Herr Professor Lemmen, vor Ihrer jetzigen Hochschultätigkeit waren Sie bei Ford in Köln in der Entwicklung einer ganzen Reihe von Lenksystemen tätig. Welche waren das konkret? 

Besonders hervorzuheben ist da beispielsweise die erste elektromechanische Lenkung für Ford in Europa, für die ich beim Ford Fiesta Modell B299 zuständig war, ein sogenanntes Column-EPAS, eine elektrische Servolenkung im Fahrzeuginnenraum an der Lenksäule, und auch das sogenannte Belt-Drive-EPAS, eine elektromechanische Lenkung im Motorraum mit einem Kugelumlaufgetriebe. Außerdem war ich noch bei den ersten Entwicklungen der Vorserienphase für den Ford Mondeo bzw. Ford Edge beteiligt.  

Was sind, nach Ihrer langjährigen Erfahrung bei der Lenkungsoptimierung, die wichtigsten Eigenschaften einer elektrisch unterstützten Lenkung?

Im Idealfall sollte der Fahrer gar nicht bemerken, dass es sich um eine elektromechanische Lenkung handelt. Wegen ihrer besonderen Eigenschaften, unter anderem hinsichtlich Reibung, Massenträgheit und Dämpfungsverhalten, ist es aber eine große Herausforderung, dies durch die Regelung des Lenkungsaktors zu erreichen. Übrigens war vor Jahren die Reduzierung des Energiebedarfs die ursprüngliche Motivation für die Entwicklung dieser Art von Lenkung. Das damit einhergehende schlechtere Lenkgefühl war eine Herausforderung, die es zu bewältigen galt. Darüber hinaus wurde auch der Zugriff auf eine Lenkmomentschnittstelle entwickelt, die für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge entscheidend ist. Diese Systeme sind auch Grundlage vieler jetziger Steer-by-Wire-Systeme.  

 

Welche Hauptaspekte gilt es bei autonomen Fahrzeugen für eine zuverlässige Lenkung zu berücksichtigen?

Da fallen mir mehrere Punkte ein. Unter anderem das notwendigerweise größere Drehmoment des EPS-Motors, weil der Fahrer nicht mehr ständig das Lenkrad betätigt. Weitere Stichworte in dem Zusammenhang sind eine wechselnde Streckendynamik, Eigenfrequenzen und Dämpfung der Lenkung sowie im Falle einer Steer-by-Wire-Lenkung die Kommunikationslatenz zwischen dem eigentlichen Lenkungsaktor und dem Aktor für das Fahrerfeedback.

Die Stichpunkte, die Sie gerade erwähnt haben, lassen eine Menge neuer Herausforderungen erahnen. Können Sie das an einem Beispiel verdeutlichen?

Bereits vor 15 Jahren haben wir in einem gemeinsamen Paper mit ZF – damals TRW – darauf hingewiesen, dass bei der Abstimmung der Lenkung für einen sogenannten Tune, also der Abstimmung einer Fahrzeugvariante je nach Weltregion, ca. 2500 Parameter zu berücksichtigen sind. Diese Parameter werden zu einem sehr hohen Anteil manuell bzw. empirisch von Entwicklungsingenieuren aus unterschiedlichsten Abteilungen mit zum Teil unterschiedlichen Software-Ständen zusammengetragen. Die Parameter müssen zusammengeführt, plausibilisiert, von Fehlern bereinigt und getestet werden, was nur reproduzierbar im Labor machbar ist. Und ein Ende des Komplexitätswachstums ist nicht absehbar, wenn man an Dinge denkt wie beispielsweise car2x-Kommunikation.

Wie kann ein Tool-Anbieter wie dSPACE dabei helfen?

dSPACE bietet für alle Arbeitsschritte die passenden Tools, um die extrem hohen Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Verfügbarkeit und Absicherung zu erfüllen. Unter anderem kam beim Funktionsprototyping bei uns die dSPACE MicroAutoBox zum Einsatz, die Seriencode-Generierung geschah modellbasiert mit Hilfe von dSPACE TargetLink, und die für Lenkungen notwendige ASIL-D-Absicherung haben wir mit HIL-Systemen von dSPACE realisiert. Auf diese Weise reduzieren sich zum Beispiel Vorbereitungszeiten sowie Anzahl und Durchführungsdauer realer Fahrversuche auf ein Minimum.

Was waren die entscheidenden Faktoren für die Anschaffung des dSPACE Lenkungsprüfstands?

Weil der Reproduzierbarkeit von realen Fahrversuchen Grenzen gesetzt sind, der Subjektiveindruck im Fahrzeug jedoch unverzichtbar ist, suchte ich einen Lenkungssystemprüfstand für die HIL-basierte Absicherung mit realen Kräften und Drehmomenten. Konkret ging es darum, sowohl statische Belastungen bis zu 20 kN zu generieren, als auch hochdynamisch Lasten im geschlossenen Regelkreis auch bis über 35 Hz abzubilden. Dies ermöglicht dann Untersuchungen dynamischer Schwingungseffekte einer Servolenkung und eine Subjektivbeurteilung der Lenkung auf dem Prüfstand durch Probanden. Außerdem sollten die Aktoren aus Gründen der Wartbarkeit, der Energiebilanz und aus Laborinfrastrukturgründen möglichst elektrisch und nicht hydraulisch sein. Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist der offene Quellcode der Prüfstand-Software und der mit MATLAB®/Simulink® implementierten dSPACE Simulationsmodelle (Automotive Simulation Models, ASM). Diese Offenheit eröffnet die Möglichkeit für flexible Anpassungen durch den Anwender. Alles in allem sind dies sehr hohe Anforderungen, die der dSPACE Prüfstand jedoch alle erfüllt. 
 

Für welche Anwendungsfälle nutzen Sie den Prüfstand?

Meistens für Forschungs- und Lehrzwecke, manchmal aber auch für Messungen für die Industrie. Im Augenblick fokussieren wir uns auf eine mögliche automatisierte Fehlererkennung von Prüflingen, zum Beispiel durch eine fehlerhafte Montage, bei der Durchführung von Standardmessungen. Aber auch Parameterbestimmungen von Lenkungsmodellen und Ordnungsanalysen sind für uns von Interesse.

Inwieweit kann der Prüfstand Fahrversuche ersetzen? 

In hohem Maße. Generell ist es möglich, synthetische Signale zu generieren, Messsignale einzubinden oder ein mit den Automotive Simulation Models (ASM) von dSPACE simuliertes Fahrzeug in Echtzeit zu verwenden und mit einer Zykluszeit von 125 ms, zum Beispiel die Spurstangenaktoren entsprechend der simulierten Spurstangenkräfte, zu steuern. Natürlich hängt die Qualität des HIL-Tests von der Qualität des Fahrzeugmodells ab.

Eine weitere Besonderheit ist ein von dSPACE speziell für diesen Prüfstand entwickelter Linearmotor. Welche Untersuchungen werden damit möglich?

Dieser Aktor eröffnet einmalige Möglichkeiten. Denn dank seiner reduzierten Leistung erlaubt er subjektive haptische Untersuchungen der Lenkung durch Probanden, also in einem Human-in-the-Loop-Szenario. Dafür ersetzen wir den Lenkradaktor durch ein Lenkrad, so dass dann ein Proband die Lenkbewegung selbst durchführen und bewerten kann. Die Reduzierung der Lasten erlaubt auch den Einbau einer präzisen Drehmoment- bzw. Kraftsensorik, die ansonsten zerstört werden könnte. 
Von Vorteil ist auch die veränderte Dynamik der Regelung des Prüfstands und seiner Aktorik. Wenn man die Ergebnisse von Versuchen vergleicht, die zuerst mit dem kleinen Aktor mit geringer Massenträgheit und danach mit den großen Aktoren mit großer Massenträgheit durchgeführt wurden, so lässt sich deutlich zwischen der Dynamik des Prüflings und der des Prüfstands unterscheiden. 

Wo sehen Sie in Zukunft weitere Einsatzmöglichkeiten für solche hochdynamischen Prüfstände? 

Auch im Lkw gehen die heutigen Entwicklungen im Lenkungskontext zu teil- und vollelektrischen Lenksystemen. Ich kann mir vorstellen, dass sich hier ähnliche oder sogar noch komplexere Fragestellungen ergeben werden, da der Automatisierungsgrad im Lkw höher ist als im heutigen Pkw. dSPACE hat hier ein Portfolio, mit dem sich sowohl die Komponenten als auch die Vernetzung mit anderen Steuergeräten testen lässt. In diesem Fall ist das Thema aber nicht auf die Straße beschränkt, sondern wird sicherlich auch Bau- und Landmaschinen betreffen. 

Vielen Dank für das Interview.