Digitalisierung in der Fahrzeugentwicklung

Digitalisierung in der Fahrzeugentwicklung

Die vernetzte und ressortĂŒbergreifende Zusammenarbeit in der Entwicklung macht natĂŒrlich auch vor der Digitalisierung nicht halt.

Hybride Entwicklungsumgebungen

Die vernetzte und ressortĂŒbergreifende Zusammenarbeit in der Entwicklung macht natĂŒrlich auch vor der Digitalisierung nicht halt. Im Gegenteil. Neuartige hybride Simulations- und PrĂŒfstandsmethoden werden entwickelt, Lieferantenprozesse in der Beschaffung unterstĂŒtzt und virtuelle Bauteile bereitgestellt – sowohl fĂŒr Prototypen als auch fĂŒr Serienfahrzeuge.

Ein gutes Beispiel fĂŒr hybride Simulationen sind bei Porsche die Matrix-Beam-LED-Scheinwerfer. Die Entwickler testen dabei reale Bauteile in einer virtuellen Umgebung: Die realitĂ€tsgetreue Fahrsituation mit entgegenkommendem Verkehr wird als virtuelles Kamerabild durch 3D-Computergrafik realitĂ€tsgetreu erstellt und anstelle des ursprĂŒnglichen Kamerabildes an das SteuergerĂ€t ĂŒbergeben. Das SteuergerĂ€t berechnet daraus die optimale Lichtverteilung und steuert schließlich die modellierten LEDs des Scheinwerfers an.

Die Matrix-Beam-LED-Scheinwerfer berechnen die optimale Lichtverteilung

Dadurch lĂ€sst sich virtuell die aktuelle Ausleuchtung der Umgebung visualisieren. „So wollen wir in Zukunft frĂŒhzeitig im Virtuellen Fahrerplatz komplexe FahrzeugfunktionalitĂ€ten erlebbar machen“, sagt Stefan Singer, Virtuelle Erprobung. Steffen Strebel, Test und Validierung, ergĂ€nzt: „Durch die hybride Herangehensweise können die im realen Straßenverkehr nur schwer reproduzierbaren Verkehrssituationen objektiv und reproduzierbar getestet werden.“

Auch die heraufziehende Ära der Elektrofahrzeuge bringt im hybriden Entwicklungsprozess viele Neuerungen. Etwa beim Thermomanagement, das dafĂŒr sorgt, dass sich die Temperatur von Hochleistungs-Akku und E-Antrieb zu jeder Zeit in einem definierten Fenster bewegen. So nutzt etwa der Taycan von den rechnerisch 15 Millionen Verschaltungsmöglichkeiten seines hydraulischen KĂŒhlkreislaufs etwa zweihundert – im sogenannten Strömungslabor in Weissach wird dies intensiv simuliert, indem reale Thermomanagementsysteme am PrĂŒfstand mit digitalen Prototypen sowie realen SteuergerĂ€ten vernetzt werden. Dies verkĂŒrzt auch hier die Entwicklungszeit bis zur Typisierung – und reduziert so die Zahl realer Prototypen.

Strömungslabor in Weissach, 2019, Porsche AG

Das Strömungslabor in Weissach

„Wenn wir parallel an vernetzten SystemprĂŒfstĂ€nden, dem sogenannten ThermoLab, arbeiten, beschleunigen wir den Entwicklungsprozess zusĂ€tzlich“, blickt Daniel Eichacker, Leiter Thermomanagement V-Motoren, in die nahe Zukunft. „Wenn wir dann Informationen wie beispielsweise die Temperatur zwischen Strömungslabor und KĂ€ltekreis/Klimatisierung austauschen, bedeutet das fĂŒr das thermische Gesamtfahrzeug-Modell einen echten Meilenstein.“

Datengetriebene Entwicklung

Wie Kunden ihre Fahrzeuge nutzen, ist eine der spannendsten Fragen fĂŒr die Entwicklungsabteilungen. Denn nach abgeschlossener positiver Erprobung auf den PrĂŒfstĂ€nden und Straßen gab es bisher keine systematische RĂŒckmeldung ĂŒber die Fahrzeuge und das Nutzungsverhalten der Kunden. Zumindest war es bisher nicht möglich, die tatsĂ€chlichen Belastungen in Kundenhand zu messen und diese Erkenntnisse direkt in die Entwicklung einfließen zu lassen. „Die Entwicklungen unserer Autos beruhten bislang teilweise auf einem Erfahrungsschatz, der ĂŒber Generationen hinweg angereichert wurde“, erklĂ€rt Alexander Haug, Leiter Betriebsfestigkeit Werkstofftechnik. „Mit dem Taycan und PDRM wird sich das zum ersten Mal komplett verĂ€ndern.“

Die vier Buchstaben PDRM stehen fĂŒr „Porsche Driving Reflection Module“. Eine Vielzahl an Sensoren und Informationen, die im Auto bereits verfĂŒgbar sind, werden kĂŒnftig dazu genutzt, die Beanspruchungen direkt im Fahrzeug zu analysieren – und machen den Entwicklern auf diese Weise sichtbar, wie die Kundennutzung tatsĂ€chlich ist. Die entsprechende Infrastruktur befindet sich bereits an Bord: leistungsstarke und online angebundene SteuergerĂ€te (OTA-FC). Rund 750 verschiedene KenngrĂ¶ĂŸen werden ausgelesen, weiterverarbeitet und in regelmĂ€ĂŸigen AbstĂ€nden aus dem Fahrzeug an den Porsche Data-Lake gesendet. Mit diesen Daten und AnsĂ€tzen aus Big-Data-Analytics soll es so in Zukunft gelingen, mehr darĂŒber zu erfahren, wie es um die tatsĂ€chliche Belastung bestellt ist.

Datengetriebene Entwicklung, 2019, Porsche AG

SteuergerÀte im Fahrzeug analysieren die Beanspruchungen

„Wie oft wird die Sport-Taste tatsĂ€chlich gedrĂŒckt? In welchem Fahrmodus wird mehrheitlich gefahren? Solche dank PDRM gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die weitere Verbesserung unserer Produkte“, sagt Alexander Haug, der auf eine möglichst hohe Teilnahmebereitschaft der Taycan-Kunden am PDRM-Projekt hofft. Denn selbstverstĂ€ndlich könne jeder Kunde selbst entscheiden, ob er zur Datenanalyse beitragen wolle oder nicht. Er muss dies sogar aktiv im Fahrzeug bestĂ€tigen. Zudem bleibe die AnonymitĂ€t der Kunden in jedem Fall gewĂ€hrleistet: „Selbst bei aktiviertem PDRM erfahren wir immer nur, dass sich ein Fahrzeug zum Beispiel im Stau befunden hat, aber nicht wo und wann.“

Das simulierte Wesen: Menschmodelle

„Crashtest-Dummys stoßen in einer Welt des automatisierten Fahrens an ihre Grenzen“, stellt Bastian Keding, Leiter CAE Insassenschutz, seinen schweigenden Kollegen ein ehrliches Zeugnis aus. „FĂŒr viele zukĂŒnftige Anforderungen – bei der Sicherheit, aber auch beim Komfort – bringen sie nicht mehr die nötigen Voraussetzungen mit.“ Weil fĂŒr viele Tests echte Menschen nicht infrage kommen, haben sich die Entwickler in der digitalen Welt umgesehen – und sind fĂŒndig geworden.

Bei Porsche werden zusĂ€tzlich zu den Crashtest- Dummys bereits sogenannte Menschmodelle eingesetzt; also Simulationen, die auf prĂ€zisem Datenmaterial basieren. Solche auch als THUMS (Total Human Model for Safety) bekannten Modelle sind sehr detailliert und stellen den menschlichen Körperaufbau und die menschliche Biomechanik dar – inklusive Skelettstruktur, Gelenke, BĂ€nder, Organe, Muskeln bis hin zum Gewebe. Damit unterscheiden sich THUMS-Menschmodelle grundlegend von Crashtest-Dummys, die entwickelt wurden, um mithilfe von Beschleunigungssensoren, Kraftmessdosen oder Wegmesssystemen die Belastungen auf einzelne Körperregionen zu bewerten. FĂŒr Front-, Seiten- und Heckcrashs werden dabei jeweils spezifische Dummys benötigt.

Total Human Model for Safety, 2019, Porsche AG

Menschenmodelle stellen den menschlichen Körperaufbau und die Biomechanik dar

Das Menschmodell dagegen versucht, die gesamte menschliche Anatomie exakt nachzubilden. Somit eignet sich das THUMS hervorragend fĂŒr sogenannte Kinematikstudien, die BewegungsablĂ€ufe sichtbar machen. Sie helfen beispielsweise, aktive Sicherheitssysteme wie den Notbremsassistenten zu bewerten. Aktuelle THUMS-Modelle erlauben die Auswertung von Verletzungsrisiken und eignen sich somit zur Bewertung von neuen Unfallszenarien im Bereich des autonomen Fahrens. „Die Menschmodelle werden mehr und mehr zum Werkzeug der Wahl bei der Erarbeitung, Bewertung und Argumentation kĂŒnftiger RĂŒckhaltesysteme“, erklĂ€rt Keding. „Sie halten auch zunehmend Einzug in Ratings und Gesetze.“ So treiben die amerikanische Gesetzgebung NHTSA und die europĂ€ische Gesellschaft fĂŒr Fahrzeugsicherheit Euro NCAP ihren Einsatz voran.

Auch wenn sich mit den detailgetreuen Simulationen mehr Vielfalt darstellen lĂ€sst als mit physischen Crashtest-Dummys, Ă€ndert das nichts an der Tatsache, dass jeder Mensch anders ist. Genau hier liegt wohl die grĂ¶ĂŸte Herausforderung: Die enorme Bandbreite der biologischen Eigenschaften kann nur mit viel Aufwand auf die Menschmodelle ĂŒbertragen werden. Denn jeder Mensch unterscheidet sich hinsichtlich seiner Beweglichkeit, seinem strukturellen Knochenaufbau und der daraus resultierenden Interaktion mit den RĂŒckhaltesystemen. „Wir beschĂ€ftigen uns seit 2013 mit Menschmodellen und treiben die Entwicklung stetig voran“, sagt Keding. „FĂŒr eine Weiterentwicklung werden spezifische Kompetenzen, die ĂŒber das klassische Ingenieurswissen hinausgehen, erforderlich sein – beispielsweise aus den Bereichen Biomechanik und Medizin.“

Virtuelle Werkzeuge im Design-Studio

Die Skizze mit Stift und Papier bleibt nach wie vor eines der wichtigsten Werkzeuge zur Ideenfindung im Automobildesign. Aber die steigende Zahl an interaktiven Displays im Fahrzeug – mit Ă€sthetisch ansprechenden Animationen und Grafiken – erfordert neuartige Tools. „DafĂŒr haben wir eine Reihe innovativer Software-Lösungen entwickelt“, erklĂ€rt Gantimur Meissner, Leiter User Experience Design Interieur. „Wir nutzen diese bereits erfolgreich in der Vorentwicklung und bei Serienprojekten.“ Mit der Xperience Engine hat sich das Team von Style Porsche ein Werkzeug erschaffen, mit dem komplette Nutzererlebnisse (User Experience oder kurz UX) einfacher als bisher simuliert werden können – und zwar auf jedem Computer und mobilen EndgerĂ€ten wie Smartphones oder Tablets.

Gerade im Interieur, wo heute auf mehreren Displays unterschiedliche Visualisierungen laufen, bietet das ganz neue Möglichkeiten bei der Konzeption von BedienoberflĂ€chen (User Interfaces oder kurz UI) und bei der UX. Designer können mit VR-Brillen schon sehr frĂŒh im Entwicklungsprozess die Designmodelle im dreidimensionalen Raum begutachten und nun auch die Bildschirminhalte und Bedienkonzepte virtuell evaluieren. Das Bild, das in der VR-Brille zu sehen ist, lĂ€sst sich jederzeit auch auf einen großen Bildschirm werfen. Dadurch werden PrĂ€sentationen besonders anschaulich und fĂŒr einen grĂ¶ĂŸeren Teilnehmerkreis in Echtzeit erlebbar. Die Illusion wird noch verfeinert, wenn physische Elemente hin – zukommen. Wird die VR-Brille zum Beispiel mit realen Bauteilen wie Fahrersitz, Lenkrad und Armauflage kombiniert, entsteht fĂŒr die Testperson ein beeindruckend realistischer Eindruck vom neu gestalteten Innenraum – und zwar zum Anfassen.

Design-Studio, 2019, Porsche AG

Durch die VR-Brille entsteht ein realistischer Eindruck vom neu gestalteten Innenraum

Die nĂ€chste Ausbaustufe im digitalisierten Designprozess, die sogenannte UX-Sitzkiste, bietet eine VerknĂŒpfung mit interaktiven Medien und damit maximalen Realismus und Erlebbarkeit. Die Bildschirme und berĂŒhrungsempfindlichen DisplayflĂ€chen im detailgetreuen Nachbau eines Cockpits können nach Belieben mit interaktiven Inhalten bespielt werden. Dabei greifen die Designer beispielsweise per Smartphone oder Tablet auf ihr neu angelegtes zentrales Grafik-Archiv zu, wo sĂ€mtliche Animationen und Piktogramme abgelegt sind. Verschiedene EntwĂŒrfe können so per Smartphone ausgewĂ€hlt, auf eines der Displays der UX-Sitzkiste ĂŒbertragen und so innerhalb von Sekunden nacheinander betrachtet werden.

„Die Xperience Engine bildet das Fundament fĂŒr unsere UX-Sitzkisten, verbindet sich nahtlos mit der Visualisierung und kann dadurch mit neuartigen digitalen PrĂ€sentationswerkzeugen wie den VR-Brillen dargestellt werden“, verrĂ€t Meissner. FachgebietsĂŒbergreifend ist hier ein System entstanden, welches die Prozesse der Visualisierung mit denen des UX-Designs verbindet. „Einen entscheidenden Vorteil der Digitalisierung sehen wir darin, unsere Produkte frĂŒher zu erleben, ganzheitlich zu gestalten und effizienter entwickeln zu können“, erklĂ€rt Viktor Weizel, Visualisierungsspezialist VR PrĂ€sentationen.

ĂŒbermittelt durch Porsche

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