Konzeption eines intelligenten Türscharniers mit Hilfe der Spezifikationstechnik CONSENS®
Die Smart Mechatronics GmbH ist ein innovativer Ingenieurdienstleister für Mechatronik, Elektronik und Embedded Software. Wir verstehen uns als Spin-Off Unternehmen des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn und der Fachhochschule Dortmund. Die enge Verbindung zu Wissenschaft und Forschung erlaubt es uns, aktuelle Forschungsergebnisse schnell in unsere Projekte einfließen zu lassen. Im Rahmen des hier beschriebenen Projekts wurde gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Regelungstechnik und Mechatronik von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Maas von der Hochschule Ostwestfalen-Lippe ein intelligentes Türscharnier für die Automobilindustrie entwickelt.
Türen von Kraftfahrzeugen sind gewöhnlich mit zwei Rastfunktionen ausgestattet, um diese in der geöffneten Position zu halten und so komfortables Ein- und Aussteigen zu ermöglichen. Gewöhnliche Rastfunktionen sind über profilierte Scheiben in den Türscharnieren oder über Federrasten realisiert. Sie besitzen meist nur eine oder zwei fest eingestellte Rastpositionen. In engen Parklücken (Bild 1), Garagen oder grundsätzlich vor Hindernissen muss deshalb der Bediener häufig die Tür während des gesamten Ein- oder Aussteigevorgangs halten, um eine Beschädigung durch eine Kollision mit einem Hindernis zu vermeiden.
- Bild 1: Typische Parksituation
Um diesem Nachteil zu begegnen, ermöglicht der bereits im Oberklasse-Segment eingesetzte Dorstop-Dämpfer eine variable Verrastung der Tür. Hierbei wird die Fahrzeugtür in einem beliebigen Öffnungswinkel gehalten. Diese Funktionalität wird durch einen hydraulischen Dämpfer mit zwei über Federn vorgespannten Schließventilen rein passiv realisiert [Poo03].
Optimierungspotential und Entwicklungsbedarf variabler Türrasten
Wird alternativ ein elektronisch steuerbarer Aktor eingesetzt, können neben der variablen Türraste weitere Funktionen realisiert werden, wie z.B.:
- eine Komfortöffnung, bei der nach Erkennen des Bedienerwunsches das auf die Tür einwirkende Aktormoment auf ein Minimum reduziert wird, um ein komfortables, dämpfungsfreies Bewegen der Tür zu ermöglichen.
- ein automatischer Kollisionsschutz, der die Tür rechtzeitig vor einem detektierten Hindernis abbremst, um eine drohende Kollision und eine damit einhergehende Beschädigung der Tür zu vermeiden,
- eine Ausstiegshilfe, die es durch ein Blockieren der Tür erlaubt, sich beim Aussteigen abzustützen.
Entwicklungsbedarf besteht demnach in der Konzeption und Realisierung eines intelligenten Türscharniers. Dieses soll in den von konventionellen Türrasten üblicherweise verwendeten Bauraum zwischen den Türscharnieren integriert werden.
Vorgehen im Projekt
Die Konzeption des intelligenten Türscharniers erfolgte unter Anwendung der Spezifikationstechnik für mechatronische Systeme CONSENS® (CONceptual Design Specification technique for the Engineering of complex Systems). Diese wird den unterschiedlichen Ansprüchen der beteiligten Domänen gerecht und ermöglicht eine vollständige Beschreibung des technischen Systems während der Produktkonzipierung [Fra06], [GFD+08]. In diesem Projekt diente sie vor allem dazu, dass die beteiligten Partner ein gemeinsames Verständnis des Entwicklungsziels erlangten und die Arbeiten während des Entwurfs und der Realisierung auf Basis der Produktkonzeption abgestimmt werden konnten. Im Folgenden sind die wesentlichen Resultate aus der Durchführung der Produktkonzeption wiedergegeben.
Umfeldanalyse und Anwendungsszenarien
Ausgangspunkt der Entwicklung war eine detaillierte Ermittlung der Anforderungen an das zu entwickelnde Produkt. Es wurden typische Umweltbedingungen und Einsatzsituationen beschrieben. In Bild 2 ist das erstellte Umfeldmodell abgebildet, das zunächst die Entwicklungsaufgabe als Black-Box in den Kern der Betrachtung stellt. Neben der Umfeldanalyse wurden auch die wesentlichen Betriebszustände in Form von Anwendungsszenarien beschrieben. Folgende Fälle wurden hierbei unterschieden:
- Öffnen der Tür von außen zum Einsteigen
- Schließen der Tür von innen nach dem Einsteigen
- Öffnen der Tür vom Innenraum zum Aussteigen
- Schließen der Tür von außen nach dem Aussteigen
- Selbstständiges Blockieren der Tür bei überwachtem Rückraum
Bei allen Anwendungsszenarien wurde insbesondere das Aufbringen und Lösen des Haltemoments beschrieben, das Verhalten bei Detektion von Hindernissen skizziert und Komfortfunktionen, wie das Benutzen der Tür als Ausstiegshilfe, detailliert dargestellt.
- Bild 2: Modelliertes Umfeld des intelligenten Türscharniers für Kraftfahrzeuge
Aus der Analyse des Umfeldmodells und der Anwendungsszenarien ergaben sich typische Einflussgrößen und Randbedingungen, die bei der Entwicklung des zukünftigen Produkts zu berücksichtigen sind. Als Ergebnis dieser Phase lag eine umfassende Anforderungsliste vor.
Anforderungsanalyse und Definition der Funktionalität
Aus der Analyse der Anforderungen wurden die Funktionen des intelligenten Türscharniers abgeleitet (vgl. auch [MK07], [WKM08], [WM10]):
- Eine variable, elektronische Rastfunktion, die in jeder Position wirkt und nicht nur durch Überdrücken des Rastmomentes, sondern auch durch Aktivieren von bereits vorhandenen Sensoren am Innen- und Außengriff der Tür kraftfrei gelöst werden kann. Die bestehende Funktionalität des Dorstop-Dämpfers wird so um eine elektronische Komfortöffnung erweitert, die ein nahezu ungedämpftes und somit sehr komfortables Bewegen der Tür ermöglicht.
- Eine Kollisionsschutzfunktion, mit der die Tür vor Erreichen der Schließposition, des Endanschlages und insbesondere vor einem detektierten Hindernis abbremst. Somit wird eine Beschädigung der Tür durch Kollision mit Hindernissen vermieden und gleichzeitig der größtmögliche Öffnungswinkel eingestellt.
- Ein virtueller Anschlag, der das weitere Bewegen der Tür in die Richtung eines erkannten Hindernisses durch Blockieren verhindert. Dem Benutzer wird so die drohende Kollision mit dem Hindernis haptisch suggeriert.
- Eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit begrenzt, um starke Beschleunigungen und Kräfte beim Erreichen der Endanschläge zu vermeiden. Die Belastungen der im Türbereich verbauten Komponenten werden hierdurch erheblich verringert, was zur Kostenreduzierung für den OEM beiträgt und somit die Attraktivität der Innovation steigert.
- Eine Ausstiegshilfe, die es erlaubt, die Tür durch manuelles Aktivieren in jeder beliebigen Öffnungsposition zu blockieren. So kann sich der Fahrgast beim Ein- und Aussteigen an der Tür festhalten und abstützen, was auch im Hinblick auf die alternde Gesellschaft gesehen werden muss.
Wirkstruktur des Systems als Ergebnis der Konzeption
In mehreren Workshops wurde mit allen beteiligten Partnern das zu entwickelnde Gesamtsystem modelliert. Als Ergebnis lag eine domänenübergreifende Beschreibung der Prinziplösung vor, die den Ausgangspunkt für den Entwurf und die Realisierung darstellte. Bild 3 gibt eine vereinfachte Wirkstruktur des Systems wieder.
- Bild 3: Wirkstruktur des intelligenten Türscharniers
Fazit
Als Entwicklungsergebnis liegt heute ein intelligentes Türscharnier vor, das neben einer variablen Rastfunktion einen erheblich erweiterten Funktionsumfang aufweist. Die Aktor-Getriebe Komponente erfüllt zum einen die Bauraumvorgaben und zum anderen auch die Kostenstruktur bei einer Serienherstellung für ein Oberklassefahrzeug. Für einen Serieneinsatz wäre das Steuergerät hinsichtlich seiner Abmessung zu optimieren oder aber der Software-Code zur Regelung auf einem zentralen Steuergerät zu implementieren.
Im Zuge des Entwurfs erwies sich die vorgestellte Methodik CONSENS® als ausgezeichnetes Mittel zur Kommunikation zwischen den beteiligten Entwicklungsdomänen und Partnern sowie als geeignete Basis für den gemeinsamen Entwurfsprozess. Schon zu Beginn des Projekts konnten fachgebietsübergreifende Zusammenhänge und Verantwortlichkeiten geklärt werden. Darüber hinaus konnten nachträgliche, kostenintensive Änderungen vermieden werden.
Literatur
| [Fra06] | FRANK, U.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe, Band 175, Paderborn, 2006 |
| [GFD+08] | GAUSEMEIER, J.; FRANK, U.; DONOTH, J.; KAHL, S.: Spezifikationstechnik zur Beschreibung der Prinziplösung selbstoptimierender Systeme des Maschinenbaus. In: Konstruktion, Ausgabe September 9-2008 |
| [MK07] | MAAS, J.; KERN, S.: Mechatronic Vehicle Door Assistant. IEEE/ASME International Confe-rence on Advanced Intelligent Mechatronics, Zürich (CH), Nr. 285, September 2007, S. 4-7 |
| [Poo03] | POOSCHEN, H.: Stufenlos blockierbare Verstellvorrichtung. Patentschrift, DE 103 00 454 B4, 2003, Patentinhaber: Stabilus GmbH |
| [WKM08] | WIEHE, A.; KERN, S.; MAAS, J.: Rotatorischer MRF-Aktor für einen Türassistenten. In: at - Automatisierungstechnik 56 (2008) 3, Oldenbourg-Wissenschaftsverlag, 2008, S. 155-164 |
| [WM10] | WIEHE, A.; MAAS, J.: Rotary MR Actuators with Currentless Bias Torque for Automotive Applications. In: Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 8 November 2010 |
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