- und Bildungsmanövern beim Lkw-Platooning. Zunächst werden Platoonbildungen und -auflösungen, bei denen der gewünschte Abstand zwischen den Fahrzeugen mithilfe eines PDReglers eingestellt wird, für Lkw-Platoons aus Fahrzeugen unterschiedlicher Masse und Motorleistung hinsichtlich ihrer Energieeffizienz untersucht und energetisch optimale Fahrzeuganordnungen abgeleitet. Zudem wird ein alle Fahrzeuge des Platoons sowie den vorausliegenden Steigungsverlauf berücksichtigender Regler für Auflösungs- und Bildungsmanöver entwickelt und virtuell nachgewiesen, dass die Energieeffizienz mit diesem prädiktiven Regelverfahren im Vergleich zu einem herkömmlichen PD-Regler deutlich gesteigert warden kann. Dabei kommen unterschiedliche Fahrzeugmodelle zum Einsatz.

Alexander Buß, Christian Haupt, Ludger Frerichs

Leistungsflussanalyse im Hydrauliksystem eines Mobilkrans

Die Bereitstellung der Leistung für Arbeitsfunktionen eines Mobilkrans erfolgt durch hydraulische Leistungsübertragung. Der gesamte Leistungsbedarf hängt einerseits vom Leistungsbedarf der Verbraucher und andererseits von den im System auftretenden Verlusten ab. Die entstehenden Verluste führen hierbei im hydraulischen System zu einer Verschlechterung der Leistungsbilanz und bedürfen entsprechender Analysen. Zur Untersuchung der Leistungsflüsse wird ein generisches und modular aufgebautes Simulationsmodell erstellt, mit Hilfe dessen unterschiedliche Systeme abbildbar sind. Für das Modell wird der Nachweis über Methodik und Funktion der Modellgenerierung erbracht und anhand eines ausgewählten Beispiels veranschaulicht. Im Anschluss erfolgt die Untersuchung des Leistungsflusses in einem beispielhaften Mobilkrantyp unter Verwendung eines exemplarischen Lastzyklus. Infolgedessen werden Verbesserungsmaßnahmen hinsichtlich der Verluste identifiziert. Die sich beim erneuten Simulationsdurchlauf einstellenden Leistungseinsparungen werden abschließend diskutiert.

Jan Schüßler, Roman Teutsch

Innovative Drives, Electromobility, Alternative Fuels

Frontmatter

Systemvergleich CO2-freier Nutzfahrzeugantriebe

Wasserstoff gewinnt in der derzeitigen Diskussion um neue Energieträger für den Nutzfahrzeugbereich an Bedeutung. Meist wird hierbei die Nutzung einer Brennstoffzelle impliziert, wobei auch die Möglichkeit der Nutzung eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors besteht. Eine CO2-Emissionsreduzierung ist mit beiden Antriebskonzepten möglich. Im vorliegenden Beitrag werden verschiedene Alternativen zum konventionellen, mit fossilen Kraftstoffen betriebenen Verbrennungsmotor verglichen: BEV, PEM-BZ und HICE. Der Vergleich erfolgt anhand einer Datenauswertung in Form einer Wellto- Wheel-Analyse im Hinblick auf die effektiven CO2-Emissionen. Der Vergleich zeigt, dass für eine wirksame CO2-Minderung in jedem Fall die Nutzung regenerativer Energieträger als Primärenergiequelle erforderlich ist. Des Weiteren wird deutlich, dass Wasserstoff-basierte Konzepte hinsichtlich der ganzheitlichen CO2-Bilanz gegenüber dem BEV bei Verwendung rein regenerativer Primärenergieträger für die Fahrenergie eine Konkurrenzfähigkeit aufweisen. Weitere bewertete Kriterien sind die vom Antriebskonzept abhängige Zuladung des Nutzfahrzeuges (hier: schwere Nutzfahrzeuge, SNF) sowie die Kosten der verglichenen Fahrzeuge über den gesamten Lebenszyklus (TCOAnalyse). Anhand der erforderlichen Reduktion der Zuladung wird deutlich, dass ein BEV aus heutiger Sicht keine Alternative für Langstreckenanwendungen sein kann. Bei der TCO-Analyse ist ersichtlich, dass die Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzelle nachteilig im Vergleich zum H2-Verbrennungsmotor ist. Zusätzlich dazu wird auf aktuelle Herausforderungen in der Entwicklung nutzfahrzeugtauglicher Brennstoffzellen und Wasserstoff-Verbrennungsmotoren eingegangen und abschließend ein Konzept für einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor für den Einsatz im Nutzfahrzeug vorgestellt.

Kevin Klepatz, Swantje Konradt, Robin Tempelhagen, Hermann Rottengruber

evTrailer - Autarkes elektrisches Antriebssystem für LKW Trailer

Der Nutzfahrzeugverkehr trägt heute einen großen Teil zum Verbrauch fossiler Energieträger und der Erzeugung von CO2-Emissionen bei. Im Rahmen des Projekts ev(=electric vehicle)Trailer ist ein innovatives Antriebssystem für insbesondere Nutzfahrzeug-Anhänger entwickelt worden. Die Besonderheit ist der völlig autarke elektrische Antrieb des Trailers, der damit die Verwendung mit beliebigen Zugmaschinen ermöglicht. Die Unterstützung der Zugmaschine durch den Trailer-eigenen Antrieb mit integrierter Bremsenergienutzung (Rekuperation) birgt enorme Potenziale. An erster Stelle steht die Verbrauchsund CO2-Minderung. Bedingt durch den elektrischen Einzelradantrieb besteht zusätzlich die Möglichkeit, unterschiedlich große Antriebs- oder Bremsmomente an den Rädern aufzubringen und damit die Fahrstabilität des Gespannes bzw. Zuges zu beeinflussen (Torque-Vectoring). Des Weiteren bietet ein evTrailer die Möglichkeit, ohne Zugmaschine bewegt zu werden, indem bei Rangiermanövern die eigenen elektrischen Antriebe genutzt werden (autarkes Fahren) und dabei auch Kurvenfahrten realisiert werden können.

Michael Wißbach, Mikula Thiem, Saskia Biehl, Borwin Rothauge

Conversion of a Diesel engine into a natural gas engine: An environment friendly alternative for commercial vehicles?

The reduction of CO2-emissions is one of the biggest challenges in future and a requirement for future propulsion systems for passenger cars and for commercial vehicles. There are a lot of concepts available, which can help to reduce the CO2-emissions. One possibility is to use alternative fuels like compressed natural gas or liquefied natural gas. CNG or LNG has the big advantage of a reduced CO2 emission. There is also the possibility to generate the natural gas by usage of renewable energies. This could be done with e.g. crops, powerto-gas, landfill-gas. Isuzu Motors Germany converted in the last years an existing Diesel engine to a CNG engine, which is able to cover the power and torque requirements of an already in-use Diesel-engine. The following article shows the steps of the conversion of a Diesel driven engine into a CNG driven engine. The article contains first results of the investigation of the CNG engine and also a comparison between the Diesel engine and the CNG engine.

Christoph Hörhammer, Michael Kochs, Herbert Schneider

Engine performance and emission analysis of a NRMM CI engine with common rail injection system operated with diesel fuel and rapeseed oil fuel

The use of alternative fuels in high-power non-road mobile machinery (NRMM) combustion engines is a possible way to substitute fossil fuel. By using pure vegetable oil fuels, like rapeseed oil fuel (DIN 51605), the greenhouse gases can be reduced effectively. Due to the differences in physical and chemical properties, a modification of the engine control unit calibration is necessary to adapt the working process on the fuel. Without modifications, the engine power output with rapeseed oil fuel is lower than with diesel fuel because of the smaller energy content. By adapting the engine settings, like the injection fuel mass, the power loss can be compensated but it accompanies with a higher fuel consumption. The engine emissions at part load conditions show, that there are benefits in particle emissions by using rapeseed oil at similar NOx emissions. Therefore, a design of experiment setup was initiated on a selected engine operation point to determine the effects of further parameters, like rail pressure, manifold pressure and injection pattern, on the process and to see the potential of an optimized calibration.

Robert Altmann, Jürgen Gebhard, Adrian Troeger, Markus Winkler, Georg Töpfer, Edgar Remmele, Matthias Gaderer, Hans-Peter Rabl

Innovative Development and Applications

Frontmatter

Entwicklung eines HV-Energiespeichers für elektrifizierte Nfz-Sattelauflieger-Fahrzeuge

Das Europäische Parlament und die Europäische Kommission haben in 2019 verbindliche Ziele für die CO2-Minderung von Nutzfahrzeugen beschlossen. Der Europäische Automobilherstellerverband ACEA bezeichnete die Reduktionsziele als „hochgradig anspruchsvoll“. Eine deutliche Emissionsreduktion schwerer Sattelzüge lässt sich mit elektrisch angetriebenen Sattelaufliegerfahrzeugen erzielen. Neben der Bremsenergierückgewinnung ist damit auch eine Traktionsunterstützung sowie Lastpunktverschiebung der Sattelzugmaschine möglich. Die Entwicklung und Integration der elektrischen Traktionskomponenten – speziell der Antriebe sowie des Hochvolt-Energiespeichers – bedeutet einen großen FuE-Aufwand, der durch die Hersteller von Sattelaufliegerfahrzeugen nicht allein bewältigt werden kann. Deshalb ist in einem durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) geförderten Verbundforschungsvorhaben ein autarkes elektrisches Antriebskooperationssystem für LKW-Trailer und Fahrzeuganhänger entwickelt, aufgebaut und erprobt worden. Das Fraunhofer LBF war in diesem Projekt für den Hochvolt-Energiespeicher verantwortlich und entwickelte – basierend auf NMCZellen des Formfaktors 18650 – das gesamte Speichersystem mit einer Kapazität von 100 kWh.

Rüdiger Heim, Artur Schönemann, Saskia Nina Biehl, Philine Stark, Melina Hadjebi

Bio-basierte und nachwachsende Rohstoffe eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten für gewichtsoptimierte duroplastische Werkstoffe im KFZ- und NFZ-Bereich

Faserverbundwerkstoffe sind seit Jahrzehnten in der Nutzfahrzeugindustrie etabliert. Sie werden meist in semi-strukturellen Großbauteilen wie zum Beispiel Kunststoffdächern bei Traktoren bzw. Frontklappen, Windabweisern und Seitenverkleidungen bei Lastkraftwagen eingesetzt. Bei großen Stückzahlen werden diese Bauteile meist aus dem duroplastischen Werkstoff Sheet Molding Compound (SMC) gefertigt. SMC besitzt im Bereich der glasfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunde einen hohen Stellenwert, da ca. 20 % aller in Europa verarbeiteten Glasfasern in diesem Verfahren verarbeitet werden. Die Verarbeitung erfolgt im parallelgeregelten Fließpressprozess. Ein Standard-SMC besteht in der Regel aus einem ungesättigten Polyesterharz, Glasfasern als Verstärkungsfasern, mineralischen Füllstoffen sowie anwendungsspezifischen Additiven. Bedingt durch den hohen mineralischen Füllstoffgehalt von 40 Gew.-% und einen Verstärkungsfasergehalt von bis zu 30 Gew.-% zeigen typische SMC-Halbzeuge eine spezifische Steifigkeit von ca. 6 GPa/(g/cm3). Aufgrund des zunehmend größer werdenden Zwangs zur Reduktion der CO2-Emissionen, wird auch im Bereich der Nutzfahrzeugindustrie nach alternativen und prozesssicher umsetzbaren Leichtbauwerkstoffen gesucht. Im vorliegenden Beitrag wird die Entwicklung eines neuartigen teilweise bio-basierten SMCHalbzeuges beschrieben, welches eine gleiche Verarbeitbarkeit, gleiche Anwendungsmöglichkeiten und Kosten wie ein konventionelles SMC-Halbzeug besitzt, jedoch eine um 25 % gesteigerte spezifische Steifigkeit aufweist. Durch diese Entwicklung ist es möglich das Gewicht ausgewählter Bauteile deutlich zu reduzieren bzw. neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen.

Florian Gortner, Peter Mitschang, Peter Ooms, Christian Friedrich

Active Noise Control in Commercial Vehicles

While several automotive manufactures are offering active noise control systems for their cabins, there are no commercial ANC solutions available for heavy machinery yet. In this paper we will investigate in how far the approaches of available commercial ANC systems are transferable to heavy machinery with a focus on agricultural machinery and which work is necessary to complete such a technology transfer. We will also discuss the relevancy of recent developments in the field of active noise control for the applicability on heavy machinery.

Tycho Groche, Jörg Seewig

Entwicklung und Implementierung von Infrarotheizungen für Fahrzeugkabinen und deren messtechnische Beurteilung bezüglich thermischer Behaglichkeit

Infrarotheizungen zur Fahrzeugkabinenbeheizung beginnen sich gerade insbesondere für E-Fahrzeuge zu etablieren. Eine wichtige Fragestellung dabei ist, welchen Einfluss das auf die Effizienz und die thermische Behaglichkeit hat. Die auf möglichst hohe Effizienz und thermische Behaglichkeit zielende Entwicklung und Implementierung von Infrarotheizungen in Fahrzeugkabinen wird vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit IRHeizungen insbesondere bei Kurzstreckenfahrten im Winter erhebliche Komfortgewinne erzielen lassen. Auch eine höhere Energieeffizienz konnte im Ansatz gezeigt werden.

Peter Kosack, Roshan Francis Konikkara, Roman Teutsch, Sabine Hoffmann

Usage Variability, Load Data Analysis and Design Load Targets

Frontmatter

Methode zur Analyse von Kundenkollektivmessungen mittels Einzelfahrtsegmentierung und Clusteralgorithmen

Zur kundengerechten Auslegung und Erprobung von Fahrzeugkonzepten mit alternativen Antriebstechnologien ist eine Kenntnis der repräsentativen Kundennutzung von hoher Bedeutung. Nur mit diesen Informationen lassen sich Fahrzeuge für neue Mobilitätskonzepte, wie beispielsweise MaaS/Taas Anwendungen, anforderungsgerecht auslegen. Dafür wurden bei unterschiedlichsten Kunden von leichten Nutzfahrzeugen mittels Datenlogger mehr als 5 Mio. Kilometer Kundenkollektivmessungen aufgezeichnet. Ausgehend von diesen Daten wird unter Berücksichtigung des Standes der Wissenschaft ein Verfahren entwickelt, welches die Kundenkollektivmessungen in abgeschlossene Einzelfahrten und dazwischenliegende Pausen trennt. Eine Kombination aus Hauptkomponentenanalyse, der t-SNE-Methode und dem K-Means Cluster-Algorithmus ergibt eine Unterteilung der Einzelfahrten in mehrere Cluster. Das Ergebnis der Clusteranalyse zeigt eine Ähnlichkeit von Einzelfahrten unabhängig der jeweiligen Kundengruppe. Auf Grundlage der geclusterten und parametrisierten Einzelfahrten sowie Pausen können in einem folgenden Schritt repräsentative Fahrzyklen für unterschiedliche Einsatzszenarien erstellt und einer Simulation zur kundengerechten Konzeptionierung alternativer Antriebe zugeführt werden.

Niklas Heidenreich, Arkadiusz Opalinski, G. Poll

Anwendung von Clusteringverfahren für die Extraktion und Reduktion von Testfällen aus aufgezeichneten Fahrszenarien

Die zentrale Herausforderung beim Nachweis der funktionalen Sicherheit automatisierter Fahrsysteme ist die Sicherstellung der notwendigen Testabdeckung. In diesem Zusammenhang wird die Anwendung von Simulationsmethoden immer wichtiger, um die Problematik des rein physikalischen Tests zu überwinden, der wirtschaftlich kaum machbar ist. Mit Hilfe virtueller Testfahrten ist es möglich, die geforderten Szenarien unter verschiedensten Bedingungen zu testen. Bisher mussten die einzelnen Fahrmanöver umfangreich und manuell in der Simulationsumgebung definiert werden. Es ist daher wünschenswert, Fahrszenarien aus aufgezeichneten Fahrsequenzen der Umfeldsensoren von Fahrzeugflotten zu extrahieren und für Simulationsumgebungen aufzubereiten, so dass sie automatisch für den Einsatz als Testfälle zur Verfügung stehen.Zur Kategorisierung der letztlich in den Daten enthaltenen Szenarien sind Methoden des maschinellen Lernens vielversprechend, die eine Segmentierung (Clustering) verschiedener Fahrmanöver durchführen können. Dies ermöglicht es, ähnliche Szenarien in den Daten zu identifizieren und so die aufgezeichnete Datenmenge auf relevante Szenarien zu reduzieren. Außerdem kann damit eine sinnvolle Darstellung der in den Daten enthaltenen Fahrmanöver gefunden werden. Schließlich können die Szenarien katalogisiert und priorisiert werden und stehen den bereits bekannten Simulationsmethoden (X-in-the-Loop) für die Durchführung der Tests im konventionellen Entwicklungsprozess zur Verfügung.

Raphael Pfeffer, Felix Pistorius, Eric Sax

Statistical evaluation of geo-referenced indicators for the design of electric drives

For the efficient, emission-free and low-noise transport of goods and commodities in urban areas, BPW has developed the electric drive "eTransport" for 7.5t light duty trucks. In order to be able to take the specific customer requirements in different application regions into account and to derive load profiles, measurement runs are carried out in the field. If you want to map the loads that actually occur in practice on the entire vehicle or individual vehicle components through measurement campaigns, a good knowledge of the expected loads on the vehicle is very important. Furthermore, it is of particular interest to vehicle manufacturers, such as BPW, to find a reference route near their development centers, on which design changes can be verified quickly and economically under real road conditions.Existing road networks are digitally recorded more and more precisely and in high resolution detail. This constantly increasing data basis allows it to describe the real conditions of roads even more precisely using statistical indicators [15]. The aim of this paper is to present the methods and results of a collaboration between BPW and Fraunhofer ITWM in this area.This paper addresses which German cities are as average or extraordinary as possible with regard to certain characteristics of their roads. The more unusual a city is, the more likely it is that statistical marginal effects can be collected there in a measurement run. Such a city is a suitable candidate for a measurement campaign to be carried out in real life - for example with regard to chassis loads. In other applications, such as consumption, a more average city may of interest.

André Brand, Jochen Fiedler, Thomas Halfmann, Thorsten Weyh

Planning and conducting a measurement campaign and derivation of customer-specific load distributions for light duty trucks in China

In a close collaboration between Borgward Group GmbH, Beiqi Foton Motor Co., LTD. and Fraunhofer ITWM, new design loads for light duty trucks in the People's Republic of China have been created based on a dedicated measurement campaign. This article describes the process of planning and conducting the campaign as well as the evaluation of the data including the derivation of load distributions for various groups of users and the mapping to the proving ground. A usage model for the truck has been generated using Monte-Carlo-simulations on the digital road map data. To calibrate that model, real track data from approximately 100 trucks has been analyzed. Geo-referenced load data analysis and statistical reasoning have been used to prepare the collected data for the derivation of load distributions for various usage scenarios in the target market “China” such as short distance cold chain transport, regional agricultural goods transport and others. Finally, proving ground schedules have been optimized to best meet the design loads taken as high quantiles from the load distributions. In addition, a model for the derivation of consumption cycles based on the measured data has been created and applied to generate new truck-specific cycles representing the expected average consumption during field usage.

Markus Volmer, Liu Jicheng, Chen Shidong, He Siquan, Wang Lianlei, Michael Speckert, Christine Biedinger, Thorsten Weyh

Safety, Reliability and Durability

Frontmatter

Condition Monitoring for Agricultural Vehicles using Magnetoresistive Sensors

Globalization, digitalization and increasing price pressure are only some of the impact factors influencing the competition in the capital goods industry. There is a trend for vehicle and machine manufacturers to differentiate by creating individual bundles, consisting of technical products and lifecycle-oriented services, called Product-Service Systems (PSS). There is an increasing demand for availability-oriented PSS, in which the vehicle or machine builder guarantees the availability of the technical product and takes over a part of the customer’s manufacturing risk. PSS are offered by means of different business models, depending on the product and the end market. Whichever business model is adopted, smart sensors are a key enabling technology for future availability-oriented PSS.Within the German state-funded R&D project “InnoServPro”, Sensitec GmbH and the Technical University of Kaiserslautern worked with a number of partners between 2015 and 2019 to develop innovative service products for individualized, availability-oriented business models applicable to agricultural vehicles.

Rolf Slatter, Paaranan Sivasothy, Jörg Seewig

Exploiting Adaptation Behavior of an Autonomous Vehicle to Achieve Fail-Safe Reconfiguration

Autonomous Vehicles (AV) operate in a safety-critical dynamic environment. Frequently occurring environmental uncertainties and random component failures might result into hazardous events, sometimes even into an accident, if left undetected. Moreover, in the event of random errors, highly integrated automotive systems might suffer from the butterfly effect, where a small failure in a component can lead to an unexpected unsafe behavior within the entire system. While an AV operates in a dynamic environment, traditional safety assurance mechanisms like Fault Tree Analysis (FTA), Failure Mode Effect and Criticality Analysis (FMECA), etc. are plays a vital role, but not sufficient enough to ensure safety (at runtime) as they are based on static worst-case assumptions. One possible way to overcome this is through runtime monitoring, where the AV and its behavior can be monitored during operation. In case of an unplanned behavior or safety-critical deviation appear, the monitor can manage the system to assume a safe state via reconfiguration process. We present our work where we exploit the adaptation behavior of AV, to ensure its safe operation at runtime. At this end, we investigate the adaptation behavior of an Adaptive Cruise Control (ACC) of an AV, followed by implementing different possible adaptation techniques.

Anil Ranjitbhai Patel, Nikita Bhardwaj Haupt, Peter Liggesmeyer

Simulation Methods

Frontmatter

Digital validation of cable performance for vehicles in operation

Physically correct simulation of flexible components is a nontrivial, but very important task, especially for cables and hoses in vehicles. Often, early designs do not represent the real deformation of cables and hoses. This can lead to serious problems in later phases of the product development.In this work we present a new software module, added to an existing cable simulation software. It focusses on digital validation of cables and hoses for vehicles in operation. Typically, high frequency excitation from engine vibration or loads from road profile are applied to the cable mountings, such that inertia and damping are indispensable. The module enables comfortable and fast simulation in very early design phases, including the dynamic effects mentioned above. Excitation signals can be generated easily, e.g. periodic signals with specified frequencies or stochastic signals from PSD data. Moreover, the simulation is very efficient and is realtime capable for many applications. Finally, post-processing tools help to analyse the simulation results. For instance, it is easy to detect undesired contact of components with their environment.

Fabio Schneider, Joachim Linn, Fredrik Andersson

DFKI Cabin Simulator: A Test Platform for Visual In-Cabin Monitoring Functions

We present a test platform for visual in-cabin scene analysis and occupant monitoring functions. The test platform is based on a driving simulator developed at the DFKI, consisting of a realistic in-cabin mock-up and a wide-angle projection system for a realistic driving experience. The platform has been equipped with a wide-angle 2D/3D camera system monitoring the entire interior of the vehicle mock-up of the simulator. It is also supplemented with a ground truth reference sensor system that allows to track and record the occupant’s body movements synchronously with the 2D and 3D video streams of the camera. Thus, the resulting test platform will serve as a basis to validate numerous incabin monitoring functions, which are important for the realization of novel human-vehicle interfaces, advanced driver assistant systems, and automated driving. Among the considered functions are occupant presence detection, size and 3D-pose estimation, and driver intention recognition. In addition, our platform will be the basis for the creation of large-scale in-cabin benchmark datasets.

Hartmut Feld, Bruno Mirbach, Jigyasa Katrolia, Mohamed Selim, Oliver Wasenmüller, Didier Stricker

Kundenorientierte Absicherung mit Hilfe methodischer Testfallerstellung aus Felddaten

Fahrerassistenzsysteme, sowie autonomes Fahren leisten einen wesentlichen Beitrag, um Nutzfahrzeuge immer sicherer zu machen. Mit derWeiterentwicklung des automatisierten Fahrens steigt hierbei die Systemkomplexität, woraus sich Anforderungen an neue, gesamtheitliche Erprobungskonzepte entstehen. Um die Absicherung hochautomatisierter Fahrfunktionen zu ergeben, sind neuartige Verifikations- und Validierungsmethoden erforderlich. Ziel der kundenorientierten Absicherung ist es, durch die Aggregation von Testergebnissen aus wissens- und datengetriebenen Testplattformen den Übergang von der quantitativen Kilometerzahl zur qualitativen Abdeckung zu ermöglichen. Die adaptive Testabdeckung zielt somit auf einen Kompromiss zwischen Effizienz- und Effektivit ätskriterien für die Absicherung von automatisierten Fahrfunktionen in der Produktentstehung von Nutzfahrzeugen ab. In diesem Prozess wird ein Messtechnik- und Datenanalysekonzept für die weltweite Absicherung von automatisierten Fahrfunktionen vorgestellt, welches eine Skalierbarkeit zur Aufzeichnung von Fahrzeugsensor- und/oder Umfeldsensordaten von spezifischen Fahrereignissen einerseits und Permanentdaten zur statistischen Absicherung und Softwareentwicklung andererseits, erlaubt. Messdaten aus länderspezifischen Feldversuchen werden aufgezeichnet und zentral in einer Datenbank gespeichert. Anschließend wird das Wissen aus dieser Datenbank mittels einer ereignisgesteuerten Zeitreihenanalyse mit hierarchischer Clusterbildung und normalisierter Kreuzkorrelation extrahiert. Die extrahierten Cluster und ihr Parameterraum definieren die Eintrittswahrscheinlichkeit jedes logischen Szenarios und die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der zugehörigen Parameter. Dann identifiziert die Sensitivitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse den Versagensbereich im Parameterraum, um die Versagenswahrscheinlichkeit für jedes logische Szenario mit Hilfe von Stichprobenmethoden wie Monte-Carlo und Adaptive-Importance-Sampling vorherzusagen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse die Vorteile und einige der Herausforderungen des industrieorientierten Frameworks für eine messbare Sicherheit durch prospektive Risikobewertung.

Adam Birlet, Mohamed Elgharbawy, Andreas Schwarzhaupt, Urs Wiesel, Christof Weber, Michael Frey

Simulated Environment for Developing Crane Safety Assistance Technology

Safety assistance is important in the construction industry specifically for crane operation due to the high fatality rate of the crane. Semantic visibility assistance as a crucial part of the safety system is highly dependent on the image database. In this paper, we demonstrate how to develop the simulation platform to generate the data that is needed for worker detection from the load-view crane camera.

Tanittha Sutjaritvoraku, Axel Vierling, Karsten Berns

Development of a condition monitoring approach as a product-service system for agricultural machinery

Customers are demanding a guaranteed availability of machine components in capital goods industry. However, manufacturers are not willing to guarantee the demanded availability due to increasing costs based on high risks and uncertainties resulting from missing operational data, insufficient transparency of the machine condition as well as missing information of the customer behaviour. In this paper, a strategy to enable the development of availabilityoriented Product-Service Systems (PSS) is presented. This strategy is based on condition monitoring and lifetime model development for service-relevant components. Therefore, a use case focusing on the agricultural industry is regarded. The key tasks of this strategy are to identify service-relevant parts and to determine failure mechanisms of these parts. Based on this, a wear model and a service life model of the conveyor belt of a potato harvester are developed. In order to implement the predictive maintenance approach, intelligent components will be developed. This paper presents the steps necessary to develop intelligent, servicerelevant components for industry 4.0 applications. The requirements of customers, operators, machine manufacturers and technology are summarized. The procedure for the development of the components, identification of the service-relevant components, investigation of the failure mechanisms, definition of measurable physical quantities, creation of monitoring concepts and testing of the monitoring concepts will be presented exemplarily. A potato harvester is used as a specific use case.

Paaranan Sivasothy, Dani Bechev, Jörg Seewig, Bernd Sauer

Object Detection and Semantic Segmentation for a Small Low-cost Vehicle

This contribution presents a demonstrator vehicle for automated driving in different or even unknown and rough terrains. Covering different terrains is an unique feature which separates this approach from the classic automotive industry which mainly focuses on driving on existing roads. This makes our approach highly interesting for commercial vehicles which are not limited to roads as well as those which have to drive on roads without reliable maps such as after catastrophes or simply in non-cartographed areas like construction sites or production plants. The main focus here is the perception. Thus, the object detection in 3D and the semantic segmentation will be covered. The former is needed to not only detect obstacles and their location but also whether to avoid or to run over them. The latter gives information about the surrounding: E.g. which areas of the ground are driveable. This is important if not only the road is considered as viable driving surface. To leave the level of an only academic feasibility, common commercial off-the-shelf (COTS) hardware is used and attention is paid on cost-benefit ratio. For the implementation, different neural networks are compared and finally used.

Hannes Stoll, Eric Sax

Arbeitsplatznahes Lernen mit Augmented Reality

Untersuchungen zum Einsatz von Augmented Reality als Lerntechnologie in der Serienmontage, verbunden mit einem Promotionsvorhaben zur industriellen Anwendung.

Janis Venitz, Thomas Bauer, Andreas Görthofer, Gerd Gidion

Virtual sensing strategies utilizing various model complexities: industrial applications

Virtual sensing is an emerging technology with a wide application potential for the commercial vehicle industry. Through the combination of sensor measurement data with simulation models, the virtual sensing methodology enables the estimation of physical quantities of which the direct measurement is otherwise not feasible, for reasons of e.g. cost or accessible space. The goal of this work is to explore and validate the capabilities of virtual sensing on industrial setups. Three demonstrators are presented, targeting different applications and system (model) complexities. The first demonstrator estimates the dynamic load torque input on an electro-mechanical drivetrain by means of a multi-physical lumped-parameter (1D) model. The second example shows the estimation of the full-field strain response of a twist-beam rear suspension under dynamic load excitation from a reduced sensor set combined with a linear Finite Element (FE) model. The third example demonstrates the estimation of the wheel center forces and moments on a McPherson suspension from strain measurements in combination with a nonlinear, flexible multi-body model.

Bram Cornelis, Bart Forrier, Roberta Cumbo, Enrico Risaliti, Karl Janssens, Tommaso Tamarozzi, Wim Desmet

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