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About this book

Die Beiträge der Commercial Vehicle Technology 2018 sind eine Sammlung von Publikationen für das 5. CVT Symposium der TU Kaiserslautern. Wie in den Jahren zuvor, 2010, 2012, 2014 und 2016 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 unterstütztes und automatisiertes Fahren und Arbeiten, Energie- und Ressourceneffizienz, innovative Entwicklung und Fertigung, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sowie Systemsimulation. Die Konferenz findet vom 13. bis 15. März 2018 an der Technischen Universität Kaiserslautern statt und erwartet den Besuch vieler renommierter Wissenschaftler und Vertreter der Industrie.

The proceedings of Commercial Vehicle Technology 2018 are a collection of publications for the 5th CVT Symposium at the University of Kaiserslautern. As in the previous years 2010, 2012, 2014 and 2016 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 assisted and automated driving and working, energy and resource efficiency, innovative development and manufacturing, safety, reliability and durability as well as system simulation. The conference is held on March 13 to 15, 2018 at the Technische Universität Kaiserslautern and is expecting the attendance of many renowned scientists and representatives of industry.

Table of Contents


Assisted and Automated Driving and Working


Validation of an analytical method for payload estimation in excavators

In this proposed paper, a measurement based validation for a previously developed payload estimation method for excavators [1] is presented. The payload here refers to the weight exerted at the operating end (bucket) of the working attachment of an excavator due to the amount of material in the bucket. The proposed method employs an analytical approach, relying on calculating the payload as a function of the joint torques of the excavator working attachment. Since this approach requires the knowledge of the inertial parameters of the working attachment, a method to estimate these was proposed. The mass, center of mass and mass moment of inertia of each link are estimated recursively using simple motion trajectories of the working attachment. Once the inertial parameters are thus estimated, the payload can be estimated as a function of joint torques. Both these estimation methods were validated using measurements done on an 18 t hydraulic excavator. The paper discusses in detail the measurement runs performed for the validation, as well as the subsequent evaluation of the measurement data. Finally, the quality of the results is elaborated on, and suggestions for improvement of the accuracy and reproducibility of both estimation methods are presented.

Ashwin Walawalkar, Steffen Heep, Christian Schindler, Roland Leifeld, Martin Frank

Benchmark of Different Calibration Methods of Driver Assistance Systems (DAS) Sensors at the End of Line of a Truck Final Assembly Plant by a Tolerance Chain Analysis

For the proper function of modern Driver Assistance Systems, all related sensors need to be calibrated to the coordinate system of the truck. Today, several different systems for such calibration operation are available on the market to perform the calibration in the End of Line area of a truck final assembly plant. This benchmark compares three different systems under the condition that the process for positioning of calibration targets related to the driving direction of trucks is capable (cpk > 1.33). A tolerance chain analysis of the positioning systems has been made to determine the related capability of each system. For the process of measuring the driving direction of a truck, several measurements have been made with each system.

Thomas Tentrup, Martin Wagner, Simon Stroh

Cooperation and Communication of Autonomous Tandem Rollers in Street Construction Scenarios

In the area of street construction, multiple heterogeneous construction machines have to cooperate in order to fulfill their tasks. While current manual coordination exploits error-prone hand-gestures, and other visual or acoustical communication, the ongoing automation of construction sites requires digital wireless high-bandwidth communication. Thereby, many-faceted communication links are required to meet the application requirements while coping with the unstructured and possibly infrastructure-less environment. In this paper, a new communication approach is presented which seamlessly integrates these multiquality wireless connections into the behavior-based control system approach to allow for a safe and robust autonomous operation of construction machine fleets.

Thorsten Ropertz, Patrick Wolf, Karsten Berns, Jochen Hirth, Peter Decker

Lane Change Assistant System for Commercial Vehicles equipped with a Camera Monitor System

When cameras replace vehicle mirrors, the camera output is delivered directly to a monitor allowing the driver to have an optimized view of the area behind the vehicle. In knowledge of inputs as the speed and the gear together with specifically developed ADAS algorithms, the image can be used to extract further information. The goal of FICOSA is to develop and integrate various algorithms into a Camera Monitor System (CMS) which supports the driver to avoid collisions and to watch the blind sport area. The system provides information as a transparent dynamic overlay for distances with color depending of the warning flag. The accuracy of our Camera Monitor System is improved by integrating a real-time calibration of the camera’s extrinsic parameters leading to a highly accurate estimation of dynamic objects. The calibration can be further employed to adapt to new vehicle load situations. The reliability and safety is improved by integrating a camera based Soil-/Blockage Detection.

Gabriela Jager, Florian Baumann, Jörn Klingemann

Simulation-based investigation of active trailer stabilization for use in utility trailers

In contrast to caravans, utility trailers have a high variability in geometry and weight (different loading). This is a major challenge in the development of a system for active stabilization if the trailer starts snaking. For this task, simulation is a very useful tool. The article first describes the step-by-step process of the targeted selection of trailers for the following simulations by using theoretical considerations based on the single-track model. Subsequently, the performance evaluation, carried out by means of dynamic simulations in the framework DYNA4, is explained. The study also includes a sensitivity analysis in order to identify dominant influencing parameters. Finally, some selected simulation results are presented.

Daniel Andre Czeschner, Ronnie Dessort

Behavior-Based Control for Safe and Robust Navigation of an Unimog in Off-Road Environments

Autonomously driving vehicles become more and more present in in road traffic, but in cluttered off-road environments the technological challenges for autonomous driving are currently much higher. Nonetheless, commercial vehicles operating autonomously in off-road environments can be easier economically exploited than within on-road scenarios due weaker legal restrictions. The project Driving of Commercial Vehicles in Off-Road Environments on the Example of the Unimog develops control concepts for a safe and robust navigation of commercial vehicles focusing on low speed locomotion in unstructured environments as construction sites, agricultural applications, forest, or search and rescue areas. Thereby, a stepwise automation is emphasized starting with driver-action recommendations in form of assistance systems evolving to fully autonomous solutions. This paper presents the behavior-based control architecture REACTiON tailored to the described scenarios and challenges. It provides standardized interfaces for different abstraction levels of control and perception. The architecture is applied to an Unimog special truck. Therefore a reactive low level safety system, differential, gear, and tire-pressure controllers, tailored to the vehicle, are implemented and tested in a simulation environment.

Patrick Wolf, Thorsten Ropertz, Karsten Berns, Martin Thul, Peter Wetzel, Achim Vogt

Remotely operated machines for missions in inhospitable areas – Concept, design and virtual operational planning

Automatisierte Maschinen und Geräte ermöglichen wertvolle Unterstützung und Einsätze in der Aufklärung, Sanierung, Bergung oder auch in akuten Notfallsituationen. Sie können in Bereiche vordringen und in Umgebungen unterstützen oder arbeiten, die für Menschen nicht zugänglich sind. In diesem Beitrag werden am Beispiel der Spezialmaschine „Hochflexibles Manipulator- System“ (HMS) angewandte Methoden zur Entwicklung und Validierung sowie zur Einsatzplanung vorgestellt. Neben Systementwicklungs- Aspekten stellt die Anwendung von Virtual Reality Methoden eine wichtige Grundlage für die anforderungsgerechte Konzeption und einen erfolgreichen operativen Einsatz des Produkts dar.

Dietmar Sanberger, Richard Nakath, Helmut Derlich

Combining Stereo Disparity and Optical Flow for Basic Scene Flow

Scene flow is a description of real world motion in 3D that contains more information than optical flow. Because of its complexity there exists no applicable variant for real-time scene flow estimation in an automotive or commercial vehicle context that is sufficiently robust and accurate. Therefore, many applications estimate the 2D optical flow instead. In this paper, we examine the combination of top-performing state-of-the-art optical flow and stereo disparity algorithms in order to achieve a basic scene flow. On the public KITTI Scene Flow Benchmark we demonstrate the reasonable accuracy of the combination approach and show its speed in computation.

René Schuster, Christian Bailer, Oliver Wasenmüller, Didier Stricker

Mining Test Inputs for Autonomous Vehicles

Testing of Advanced Driving Assistance Systems (ADAS) with higher level of autonomy is becoming increasingly complex. A variety of situations needs to be tested to ensure a sufficient test coverage. In normal driving condition, this requires enormous amounts of driven kilometers. Our presented approach extracts scenario information from observed simulations and identifies test-cases. In order to test such system it is necessary to generate test-cases automatically and to execute the test-cases using simulators. The presented approach uses observed behaviors to mine partitions of the test input automatically. The test input consists of continuous behavior of other traffic participants which is supposed to trigger behaviors of the tested vehicle. We discuss how to identify cause-effect relationships and how these relationships can be assembled to test-cases. We demonstrate our approach by analyzing a lane change scenarios of trucks on highways.

Christian Wolschke, Dieter Rombach, Peter Liggesmeyer, Thomas Kuhn

Energy and Resource Efficiency


Representative Road Selection and Route Planning for Commercial Vehicle Development

Measuring loads for durability as well as emission and consumption for drivetrain assessment on public roads are indispensable parts of the commercial on-road vehicle development. Often, manufacturers have been using certain reference routes over many years and gained much experience in the relation of the results to the real world performance of their vehicles. However, known shortcomings of existing routes, novel vehicle concepts or markets make the definition of new routes an important task for the corresponding development departments. To be able to correlate the results collected on a route to different types of vehicles for different markets with a high usage variability, two requirements need to be fulfilled. First, it is mandatory to cover all important road conditions on that route (different types of roads, e.g. highways, major or minor, country and city roads, smooth and rough, flat and steep roads, high and low traffic density etc.). Second, it is important to know the distribution of these road conditions in the market of interest. Thus, we describe two aspects of that process, namely how to find a set of possibly unconnected roads representing all relevant road conditions in a region and how to find a drivable route with a predefined length covering all these properties. While the representative road selection may be used for vehicle simulation purposes, the drivable route is needed for real tests. We develop these approaches based on the Virtual Measurement Campaign (VMC) concept in close collaboration between Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern and MAN Truck & Bus in Munich.

Michael Speckert, Michael Lübke, Björn Wagner, Thomas Anstötz, Christian Haupt

Use of virtual measurement campaigns in transmission development

Heute konzentriert sich der Entwicklungsprozess in der Nutzfahrzeugindustrie nicht nur auf die klassischen Disziplinen wie Entwurfslasten, Festigkeit und Handlingaspekte. Darüber hinaus muss die Kombination verschiedener Themen wie beispielsweise Kraftstoffverbrauch, reale Fahremissionen und variable Verkehrsbedingungen berücksichtigt werden. Im ersten Teil dieses Beitrags werden die Ergebnisse aktueller Untersuchungen zur Nutzung von georeferenzierten Höhendaten in Kombination mit digitalen Karten dargestellt. Der zweite Teil gibt einen Überblick über den Entwicklungsprozess der ZF Friedrichshafen AG. Anhand zweier Anwendungsfälle von Getrieben für Stadtbusse und Nutzfahrzeuge, wird die Integration von georeferenzierten Datenanalysen und statistischen Methoden dargestellt. Der erste Anwendungsfall konzentriert sich auf die derzeit genutzten Auslegungsstrecken der ZF Friedrichshafen AG. Diese werden zunächst unter statistischen Aspekten analysiert, wobei die Zusammensetzung jeder Strecke im Vergleich zu gewünschten Zielmärkten dargestellt wird. Die Untersuchungen werden abgerundet, indem virtuell berechnete Geschwindigkeitsprofile mit gemessenen Profilen verglichen werden. Der zweite Anwendungsfall beschreibt den Transferprozess von bekannten Heimatmärkten zu neuen Kundenmärkten. Der Ansatz folgt der Idee, die Software VMC als Werkzeug zur virtuellen Produktfreigabe für die Anwendungsbereiche zu nutzen, in denen weniger harte Einsatzbedingungen in Betracht gezogen werden können.

Morten Scherpelz, Marco Plieske, Alexander Gottwald, Thomas Halfmann, Thorsten Weyh

Fuel Efficiency Optimization of Market Specific Brazilian Truck Applications

In Brazil, the biggest country in South America, a lot of transportation activities are required for the internal supply of the inhabitants, for the import of products that are needed in the country and for the export of locally produced goods. The strongest industry in Brazil is the agricultural business, i.e. the production of grain, corn and soya, for usage in the country but also for exportation. Large truck-trailer combinations (the Bitrain, or in Portuguese “Bitrenzão”) of up to 74 tons on 9 axles are commonly used, to bring the grain to the far distant harbors. A big difference compared to the typical European application with “only” 40 tons. Since the railway transportation is not very well developed in the country, the transport of goods on road is often the only alternative. The fuel efficiency of the trucks, nowadays, is the first buying criteria, especially for the big fleet owners with several hundred vehicles. They even pay their drivers according to their efficiency in driving and the truck manufacturers are commonly invited for a fuel efficiency competition before the fleet owner makes his buying decision. The article first summarizes the general improvements concerning fuel efficiency, introduced in 2016 with the new ACTROS face lift – the Mercedes-Benz flagship in the Brazilian market. The following chapter focuses on a specific application in the grain transport of a customer in the south of Brazil. There, the vehicles always run the same route from the interior to the local harbor and back, 24 hours a day and nearly 100% in loaded condition. Based on the analysis of the customer operation, specific measures to improve the fuel efficiency in this application are proposed and discussed. The last chapter summarizes the fuel efficiency potential of an application specific optimization and gives an outlook of future improvements in the sector of fuel efficiency.

Roman Teutsch, Rivaldo Cheruti, Rodrigo Gasser, Mauricio Pereira, Abimael de Sousa, Christof Maria Weber

Test validation of chassis a basis for the optimization of soil protection and energy efficiency of tractors and agricultural machinery

Fahrzeugparameter, wie Gewicht, Reifendruck und -abmessungen, sowie Bodeneigenschaften, wie Bodenfeuchte und Dichte besitzen komplexe und zum Teil entgegengesetzte Wirkungen auf die Energieeffizienz von Zugkraft und Wiederauflockerungsaufwand des Bodens sowie auf das Ertragsniveau. Detaillierte Ergebnisse des Dresdener Reifenprüfstandes zur dreiachsigen Messung von Reaktionskräften am belasteten Rad sind eine Grundlage, um die Wirkungen von Fahrzeugparametern auf die Energieeffizienz und den Ertrag zu bewertet. Daraus ableitend ist es möglich, bestehende Fahrwerke, insbesondere zwischen Radbelastung und Reifendruck, zu optimieren. Die Optimierung und Simulation neuer Fahrwerkskonzepte und Technologien ermöglichen 10 % bis 25 % Energieeinsparung und Ertragssteigerung. Die hohe Übereinstimmung mit Feldmessungen bestätigt, dass die Laborergebnisse eine gute Grundlage für die Simulation sind und damit ein hohes Effizienzpotential bei der Fahrwerksentwicklung besitzen. Auf dieser Basis der experimentellen Validierung von Reifen und Gleisbändern wird ein Modell und Ergebnisse zur Simulation der Effizienz von Maschinen mit bestehenden und neuen Fahrwerken vorgestellt.

Hartmut Döll, Thomas Herlitzius

System dynamic assessment of the future availability of energy resources for new drive concepts in (commercial) vehicle technology

Durch einen systemdynamischen Ansatz können Voraussagen zur künftigen Verfügbarkeit von Energieressourcen für Antriebskonzepte in der Fahrzeugtechnik gemacht werden, die die Unsicherheit in der Eintrittswahrscheinlichkeit von üblichen Prognose-Studien vermeiden. Der Ansatz basiert auf der Beschreibung von Wachstumsvorgängen durch die logistische Funktion und Datenanalyse durch lineare Regression. Damit werden beginnende Entwicklungen bei der Etablierung von Energieformen im Energiemarkt zum Antrieb von Fahrzeugen untersucht und extrapoliert. Der systemdynamische Ansatz wird auf derzeit diskutierte Antriebsenergien angewendet. Keywords: Systemdynamik, logistische Funktion, lineare Regression, Eintrittswahrscheinlichkeit, Extrapolation, Energieressourcen, Antriebstechnik, Fahrzeuge.

Peter Alexander Kosack

Innovative Development and Manufacturing


Product Processes based on Digital Twin

Product development is performed by accomplished designers who make their best efforts to understand customer needs and desires via verbal or written feedback. This approach becomes cumbersome if a product design undergoes revolutionary changes. This paper focuses on how the potential of realtime simulation models based on Multibody System Dynamics or, in short, physics based Digital Twins, is utilized as a tool to interpret customers’ needs. The complete real-time simulation model can be seen as an interaction of several subsystems, such as environment, work process, mechanics, actuators, control system and user input. A mechanical subsystem based on the use of multibody system dynamics includes modeling of mechanical bodies, force elements acting between bodies, joints connecting bodies, and contacts. In this way, three main areas of product lifecycle are consistently covered. First, the benefits of the proposed approach are discussed in the Research & Development and Product Development section. Then comes service business, and finally, the authors discuss the effect of the approach in marketing and sales.

Nima Alaei, Asko Rouvinen, Aki Mikkola, Raimo Nikkilä

Industrie 4.0 Digitalization – more than just fancy!

Das LKW Produktionswerk der Mercedes-Benz Türk produziert seit 1986 in der Provinz Aksaray, Türkei. Seitdem wurden über 235.000 LKWs für das türkische Inland und verschiedener Exportmärkte ausgeliefert. Mercedes-Benz Trucks Kunden haben die höchsten Ansprüche in Bezug auf Qualität, innovative Technologien und wegweisende Sicherheitsstandards. Diese Ansprüche führen zu anspruchsvollen Produkten und einer komplexen Prozesslandschaft. Selbstverständlich müssen gleichzeitig auch wettbewerbsfähige Kostenstrukturen und verkürzte Innovationszyklen beherrscht werden. Die Nutzfahrzeugbranche steht vor fundamentalen Veränderungen. Neben der Elektrifizierung des Antriebsstrangs, dem autonomen Fahren und der Erschließung neuer Märkte ist vor allem die Digitalisierung Treiber dieses Wandels. Durch die Digitalisierung erschließen neue Wettbewerber den Markt und gestalten die Zukunft des Automobils, der Mobilität und des Transports entscheiden mit. Für Daimler ist Industrie 4.0 mehr als nur die Digitalisierung vorhandener physischer Elemente. Es ist vielmehr ein Prozess der Transformation. Ein Wandel von Kultur und Arbeitsweise; sowohl am Produktionsband als auch im Büro. Der kulturelle Aspekt dieses Wandels wird oftmals stark unterschätzt. Doch der Zyklus der digitalen Transformation beginnt im Mindset aller Beteiligten. Das Mercedes-Benz Werk Aksaray überzeugt bereits mit vielen Bestandteilen der vierten industriellen Revolution. Sei es in der Arbeitsvorbereitung mit Augmented Reality oder in der Montage mit der Visualisierung von großen Datenmengen. In diesem Beitrag werden einige Beispiele aus dem Standort im Detail erläutert. Dabei werden die Aspekte der Herausarbeitung von Potenzialen und der finalen Umsetzung in die Praxis explizit hervorgehoben.

Frank Lehmann

Methodology for Correlating OECD and DLG PowerMix Test Data to Calculate and Analyze Area-related Fuel Consumption of Agricultural Tractors and Incorporate Life Cycle Assessment

Manickarajan Sendhilkumar, Juzer Faiyazi, Fabienne Seibold, Hristo Apostolov

Hybrid-optimized manufacturing of load-bearing components by combining of conventional and additive manufacturing processes

Eine hybrid-optimierte Fertigungsstrategie hat zum Ziel, die jeweiligen Vorteile von additiven und konventionellen Fertigungsverfahren zu nutzen. Dazu wird eine Komponente in Einzelbauteile segmentiert, welche je nach Vorteilhaftigkeit entweder konventionell oder, nach einer Topologie-/Strukturoptimierung, additiv zu fertigen sind. Anschließend werden diese Einzelteile konventionell zur Baugruppe zusammengefügt. Der Beitrag beschreibt die Besonderheiten bei der Konstruktion und Auslegung einer Fahrwerkskomponente eines leichten Kettenfahrzeugs für eine solche hybrid-optimierte Fertigungsstrategie.

Maximilian Ley, Nils Buschhorn, Nicole Stephan, Roman Teutsch, Constantin Deschner, Matthias Bleckmann

Short-time-procedures for characterization of the fatigue behaviour of additively manufactured metallic structures

Zur Nutzung des Potentials der additiven Fertigung für die Anwendung in hochbeanspruchten Komponenten ist es notwendig, die prozessspezifische Mikrostruktur und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren. Im vorliegenden Projekt wurden Probenstäbe aus dem Stahl 316L additiv gefertigt. Hierzu wurden die additiven Fertigungsverfahren Laser Deposition Welding (LDW) und Selective Laser Melting (SLM) verwendet. Zusätzlich wurde der Einfluss der Aufbaurichtung im additiven Fertigungsprozess auf die Werkstoffmikrostruktur und -eigenschaften untersucht. Im Fokus steht hierbei die Bewertung und Charakterisierung der Ermüdungseigenschaften der additiv gefertigten Werkstoffstrukturen. Hierzu wurden als Kurzzeitmethoden die zyklische Mikro-Eindringprüfung (PhyBaLCHT) und kraftgeregelte zyklische Laststeigerungsversuche (LSV) genutzt. Diese Verfahren ermöglichen eine zeitund kosteneffiziente Bewertung des Ermüdungsverhaltens der unterschiedlichen Fertigungszustände. Die Untersuchungen zeigen, dass die Laststeigerungsversuche das anisotrope Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Strukturen zuverlässig beschreiben können, weshalb dieses Kurzzeitverfahren hohes Potential auch zur Untersuchung des Einflusses nachgelagerter Fertigungsprozesse auf das anisotrope Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Strukturen besitzt.

Bastian Blinn, Marcus Klein, Tilmann Beck

Concept for identifying potentials of additive manufacturing in commercial vehicle production

Die Veränderungen im weltweiten Nutzfahrzeugmarkt, wie beispielsweise heterogenere Kundenanforderungen, haben in den letzten Jahren zu einer zunehmenden Produkt- und Prozesskomplexität in der Nutzfahrzeugindustrie geführt. Die Additive Fertigung (AF) wird als vielversprechende Lösung für die Herausforderungen der Nutzfahrzeugindustrie gesehen. Die AF ermöglicht beispielsweise die Entwicklung und Fertigung komplexer Bauteile und Baugruppen, welche mit konventionellen Fertigungsverfahren nur schwierig oder zu hohen Kosten hergestellt werden können. Für die Nutzfahrzeugindustrie ist daher die Ermittlung der Einsatzpotenziale der einzelnen additiven Fertigungstechnologien von großer Bedeutung. In diesem Aufsatz wird daher ein Konzept vorgestellt, welches die Einsatzpotenziale verschiedener additiver Fertigungstechnologien speziell für die Nutzfahrzeugindustrie ermittelt. Das Konzept basiert auf einer dreistufigen Bewertung: Vorfilter, technische Bewertung und wirtschaftliche Bewertung. In der ersten Phase Vorfilter wird die AF anhand von konkreten Merkmalen des Bauteils und seines Herstellungsprozesses mit der konventionellen Fertigung verglichen und ermittelt, ob die AF vorteilhaft zur Herstellung dieses konkreten Bauteils ist. In der zweiten Phase werden die ermittelten Vorteile konkretisiert und das additive Fertigungsverfahren ermittelt, welches am besten zur Herstellung des Bauteils geeignet ist. In der letzten Phase wird eine wirtschaftliche Bewertung durchgeführt, um die Herstellzeit und –kosten für das Bauteil zu ermitteln. Das Ergebnis dieser Bewertung ist das Einsatzpotenzial der AF zur Herstellung des konkreten Bauteils aus der Nutzfahrzeugindustrie und dient Nutzfahrzeugherstellern zur umfassenden Entscheidungsunterstützung.

Li Yi, Christopher Gläßner, Jan C. Aurich

Safety, Reliability and Durability


Cloudbased Usage-Validation of customer-trailers in field trials

Für weltweite Feldversuche mit Kundentrailern zur Freigabe neu entwickelter Fahrwerkskomponenten wurde bei BPW auf Basis der hauseigenen Trailer-Telematik ein Low-Cost-Messsystem entwickelt, im Folgenden ″Mini-Blackbox″ genannt. Dessen mit minimalem Sensorik-Aufwand generierte Daten und Ereignisse liefern den maximal möglichen Informationsgehalt bezüglich Kundennutzung im Hinblick auf Fahrmanöver sowie deren Häufigkeit und Ausprägung. Die ereignis-getriggerten sowie permanent übertragenen Zeitreihen ermöglichen maximale Flexibilität im Hinblick auf Out-of-the-Box-Big-Data-Analysen durch beliebige Signal-Korrelationen bzw. – Verrechnungen. Kernstück des Systems ist dabei eine cloudbasiert IoT-Plattform mit Cold- Warm-und Hot-Storage-Struktur, die je nach Benutzeranforderung die Daten vorhält bzw. bereitstellt. Die Daten werden automatisiert ausgewertet und in Form von Kennwerten, Diagrammen usw. dargestellt, wobei die ebenfalls cloudbasierte Software benutzerfreundliche sowie bedarfsgerecht zusammenstellbare Auswertungen ermöglicht. Der Schwerpunkt des initialen Feldversuches liegt auf der Einsatzvalidierung der nach den Kriterien der Mindestzuverlässigkeit (″Success Run - Methode″ [2]) im Hinblick auf Schädigungsparameter, Einsatzgebiet, Marktanteil, Laufleistung usw. ausgewählten Kundentrailern mit dem Ziel, zukünftige Feldversuche optimal zu planen und die erforderliche Dauer des Feldversuches und somit das ″Product- Time-to-Market″ von in der Entwicklung befindlichen Komponenten zu reduzieren. Es werden Fahrmanöver in longitudinaler, lateraler sowie vertikaler Richtung in ihrer Ausprägung und Anzahl erfasst. Das Potential der Mini-Blackbox umfasst weiterhin erstmals die Lieferung der statistischen Breite für die marktspezifische Auslegung von Trailer-Fahrwerkssystemen. Andererseits bildet das System auch die Basis für mittels Kalibriermessfahrten zu erstellende, virtuelle und vor allem system-unabhängige Lastdatenkataloge im Zusammenhang mit MKS-Anwendungen. Darüber hinaus hat das System Potential für zukünftige Entwicklungen zum Thema Predictive Maintenance.

Reiner Moog, Andre Brand, Jan-Philipp Kobler

Model-Based Identification Of Road Profiles and Road Roughness Indicators Using Vehicle Measurements

We propose and discuss a computational method to derive road profiles and road roughness indicators based on vehicle models and vehicle measurements. Models of simple complexity are used, such as quarter-car and half-car models. The needed measurements require only moderate effort, e.g., vertical accelerations are sufficient. The derivation task is formulated as inverse problem and is numerically solved using the Bayesian inversion approach, which derives conditioned distributions of the unknowns. Thus, it automatically allows to quantify uncertainty. The method enables the computation of road profiles and road roughness indicators on (very) long tracks or for very large databases (measurement campaigns), respectively, in acceptable computation time, thus, it is also suited for on-board applications.

Michael Burger, Michael Speckert, Roland Müller, Daniel Weiberle

Development of a Real-Time Sensor System for the Early Detection of Cracks on Trailer Frames

In diesem Beitrag wird die Entwicklung eines echtzeitfähigen Systems zur Überwachung einer Rahmenstruktur eines LKW-Aufliegers vorgestellt. Durch die häufige Belastung und partiellen Überlastung von Aufliegern kommt es im Zuge von Leichtbaubestrebungen vermehrt zu ermüdungsbedingten Schädigungen der Rahmenstruktur. Um eine Grundlage für die Erkennung dieser Beschädigungen zu schaffen werden Fahrversuche durchgeführt und die auftretenden mechanischen Beanspruchungen analysiert. Weiterhin werden die entstehenden Körperschallsignale analysiert um gewöhnliche Betriebsgeräusche zu identifizieren. Mit Hilfe von weiteren statischen und dynamischen Ermüdungsversuchen werden Anforderungen an ein System zur echtzeitfähigen sowie kontinuierlichen Körperschallüberwachung definiert.

Rolf Klemm, João Pimentel, Karl-Ludwig Krieger, Andree Irretier, Munip Dalgic

Sources for Fatigue Load Data

For the definition of fatigue life targets there are several data sources, which differ in quality and availability. High quality measurement campaigns can only be used for single test machines. Medium quality measurements systems are used on a field-test scale and with monitoring systems, low quality data is gathered for all machines. All the identified fatigue data leads to the identification of the customer load distribution and to the definition of the design and fatigue test load.

Albert Marquardt

Automated Description of ECU-Behavior

Für die simulierte funktionale Absicherung wird die exakte Funktion von Steuergeräten benötigt. Oft liegt diese nicht, nur teilweise oder in Form von kompilierter Flashware vor. Dieser Beitrag stellt ein Verfahren vor, mit dem die Funktion eines Steuergeräts über die Auswertung von CAN-Logfiles automatisch ermittelt werden kann. Dazu wird die Korrelation aller gemessenen Signale paarweise bestimmt. Je nach Ergebnis begründet dies die Vermutung eines kausalen Zusammenhangs zweier Signale. Nach Prüfung der Vermutung anhand der gemessenen Daten beschreibt eine Regressionsfunktion die Verarbeitung eines Eingangs- zu einem Ausgangssignal in einem Steuergerät. Wie vollständig diese Beschreibung ist und ob die zur Verfügung stehenden CAN-Signale prinzipiell ausreichend sind, diese Funktion abzuleiten, wird anhand eines neuronalen Netzes geprüft.

Benjamin Steinvorth, Eric Sax

Combining Behavior-Based and Contract-Based Control Architectures for Behavior Optimization of Networked Autonomous Vehicles in Unstructured Environments

The driving behavior of networked autonomous vehicles can be optimized with collaborative knowledge by sharing safety-relevant runtime data and reliably integrating it into the individual vehicle platforms. Since the highly dynamic application context in the vehicle domain is safety-critical, the behavior adaptation process must be performed in a correct and predictable manner despite networking, reconfiguration and integration of external services. The Dynamic Safety Contracts (DSCs) approach provides a systematic, methodical and verifiable composition concept for the integration of external services at runtime in order to become certifiable for future applications. For a dedicated collaborative mode, a virtual safety cage can be specified with DSCs to derive the permitted degrees of freedom. In hazardous situations while driving, a predefined safe reaction behavior can be triggered in this way. Especially in highly unstructured environments like the off-road domain, collaborative knowledge such as additional spatial perspectives can improve the individual capabilities of environmental perception and ultimately the overall system behavior. For this challenging application domain a robust autonomous control like the integrated Behavior- Based Control (iB2C) is most suitable. In this paper, we show the benefits of a combined control architecture.

Sebastian Müller, Patrick Wolf, Karsten Berns, Peter Liggesmeyer

Dynamic Load Sensing under special consideration of Functional Safety Aspects according to ISO 13849

Inhalt dieses Beitrages ist die Vorstellung unterschiedlicher Ansätze zur dynamischen Lastbestimmung bei hydraulischen Systemen unter Berücksichtigung der Funktionalen Sicherheit gemäß ISO13849. Die verschiedenen Ansätze werden zunächst theoretisch verglichen und final an einem realen Lifter eines Müllfahrzeuges getestet.

Thomas Meindorf, Christoph Kempermann

Development of new rolling bearing for heavy-duty truck applications

In recent years, engineers have searched for low power loss alternatives in many applications where rolling bearings with high frictional losses were used, e.g. tapered roller bearing. New types of bearings with lower frictional losses have been designed to cover this need. As an example, the commonly used tapered roller bearing in axle-gearboxes of passenger cars has been replaced by a new design of a double rowed ball bearing. However, there are still some applications where no ideal alternative has been found yet. One example are axlegearboxes for heavy-duty trucks, where double rowed ball bearing cannot be used due to insufficient load carrying capabilities. A possible concept for reducing the friction in such systems is the tapered barrel roller bearing can be named. Based on its geometry, a simulation-based optimization will be performed in order to develop a new kind of bearing leading to reduced friction losses in heavy-duty applications. The results of these simulations will be presented in this paper. As a further investigation, the final design will be tested experimentally to validate the results.

Margarita Marmol, Timo Kiekbusch, Bernd Sauer

Design of mobile floating bridge systems and working platforms

Mit der fortschreitenden Weiterentwicklung nummerischer Simulationsmethoden und der einhergehenden Beschleunigung vorhandener Computerhardware, ergeben sich neue Möglichkeiten in der Verknüpfung verschiedener Ingenieursdisziplinen im Bereich der virtuellen Produktentwicklung. Das vorliegende Paper gibt einen Überblick über die Inhalte eines zwischen General Dynamics und dem Fraunhofer ITWM durchgeführten Entwicklungsprojekts im Bereich der Simulation von mobilen Brückensystemen. Hauptbestandteil des Entwicklungsprojekts ist die Verknüpfung eines starren Strukturmodells einer Schwimmbrücke (“IRB”: Improved Ribbon Bridge) mit einem flüssigen Medium (Wasser). Bisher wurden auf diesem Themengebiet CFD (Computational Fluid Dynamics) Löser eingesetzt. In diesem Projekt wurde der am Fraunhofer ITWM entwickelte FPM-Ansatz (Finite Pointset Method) verwendet. Im Gegensatz zu den klassischen Methoden, wie die der Finiten Elemente oder der Finiten Volumen, setzt FPM konsequent auf eine gitterfreie Methode auf, welche keinerlei aufwändige Vernetzung benötigt. Die nummerische Basis der FPM Methode besteht aus einer sich bewegenden Punktewolke, welche sich gegenüber freier Oberflächen gekoppelter starrer Körper selbstständig adaptiv anpasst. Somit hat die FPM-Methode einige Vorteile gegenüber netzbasierten Lösern, welche im Bereich von zeitabhängigen Problemstellungen schnell an ihre Grenzen stoßen, da eine ständige Neuvernetzung notwendig wird. Ein weiterer Projektaspekt betrifft die automatische Detektion von Fahrzeugen, welche einen äußeren Lastangriff auf die Schwimmbrücke darstellen. Die Erkennung basiert auf einem echtzeitfähigen Bilderkennungsalgorithmus, welche ein neuronales Netzwerk verwendet.

Werner Fraundorfer, Jörg Kuhnert, E. Pina Vina, Thorsten Weyh

Definition of a Loading Scenario and experimental Verification on a Material Handlers Load Arm

Die Dimensionierung der Komponenten von Arbeitsmaschinen aus dem Bau- und Umschlagbereich erfolgte für frühere Maschinengenerationen meist weitgehend erfahrungsbasiert. Erst in letzter Zeit werden zunehmend detaillierte Lastannahmen und Belastungskollektive definiert, um die Konstruktionen optimal auslegen zu können. Diese Informationen sind nicht nur bei Neukonstruktionen notwendig, sondern auch um bei jahrelang bewährten Konstruktionen Auflastungen oder Materialänderungen verifiziert umsetzen zu können. Im vorliegenden Fallbeispiel sollten zunächst diese Belastungsdaten unter Berücksichtigung von Massenkrafteffekten für den Ladearm eines Materialhandlers bestimmt werden, welcher vorrangig im Umschlagbetrieb eingesetzt ist. Auf dieser Basis konnten die Bemessungskriterien definiert und anschließend Festigkeitsversuche am gesamten Ladearm zur Verifizierung durchgeführt werden. Die angewandte Vorgehensweise kann branchenübergreifend auf viele Fälle übertragen werden, wo bisher keine konkreten Auslegungsdaten für Komponenten und Maschinen existieren.

Andreas Herbert, Johannes Käsgen

A Tool for the Development and Comparison of Approaches for the Dynamic Risk Assessment of Active Safety Systems

Mit steigendem Automatisierungsgrad fällt die Verantwortlichkeit für eine sicheres Verhalten immer stärker dem automatisch steuernden System zu. Um dieser Verantwortung gerecht zu werden ist es ein vielversprechender Ansatz, die Systeme selbst in die Lage zu versetzen das mit dem Verhalten verbundene inhärente Risiko im Kontext einer Situation zu bewerten. Auf dieser Basis kann ein dynamisches Risikomanagement aufsetzen, welches ein allzeit akzeptables inhärentes Risiko gewährleistet. Zum Erreichen einer dynamischen Risikobewertung werden nach dem Stand der Technik Risikometriken wie Time-To- Collision ausgewertet. Die Berechnung dieser Metriken erfolgt auf einer Reihe von Beschränkungen und Annahmen, die meist implizit getroffen werden. Wir untersuchen in dieser Arbeit explizit die Auswirkungen dieser Annahmen auf die Risikoeinschätzung in unterschiedlichen Szenarien. Hierzu präsentieren wir Ergebnisse eines eigens entwickelten Tools zur Berechnung von Risikometriken unter unterschiedlichen Annahmen.

Patrik Feth

Simulation Methods


Methods for a Simulation-Based Ride Comfort Evaluation of Commercial Vehicles according to ISO 2631-1

Der Schwingkomfort beschreibt die Auswirkungen mechanischer Schwingungen auf den Menschen und ist somit ein wichtiges Auslegungskriterium in der Fahrzeugentwicklung. Eine weit verbreitete Methode zur Bewertung des Schwingkomforts von Fahrzeugen wird in der ISO 2631-1 beschrieben. Daneben empfiehlt die Norm einen Messaufbau zur Ermittlung der zur Bewertung benötigten Beschleunigungssignale. Simulationen, die immer häufiger bei der Entwicklung von Fahrzeugen zum Einsatz kommen, finden in der Norm keine Erwähnung. Um eine mit der Norm vergleichbare Analyse mittels numerischer Gesamtfahrzeugsimulationen durchzuführen, sind verschiedene Modellierungsmethoden denkbar, welche sich in Detaillierungsgrad sowie Modellierungs- und Berechnungsaufwand stark unterscheiden können. In diesem Beitrag werden drei beispielhafte Methoden zur simulativen Ermittlung relevanter Beschleunigungssignale vorgestellt und hinsichtlich ihrer Kompatibilität mit Messungen nach ISO 2631-1 verglichen. Als Simulationsträger dient ein speziell für fahrdynamische Untersuchungen entwickeltes Mehrkörper-Gesamtfahrzeugmodell. Die Methoden beruhen auf unterschiedlichen Modellierungsansätzen ungleicher Komplexität. Methode A stellt die einfachste Form der Messwerterfassung dar, bei der die Beschleunigungen direkt am Starrkörper ausgelesen werden. Bei Methode B wird der gesamte Messaufbau inklusive seiner mechanischen Eigenschaften modelliert. Methode C bildet einen Kompromiss, bei dem nur ein Teil des Messaufbaus modelliert wird. Die Ergebnisse werden mit realen Messergebnissen verglichen, welche mit Hilfe eines hydraulischen Schwingungsprüfstands ermittelt werden.

Florian Schneider, Nicole Stephan, Roman Teutsch

Simulation-based dimensioning of highly diverse pneumatic commercial vehicle brake systems

Im Nutzfahrzeugsegment stehen die Hersteller vor der Herausforderung, bei vergleichsweise geringer Stückzahl eine hohe Variantenvielfalt an Fahrzeugmodellen anzubieten. Dabei können die Fahrzeuggrundstrukturen über Achsformeln, Antriebsvarianten, Radstände, Überhänge und Fahrerhausvarianten individualisiert werden. Zusätzlich stehen unterschiedliche Federungs- und Dämpfungskonzepte zur Verfügung, sowie diverse Motor- und Getriebevarianten. Dies generiert für Teilsysteme wie z.B. die elektropneumatische Bremsanlage ebenfalls eine große Menge an möglichen Systemkonfigurationen, die wiederum zur Erfüllung der Bremsanforderungen bewertet werden müssen. Im Fokus stehen hierbei eine ausreichende Dimensionierung zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen sowie die modulare Funktionsarchitektur. Im Folgenden wird eine Simulationsumgebung vorgestellt, die basierend auf einem in der Modellbildungstiefe reduzierten Mehrkörpersimulationsmodell die Abdeckung des Fahrzeugbaukastens und standardisierte Auslegungssimulationen ermöglicht. Die Bremskomponenten werden analytisch beschrieben und über steuerbare Funktionsausdrücke im Modell zu diversen Bremskonfigurationen kombiniert. Die Konfiguration und Parametrierung des Modells erfolgt über ein Graphical User Interface (GUI). Das GUI dient als Schnittstelle zum Anwender und stellt die standardisierten Funktionen der zu Grunde liegenden Berechnungsarchitektur zur Verfügung. Hierzu zählen datenbankbasierte Modellkonfiguration, verteilte Berechnung auf einem Server-Cluster und automatisierte Erstellung von Ergebnis- Reports. Erste Ergebnisse sind dargestellt.

Philipp Wagner, Edin Topcagic, Oskar von Mosch

Optimised development process for prevention of chatter vibration in trailer disc brakes

Ein typisches Phänomen bei LKW Trailer-Achsen sind neben hochfrequenten auch niederfrequente Schwingungsphänomene, welche in Anlehnung an die Bezeichnungen bei Kfz-Scheibenbremsen abhängig von der Frequenz und Erscheinungsform z.B. als Quietschen, Muhen, Knarzen oder wie im vorliegenden Fall als Rattern bezeichnet werden [1, 2]. Ratterfrequenzen finden sich im Bereich von 100 Hz bis 300 Hz. Seinen Ursprung findet das Ratterphänomen in selbsterregten Schwingungen durch die Reibungskräfte der Bremse, welche sowohl bei niedrigen Geschwindigkeiten als auch niedrigen Bremsdrücken auftreten können. Ziel der dargestellten Untersuchungen ist es, bei der neuen Scheibenbremsengeneration TS2 der Firma BPW bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses das Phänomen „Rattern“ zu verstehen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Zu diesem Zweck werden zunächst bei der aktuellen BPWScheibenbremsengeneration TSB experimentelle Untersuchungen zu diesem Phänomen durchgeführt und darauf basierend ein Modell als Mehrkörpersystem erstellt. An diesem Modell können in der Vergangenheit aufgetretene Feldprobleme und erprobte erfolgreiche wie auch nicht erfolgreiche Gegenmaßnahmen nachvollzogen werden. Schließlich wird auf der Basis dieses Modells ein Mehrkörpermodell für die neue Generation TS2 entwickelt und daran Maßnahmen zur Vermeidung von Rattern getestet. Die bisher erzielten Erkenntnisse in der Erprobung der TS2 bestätigen die Simulationsergebnisse.

Sebastian Koch, Nils Gräbner, Christoph Gemassmer, Utz von Wagner

How to ensure high quality results in commercial vehicle simulation.

Die Aussagegüte der Simulation in der Nutzfahrzeugentwicklung hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Die Möglichkeiten der CAEMethodik werden weiter steigen und sind für einen effektiven und effizienten Entwicklungsprozess bei vielen Fahrzeug-Eigenschaften mittlerweile unverzichtbar. Berechnungsergebnisse sind heute (anders als im 20sten Jahrhundert) häufig nicht mehr zusätzliche Erkenntnis zu Versuchsergebnissen, sondern stellen die Primärquelle für viele Entscheidungen dar. Daher ist es von großer Bedeutung, dass die Aussagegüte der Berechnung hoch ist. Die Aussagegüte des Simulationsergebnisses hängt von der Qualität der Input- Daten und vom CAE-Prozess ab. Der Prozess ist geprägt von derModellierungsgüte, den Fähigkeiten der eingesetzten Tools und natürlich von den passenden Mitarbeiterkompetenzen. Alle Einflussgrößen werden laufend begutachtet und wenn erforderlich verbessert, um die bestmögliche Aussagegüte in der Berechnung sicherzustellen. Stellhebel, um die Qualität der Berechnung zu sichern und zu steigern, werden im vorliegenden Übersichtsbeitrag erläutert. Es finden sich Beispiele zur Umsetzung dieser Stellhebel aus verschiedenen Berechnungsdisziplinen.

Michael Hilgers

Development of a hybrid powertrain for heavy duty trucks with electrified trailers in a consistent simulation environment

Die Hybridisierung von Nutzfahrzeug-Antriebssträngen bietet das Potenzial, sowohl den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen eines Fahrzeugs, als auch die Total Cost of Ownership (TCO) zu reduzieren. Ein Ansatz zur Hybridsierung des Antriebsstrangs zeigt das in diesem Beitrag vorgestellte Forschungsprojekt evTrailer, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wird. Kern des Konzepts ist die Elektrifizierung einer Achse eines Sattelaufliegers, wobei alle Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs (Elektromotoren, Traktionsbatterie, Leistungselektronik und Steuergeräte) an dem Trailer angebracht sind. Durch den Einsatz eines sensorisch beschichteten Zugsattelzapfens (Kingpin) entsteht mit dem evTrailer ein autarkes Hybrid-System, welches ohne Kommunikation zur konventionellen Zugmaschine betrieben werden kann. Durch entsprechende Dimensionierung der Antriebsstrangkomponenten und Optimierung der Betriebsstrategie kann mit dem System eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um mehr als 20 % erreicht werden, welche das Potenzial zur Verringerung des CO2-Ausstoßes von 20 Tonnen pro Jahr und Fahrzeug bietet. Der Entwicklungsprozess dieses Hybrid-Antriebsstrangs erfolgt in einer durchgängigen Simulationsumgebung: Die Dimensionierung der Antriebsstrangkomponenten findet in einer Rückwärtssimulation statt, die die Berechnung einer Vielzahl von Konfigurationen in relativ kurzer Zeit ermöglicht. Im nächsten Schritt wird die Hybrid-Betriebsstrategie in einem Vorwärtssimulationsmodell entwickelt. Dieses Modell wird auch für die weiteren Entwicklungsschritte verwendet, wie beispielsweise die Untersuchung der Einflüsse auf das Abgasnachbehandlungssystem am Engine-in-the-Loop (EiL) Prüfstand oder den Aufbau eines Demonstratorfahrzeugs. Diese durchgängige Simulationsumgebung ist Gegenstand dieses Beitrags.

Mikula Thiem, Christian von Pyschow, Christian Beidl

Multiphysics Simulation of Construction Equipment - Coupling Material, Machine and Power Source

Michael Burger, Conny Carlqvist, Torbjörn Ekevid, Stefan Steidel, Dietmar Weber

Physics-based virtual environments for autonomous earthmoving and mining machinery

Martin Servin, Michael Brandl

Articulated Hauler Load Simulations - Recent developments

Per-Olof Danielsson, Torbjörn Ekevid, Manoranjan Kumar, Tim Rothmann, Marcus Wilhelmsson

Simulation-based load data analysis for cables and hoses in vehicle assembling and operation

In this work, we present an efficient damage assessment for cables and hoses, based on forces and moments achieved by simulation. Depending on the particular application, especially the frequency range of the excitation, either a quasi-static or a dynamic simulation is utilized. In both cases, a geometrically non-linear beam model enables physically correct simulations even for large deformations. The simulated forces and moments serve as input for the comparative load data analysis. It comprises the recovery of local stress tensors on the cable surface, deduces local one-dimensional comparison stresses by applying the critical plane approach and computes local accumulated damage values. Due to the lack of individual Wöhler parameters for cables, it is only possible to calculate pseudo-damage values based on a generic Wöhler curve, which do not predict the actual cable lifetime until failure. However, it allows a fast comparison of many different configurations to find the best solution in the sense of damage.

Fabio Schneider, Joachim Linn


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