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Anspruchsvoller Weg fürs Fahrwerk

Tags: Autonomes Fahren
Für die autonome Mobilität von morgen ist die intelligente Vernetzung unterschiedlicher Fahrwerkssysteme ein Muss. cubiX von ZF beherrscht sie.
Stefan Schrahe, 17. Mai 2018
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Stefan Schrahe schreibt seit drei Jahrzehnten über alles, was vier Räder hat. Privat bewegt er sich gerne auf Zweirädern – auch da am liebsten motorisiert.
Hand aufs Herz: Wer von uns, die wir uns selbst für gute Autofahrer halten, ist gerne Beifahrer? Wem gelingt es, die Augen zu schließen oder sich in ein Buch zu vertiefen, wenn jemand anderes das Steuer übernimmt? Laut einer Umfrage des Marktforschungsinstituts Innofact haben sich 77 Prozent aller Deutschen schon mal als Mitfahrer unwohl gefühlt. Aber auch umgekehrt wird ein Schuh draus: 47 Prozent der Autofahrer empfinden nörgelnde und besserwissende Beifahrer nach Angabe des amerikanischen Versicherungsportals „Insurance“ als nervige Plage.

Beifahrer sein? Gar nicht so einfach!

In autonomen Fahrzeugen werden wir uns jedoch mit der Rolle des Beifahrers arrangieren müssen. Dabei erleben wir einen Kontrollverlust, der psychologisch eine ziemliche Herausforderung darstellt. Der Neurobiologe und Bestseller-Autor Dr. Marcus Täuber beschreibt das so: „Haben wir die Einschätzung, keine Kontrolle über eine Situation zu haben, reagiert unser Körper mit Stressprogrammen. Aus Sicht der Hirnforschung stellt der Verlust von Einflussmöglichkeit einen Notfall dar.“ Die Anforderung an die autonomen Regelsysteme ist daher klar: Sie müssen mit funktionaler Perfektion auch skeptische Passagiere davon überzeugen, loslassen zu können und sich einem digitalen und mechatronischem System anzuvertrauen.
Die Hersteller versuchen Vertrauen aufzubauen, indem sie Autofahrer schrittweise ans autonome Fahren heranführen. Dies funktioniert bereits über die Zwischenstationen der umfangreichen Assistenzsysteme und teilautomatisierte Funktionen. Dabei sieht Dr. Caspar Lovell, Projektleiter bei ZF, aktuell einen Paradigmenwechsel: „Bis vor kurzem ist man davon ausgegangen, dass sich das autonome Fahren, wie andere Funktionen auch, vom Luxus-Segment in die unteren Fahrzeugsegmente ausbreitet. Inzwischen gehen wir aber davon aus, dass wir die ersten fahrerlosen Fahrzeuge in völlig neuen Mobilitätskonzepten sehen, die zunächst mit niedrigen Geschwindigkeiten im innerstädtischen Verkehr unterwegs sein werden.“ Irgendwann werden wir also vor einem selbstfahrenden Robotaxi oder People-Mover stehen und müssen uns entscheiden: Steigen wir ein oder nicht?
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Für die Akzeptanz autonomer Fahrzeuge ist das Vertrauen der Nutzer in Funktion und Sicherheit unabdingbar.

Vernetzte Funktionen für das autonome Fahren

Um das Fahrerlebnis in autonomen Fahrzeugen angenehm zu gestalten, müssen vor allem Längs- und Querdynamik eines Fahrzeugs möglichst gut koordiniert sein. Das kennen wir auch als konventionelle Beifahrer: Ruckartige, überraschende Lenk-, Brems- oder Beschleunigungsvorgänge untergraben unser Vertrauen in die Fähigkeiten des Chauffeurs. Hier kommt cubiX von ZF ins Spiel – eine neue Software, die zahlreiche Chassis-Systeme integriert und für ein harmonisches Fahrerlebnis sorgt. Lovell: „Unser Ziel ist es, alle aktiven und semiaktiven Aktuatoren im Auto, die das Fahrerlebnis und die Fahrsicherheit eines Beifahrers beeinflussen, zentral zu steuern – Lenkung, Dämpfer, Bremse und Antrieb.“ Heute verfügt jedes Fahrzeug über eine große Anzahl von Sensoren und Steuergeräten für die einzelnen Aktuatoren, die ein extrem aufwendiges Netzwerk an Informationen bilden und einzeln miteinander kommunizieren müssen. cubiX bringt dies alles in einen modularen und skalierbaren Regelmechanismus für die Längs-, Quer- und Vertikaldynamik. Ziel ist, das Fahren für die Passagiere so angenehm wie möglich zu machen. Dabei kommt den Entwicklern zugute, dass ZF Technologien für das autonome Fahren entwickelt und mit seinen Komponenten alle fahrdynamischen Bereiche abdeckt. cubiX koordiniert als zentrale Kommunikationsschnittstelle zwischen den ADAS-Funktionen (Advanced Driver Assistance Systems) und den Aktuatoren. So können alle Komponenten angesteuert werden, die für Längs- und Querdynamik zuständig sind: die elektrische Servolenkung (EPS), das elektronische Bremssystem (IBC), die Hinterachslenkung ( AKC ) und das in die modulare Hinterachse ( mSTARS ) integrierte elektrische Antriebssystem (EVD). Sind elektronisch geregelte Dämpfer verbaut, ist sogar eine Steuerung der Vertikaldynamik möglich.
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Das elektronische Bremssystem ist eine wichtige Voraussetzung für die zentrale Steuerung der Längsdynamik.

Trajektorien als Berechnungsgrundlage

Für die Bewegung des Fahrzeuges sind Trajektorien – sogenannte Bahnkurven und Geschwindigkeiten – erforderlich, die cubiX vom ADAS zur Verfügung gestellt werden, um die Aktuatoren gewählt anzusteuern. Das Besondere daran: Weil die Koordinationsschicht die aktuellen Leistungsfähigkeiten der Aktuatoren sowie die Umweltbedingungen berücksichtigt, weiß sie auch, ob die Trajektorie wie geplant umgesetzt werden kann oder korrigiert werden muss – etwa wenn Schnee auf der Straße liegt und Krümmung oder Geschwindigkeit angepasst werden müssen. Diese Information wird umgehend an die Trajektorienplanung zurückgemeldet, wodurch sich cubiX auf µ-split-Situationen mit unterschiedlichen Reibwerten an den rechten und linken Reifen einstellen und Lenk- wie Bremskräfte entsprechend verteilen kann.
77 Prozent
aller Deutschen
haben sich als Mitfahrer schon mal unwohl gefühlt
Wir wollen alle aktiven und semiaktiven Aktuatoren im Auto, die das Fahrerlebnis und die Fahrsicherheit eines Beifahrers beeinflussen, zentral steuern – Lenkung, Dämpfer, Bremse und Antrieb.
— Dr. Caspar Lovell, Projektleiter bei ZF

Systemintegration reduziert Komponenten

Systemintegration reduziert Komponenten

Die Systemintegration bietet noch einen weiteren Vorteil: Sie kann die Forderung nach Redundanz sicherheitsrelevanter Systeme dank intelligenter Aufgabenverteilung einfacher erfüllen. So ist die mSTARS-Achse bei einem Ausfall der Bremse in der Lage, über ihre Generatorfunktion sicher zu verzögern. Würde die EPS ausfallen, könnte dies mit Hilfe der AKC® oder des Torque-Vectorings gezielt kompensiert werden, um das Fahrzeug im Notfall sicher an den Straßenrand zu lenken.

Vernetzte Systeme verwandeln den Autofahrer von heute in wenigen Jahren in einen relaxten Passagier.

Mit Hightech gegen Schlaglöcher

Mit Hightech gegen Schlaglöcher

Für die Akzeptanz autonomer Fahrzeuge sind nach Überzeugung von Lovell vor allem eine harmonische Längs- und Querdynamik wichtig. Je dynamischer Fahrzeuge unterwegs sind, desto wichtiger wird die Einbindung der vertikalen Dynamik. „Wenn man nicht selbst am Steuer sitzt, erhöht jedes spürbare Schlagloch, jede unerwartete Bodenwelle die Skepsis gegenüber dem Autopiloten“, erklärt Lovell. „Um es gar nicht erst zu diesen negativen Erlebnissen kommen zu lassen, binden wir innovative Fahrwerkssysteme in cubiX ein.“ So kann das neue aktive Dämpfungssystem sMOTION – eine Weiterentwicklung der ZF Continuous Damping Control (CDC) – aktiv gegen Fahrbahnunebenheiten wie Schlaglöcher oder Bodenwellen wirken und Wank-, Nick- und Hubbewegungen des Fahrzeugaufbaus nahezu vollständig eliminieren.
Vernetzte Systeme ermöglichen dem Autofahrer von heute, sich binnen weniger Jahre zum relaxten Passagier zu verwandeln, der seine Zeit im Auto beruflich nutzt oder privaten Zerstreuungen nachgeht. Das gelingt jedoch nur, wenn sich auf dem Weg zu immer mehr automatisierten Funktionen Schrecksekunden und negative Überraschungen vermeiden lassen.
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Die elektrische Lenkung setzt Befehle der neuen Software in Querdynamik um.

Einbindung und Vernetzung aktiver Fahrdynamiksysteme

Einbindung und Vernetzung aktiver Fahrdynamiksysteme

Die Vernetzung aktiver Fahrdynamiksysteme mit cubiX kann die physikalischen Grenzen sportlicher Fahrzeuge noch weiter ausreizen. Beispiele dafür sind Funktionen wie Torque Vectoring oder die aktive Wankstabilisierung Electromechanical Roll Control (ERC). Die ERC eliminiert unerwünschte Bewegungen vom Fahrwerk, die sonst bei dynamischer Kurvenfahrt oder Fahrbahnunebenheiten an den Fahrzeugaufbau weitergegeben würden. Dabei gleicht ein an der Achse installierter 48-Volt-Elektromotor die Wankbewegungen mit einem Drehmoment von bis zu 1.400 Newtonmetern innerhalb von 300 Millisekunden aus. Das Ergebnis: mehr Stabilität in Kurven. In Kombination mit der aktiven Hinterachskinematik (AKC) sind weitere Anwendungen möglich, die Sicherheit, Performance und Komfort von konventionellen Fahrzeugen auf eine neue Stufe stellen können.
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Die Vernetzung aktiver Fahrdynamiksysteme optimiert die Fahreigenschaften sportlicher Fahrzeuge.
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Vernetzte Funktionen

Der Weg zum Namen

Der Weg zum Namen

Ein besonderes Produkt braucht einen besonderen Namen. Insbesondere, wenn das Produkt aus der Division C Pkw-Fahrwerktechnik kommt und keine Hardware, sondern Software ist. Interdivisional wird es gemeinsam mit der Division A und dem zentralen Entwicklungsbereich entwickelt. Was ist es aber genau?
Eine spezielle Software-Architektur, die fortschrittliche Systeme eines Fahrzeuges verknüpft, z.B. die elektrische Servolenkung (EPS) an der Vorderachse, die aktive Hinterachslenkung Active Kinematics Control (AKC®), die aktive Dämpfung sMOTION, den Antriebsstrang (EVD) sowie das integrierte Bremssystem (IBC). Die Entwicklung dieser Software nach Object-Oriented-Design-Prinzipien ermöglicht eine abstrakte und skalierbare Schnittstelle zu den Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) und den Aktuatoren des modernen Fahrzeugs ähnlich dem aus der PC-Welt bekannten Plug-and-Play-Prinzip. Durch die optimale Vernetzung der einzelnen Aktuatoren liefert die Software einen wesentlichen Beitrag zum hochautomatisierten Fahren und steigert die Fahrsicherheit, den Fahrkomfort sowie die Fahrdynamik.
Der Weg zu einem adäquaten Namen der Software-Architektur war nicht ganz einfach. Dennoch ergab sich aus einzelnen englischen Begriffen, die die Komplexität der Software beschreiben, doch ein logischer: Chassis Control Coordinator C³ –> „cubic“ oder auch „cube“ als Symbol für Modularität und Skalierbarkeit –> X für eine beliebige Anzahl an Schnittstellen zu mechatronischen Aktuatoren (mechatroniX) –> cubiX.

In Kürze: Mit der neuen Vernetzungs-Software cubiX gelingt es ZF, fahrdynamische Systeme autonomer Fahrzeuge in einem zentralen Regelmechanismus zu integrieren. Die daraus entstehende harmonische Längs- und Quersteuerung schafft bei den Passagieren Vertrauen in die Sicherheit und Zuverlässigkeit – eine wichtige Voraussetzung für die Akzeptanz selbstfahrender Autos. Aber auch konventionelle Fahrzeuge können durch die intelligente Vernetzung von Assistenzsystemen von cubiX profitieren – durch ein Plus an Fahrsicherheit und –dynamik.