Internationales Verkehrswesen (71) 3 | 2019 75 Wissenschaft TECHNOLOGIE Szenariobasierte Fahrzeugkonzeptauslegung Entwicklung einer neuen rechnergestützten Vorgehensweise zur Auslegung von Fahrzeugkonzepten Fahrzeugbau, Fahrzeugkonzept, Fahrzeugkonzeptauslegung, Vorgehensmodell, Szenario Divergierende Märkte, disruptive Entwicklungen und strikte Gesetzgebung beeinflussen die Automobilindustrie und fordern neue Entwicklungsansätze. Auf dieser Grundlage basiert das hier entworfene Vorgehensmodell zur Auslegung von Fahrzeugkonzepten, das Szenariotechnik mit parametrischer Konzeptauslegung kombiniert. Hierfür wird eine neue Vorgehensweise aufgestellt und in einem Softwaretool umgesetzt. Das Ergebnis ist eine transparente Methode zur Auslegung neuer Fahrzeugkonzepte, die darüber hinaus als Ansatz für verschiedene Studien und Flottenbetrachtung verwendet werden kann. Julian F. Sandiano, Thomas Gänsicke, Thomas Vietor D ie klassische Entwicklung heutiger Fahrzeugkonzepte basiert auf jahrelange Erfahrungswerten und Heuristiken. Dieses, über die Jahre bewährte und stets weiterentwickelte Vorgehen, stellt sich jedoch aktuell neuen Herausforderungen. Von starken Reglementierungen, divergierenden Kundenanforderungen und Bedürfnissen bis hin zu einer ständig beschleunigenden Entwicklung peripherer Technologien ist die Anzahl an Beeinflussungen und Restriktionen in der Fahrzeugentwicklung ständig gestiegen. Darüber hinaus müssen Fahrzeuge in Zukunft einer immer strenger werdenden Gesetzgebung genügen und neue infrastrukturelle Veränderungen meistern. Alle diese Aspekte sind dabei nur ein Auszug aus der Vielzahl an künftigen Herausforderungen (Bild 1), die zu einer exponentiellen Komplexität von Fahrzeugen führen. So ist die Frage berechtigt, ob die etablierten Vorgehensweisen der Fahrzeugentwicklung nach wie vor zukunfts- und wettbewerbsfähig sind. Um dieses Ziel dennoch erreichen zu können, sind neue Entwicklungsmethoden notwendig. Ziel ist die Entwicklung eines neuen Vorgehensmodells basierend auf grundlegenden, methodisch hergeleiteten Zukunftsszenarien zur frühzeitigen zielgerichteten Auslegung von Fahrzeugkonzepten. Dabei sollen eine bessere Nachvollziehbarkeit und ein schnellerer Ablauf sichergestellt sowie genügend Freiräume und Erweiterungsmöglichkeiten ermöglicht werden. Auf diese Weise sollen zukünftige Anforderungen frühzeitig erkannt und bereits in der frühen Phase der Konzeptauslegung berücksichtigt werden. Betrachtung der aktuellen Fahrzeugentwicklung Der Drang nach einer Beschleunigung der frühen Konzeptentwicklung und der methodisch und rechnergestützten Auslegung von Fahrzeugkonzepten ist seit den 90er Jahren spürbar [1]. Dieser Trend nimmt mit der zunehmenden Komplexität von Fahrzeugen insbesondere in Verbindung mit neuen Antriebssystemen und elektronischen Systemen deutlich zu. Bestehende Untersuchungen, die sich mit der Entwicklung von Vorgehensweisen und Tools für die frühe Konzeptphase beschäftigen, basieren hauptsächlich auf vorgegebene Maßkonzepte oder sind stark vorgabengetrieben [2, 3]. Dabei ist hervorzuheben, dass Maßkonzepte bereits Produkte langer und aufwendiger Wertschöpfungsketten sind. Die Maßkonzepterstellung und die dafür klassische Weise benötigten Schritte werden in verschiedenen wissenschaftlichen Abhandlungen ebenfalls analysiert. Das Ergebnis sind zweidimensionale Darstellungen, die für eine weiterführende Verwendung in der Konzeptentwicklung weitere Bearbeitungen benötigen. [4] Aus diesem Stand wird der Bedarf zur Weiterentwicklung solcher Vorgehensmodelle ersichtlich. Das Ziel ist die schnellere und zukunftsbildbasierte Maßkonzepterstellung, um darauf aufbauend eine direkte Gesamtkonzeptbeschreibung ermöglichen zu können. Dabei ist eine hohe und konkrete Aussagekraft in der sehr frühen Phase der Konzepterstellung zu realisieren. Durch eine Anlehnung an die entsprechenden Normen, wie DIN 70020 und SAE J1100, wird das Vorgehensmodell industrienah gestaltet. Methodischer Ansatz Unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen ist ein Vorgehensmodell zu entwickeln, das die Konzipierung von Fahrzeugkonzepten unter der Einfluss- PEER REVIEW - BEGUTACHTET Eingereicht: 13.08.2018 Endfassung: 08.04.2019 Internationales Verkehrswesen (71) 3 | 2019 76 TECHNOLOGIE Wissenschaft nahme in Zukunft auftretender Randbedingungen ermöglicht. Um diese Randbedingungen in die Fahrzeugentwicklung einbinden zu können, müssen diese zunächst methodisch abgeleitet werden. An dieser Stelle kommt der erste Abschnitt der erstellten Vorgehensweise zum Tragen. Dieser Abschnitt umfasst die Erstellung von Szenarien, um daraus entsprechende Eigenschaften und Randbedingungen zukünftiger Fahrzeuge methodisch und nachvollziehbar ableiten zu können. Zur Realisierung wird das generelle Vorgehen der Szenarioerstellung herangezogen [5], in jedoch leicht abgewandelter Form. Dieser Aufbau wird durch die Auswahl geeigneter Untersuchungsfelder zu einem automobilspezifischen Anwendungsfall umstrukturiert, um auf diese Weise automobilspezifische Zukunftsbilder zu erstellen. Dafür erfolgt zunächst die klassische Eingrenzung des zu untersuchenden Szenariofeldes. Dieses wird durch die Auswahl von in der Bearbeitung omnipräsenter Einschränkungen, wie beispielsweise der zeitliche und geographische Horizont sowie thematischen Eingrenzungen beschrieben [5]. Ist das Szenariofeld definiert, werden alle relevanten automobilspezifischen Informationen herangezogen und gebündelt. Diese Bündelung ermöglicht die Charakterisierung der so gewonnen Informationsgruppen, wodurch geeignete Extrapolationsmethoden ausgewählt werden können. Auf diese Weise werden Deskriptoren definiert, deren weitere Entwicklungen die Bildung der Zukunftsbilder realisieren. Diese werden drauf aufbauend hinsichtlich des Nutzungsumfeldes, der Nutzungsbedingungen sowie der Kundenanforderungen untersucht und bewertet, woraus ein normierter Übertrag für die Maßkettenkonzeption resultiert. Beispielsweise können die Fahrzeugnutzung und die entsprechende Verkehrssituation in dem erstellten Szenario evaluiert werden. Mithilfe dieser Evaluation wird ein Übertrag für die Erfüllung von Ergonomie- oder Komfortansprüche festgelegt. Diese wiederum stehen in einem direkten Zusammenhang mit den Abmaßen der Fahrgastzelle und sind somit Ausschlaggebend für das Maßkonzept. Basierend auf diesen Szenarioübertrag sind entsprechend dazu passende Fahrzeugkonzepte abzuleiten. Für die Definition derselben werden sogenannte konzeptbestimmende Maßketten herangezogen, anhand deren das Fahrzeug hinsichtlich seiner geometrischen Eigenschaften beschrieben wird. Für die Berechnung der Maßketten und der dazu gehörigen Einzelmaße wird unter Berücksichtigung der angestrebten Modularität des Vorgehens das zu erstellende Konzept in drei Bereiche unterteilt. Diese sind in Anlehnung an den klassischen Fahrzeugaufbau der Vorderwagen, die Fahrgastzelle und der Hinterwagen [6]. Ausgangselement für die Auslegung ist dabei die Fahrgastzelle. Dabei sind das zu platzierende Perzentil und das angestrebte Sitzkonzept des Fahrzeugs ausschlaggebend. Hierbei sind nicht nur klassische Sitzmöglichkeiten darstellbar, sondern auch zum Beispiel, je nach Umsetzungsmöglichkeit und Bedarf im Szenario, stehende oder rein liegende Positionen sowie eine Vis-avis-Sitzigkeit realisierbar. Nach der Ermittlung der Einzelmaße in der Fahrgastzelle folgt die Auslegung des Hinterwagens. Dieser wird in seiner Größe durch die Anzahl der Passagiere sowie die Nutzungsbedingungen, wie zum Beispiel der Nutzungsort des Fahrzeugs, bedingt. So ergibt sich beispielsweise für ein Fahrzeug mit einer rein städtischen Nutzung ein kleineres Gepäckraumvolumen als für ein Fahrzeug mit einer interurbanen Nutzung. Dabei werden crashrelevante Aspekte, sowie der Einfluss der Radhäuser ebenfalls in die Konzipierung mit berücksichtigt. Bild 1: Zukünftige Herausforderungen auf Fahrzeugkonzepte (Auszug) Alle Abbildungen: Autoren Internationales Verkehrswesen (71) 3 | 2019 77 Wissenschaft TECHNOLOGIE Der Vorderwagen dagegen wird durch die geforderte Übersicht des Fahrzeugs und der Nutzungsumgebung definiert. Diese Größen sind ausschlaggebend für die Länge und die Höhe des Vorderwagens. Unter Einbezug des maximalen Lenkwinkels und der Radgröße, ebenfalls bedingt von unter anderem der Nutzungsumgebung, werden die Radhäuser beschrieben, wodurch die maximale Motorraumbreite als Resultat hervorgeht. So entsteht ein Motorraumvolumen, das in der weiteren Detaillierung konkretisiert werden kann. Durch die Ermittlung dieser Maßketten wird ein konkretes Maßkonzept für das Fahrzeugkonzept erstellt. Ein der Maßkonzepterstellung nachgestellter Schritt ist die Konzeptdetaillierung, in der das geometrisch beschriebene Konzept hinsichtlich der Masse, Fahrleistung, Fahreigenschaften bis hin zur Derivatenvielfalt untersucht und beschrieben wird. Auf diese Weise ist eine sehr hohe Informationsdichte über das erstellte Konzept in einer sehr frühen Phase der Konzeptionierung gegeben. Eine schematische Darstellung des Vorgehensmodells zeigt Bild 2. Anwendungsbereiche Im eigentlichen Sinn beschreibt das Vorgehensmodell eine Möglichkeit zur Erstellung von Konzeptfahrzeugen. Dennoch sind durch den Aufbau des Vorgehensmodells, aufgrund der zugrunde liegenden Daten und deren Herleitung, explizit weitere Anwendungsmöglichkeiten vorgesehen. Zunächst können mit dem ersten Abschnitt der Methode verschiedene automobilspezifische Zukunftsbilder erstellt werden. Diese können über die eigentliche Methode hinaus herangezogen werden, beispielsweise für die strategische Einführung verschiedener Produkte. Ferner können mithilfe dieser Szenarien unterschiedliche Abfolgen verschiedener Ereignisse dargestellt und deren Einfluss auf zukünftige Fahrzeuge untersucht werden. Die in diesem Vorgehensmodell beschriebene Fahrzeugkonzeption kann unter Einbezug unterschiedlicher Szenarien erfolgen, so dass zum Beispiel für diskrete Zeitabstände Konzepte oder sogar ganze Fahrzeugflotten abgeleitet und untersucht werden können. So kann ebenfalls der Einfluss von politischen Entscheidungen oder gesellschaftliche Ereignisse auf die Fahrzeugflotte oder Produktpalette betrachtet werden. Dieses Werkzeug ermöglicht somit die Erstellung ganzer Fahrzeugflotten in einem sehr geringen Zeitraum, beispielsweise durch leichte Variation der Nutzungsumgebung und Bild 2: Schematische Darstellung des Vorgehensmodells Bild 3: Beispielhafte Anwendungsdarstellung des Vorgehensmodells Internationales Verkehrswesen (71) 3 | 2019 78 TECHNOLOGIE Wissenschaft Nutzungsbedingungen bei gleichem Szenariohorizont (Bild 3 oben). Als Beispiel lässt sich an dieser Stelle der von der Europäischen Kommission in 2011 veröffentlichte „Fahrplan zu einer CO 2 -armen Wirtschaft bis 2050“ aufführen. Unter anderem stellt dieser Fahrplan die Diskrepanz zwischen der geforderten CO 2 -Reduktion zur Erreichung der gesetzten Klimaschutzziele und der aktuellen politischen Lage dar [7]. Diese Diskrepanz besteht analog dazu in der Zusammensetzung der Fahrzeugflotte und der entsprechenden Emissionsgrenzwerte. So werden derzeit mehr Restriktionen und höhere Strafen eingeführt [8] sowie künftig diese noch weiter verschärft [9]. Dieser Sachverhalt kann mithilfe der hier gezeigten Methode zum Beispiel durch Erstellung unterschiedlicher Fahrzeugkonzepten, Antriebsvielfalten und deren Verteilung nicht nur auf der Ebene der Antriebstechnick, sondern auf der Gesamtfahrzeugebene untersucht werden (Bild 3 unten). Erste Ergebnisse und zukünftige Ausrichtung Bild 4 zeigt zur Veranschaulichung einige in der Entwicklung des Tools erstellte Beispielkonzepte und demonstriert die Diversität der mit Hilfe dieser Methode abbildbaren Fahrzeugkonzepte. Einerseits können mit der hier vorgestellten Vorgehensweise klassische als auch außergewöhnliche Fahrzeugarchitekturen realisiert werden. So lassen sich beispielsweise Fahrzeuge mit einer Vis-a-vis-Sitzigkeit konzipieren (Bild 4 oben links.) aber auch Fahrzeuge, in denen mehrere Personen stehen können (Bild 4 oben rechts.). Darüber hinaus können durch einfache gezielte Veränderungen im Aufbau verschiedene Aufbauausprägungen realisiert werden. Das erstellte Modell bietet durch die gewählte Vorgehensweise in Verbindung mit der Art der Fahrzeugdarstellung eine hohe Informationsdichte in der frühen Phase der Konzepterstellung. Mithilfe der Ergebnisse ergibt sich eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten. Diese erstrecken sich von der Ermittlung verschiedenster Maßkonzepte in kürzester Zeit, bis hin zur Einflussbetrachtung unterschiedlicher Parameter auf Fahrzeugkonzepte. Darüber hinaus lassen sich so beispielsweise Fahrzeugflotten für diskrete Zeitabstände generieren und hinsichtlich der Flottenemissionen, Innovationsgrad oder Kundenakzeptanz untersuchen. Über die unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten hinaus zeichnet sich das hier vorgestellte Modell durch die starke Modularisierung, sowohl im Bereich der Szenarioerstellung bis hin zur modularisierten und automatisierten Fahrzeugkonzeptgenerierung, aus. Durch den modularen Aufbau der Verwendung in der Industrie gängiger Software wie Matlab Simulink und Catia V5 können einzelne Module je nach Bedarf weiter ausgebaut und für bestimmte Sachverhalte angepasst werden. In der weiteren Ausrichtung des Projektes sind die Fahrzeugmodule der Konzeptauslegung zu erweitern und die weitere Automatisierung der Szenariotechnik vorzunehmen. So stellt die hier gezeigte szenariobasierte Konzeptentwicklung ein verwendbares Werkzeug für die Konzeptauslegung, deren methodische Vorgehensweise ein frühzeitiges Erkennen von Problemen und darüber hinaus eine dauerhafte Handlungsfähigkeit ermöglicht. ■ LITERATUR [1] Rasenack, W. „Parametervariation als Hilfsmittel bei der Entwicklung des Fahrzeug- Package“. Dissertation, Technische Universität Berlin. Berlin, 1998 [2] Prinz, A. „Struktur und Ablaufmodell für das parametrische Entwerfen von Fahrzeugkonzepten“ AutoUni - Schriftreihe Band 17; Berlin. Logos Verlag Berlin GmbH, 2010 [3] Kuchenbuch, K. „Methoden zur Identifikation und zum Entwurf package-optimierter Elektrofahrzeuge“ AutoUni - Schriftreihe Band 25; Berlin. Logos Verlag Berlin GmbH, 2012 [4] Hahn, J. „Eigenschaftsbasierte Fahrzeugkonzeption“ AutoUni - Schriftreihe Band 108; Wiesbaden. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 2017 [5] Kosow, Hannah; Gaßner, Robert. „Methoden der Zukunfts- und Szenarioanalyse. Überblick, Bewertung und Auswahlkriterien.“ WerkstattBericht Nr. 103. Berlin, September 2008. Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (ITZ) [6] Braess, H. und Siefert, U. (Hrsg.) „Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik“ 7 Auflage. Wiesbaden. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 2013 [7] Europäische Kommission: „Fahrplan zu einer CO 2 -armen Wirtschaft bis 2050“ Brüssel, 08.03.2011 [8] Europäische Kommission: „Verordnung zur Festsetzung von Emissionsnormen für neue Personenkraftwagen im Rahmen des Gesamtkonzepts der Gemeinschaft zur Verringerung der CO 2 -Emissionen von Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen“ EG Nr.-443/ 2009, Amtsblatt der Europäischen Union. Brüssel, 08.03.2009 [9] Europäische Kommission: „Vorschlag für eine Verordnung zur Festsetzung von Emissionsnormen für neue Personenkraftwagen und für neue leichte Nutzfahrzeuge im Rahmen des Gesamtkonzepts der Union zur Verringerung der CO 2 -Emissionen von Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen und zur Änderung der Verordnung (EG) Nr. 715/ 2007 (Neufassung)“ EG Nr. 2017/ 0293, Amtsblatt der Europäischen Union. Brüssel, 08.11.2017 Thomas Vietor, Prof. Dr.-Ing. Institutsleiter, Institut für Konstruktionstechnik, Technische Universität Braunschweig t.vietor@tu-braunschweig.de Thomas Gänsicke, Prof. Dr.-Ing. Institutsleiter Institut für Fahrzeugbau Wolfsburg (IFBW), Professur Fahrzeugkonzepte, Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Wolfsburg th.gaensicke@ostfalia.de Julian F. Sandiano, M.Eng. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Fahrzeugbau Wolfsburg (IFBW), Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Wolfsburg j.sandiano@ostfalia.de Bild 4: Darstellung verschiedener Grobkonzepte