Wissenschaftliche Berichte der Fachhochschule Köln Scientific

Transcription

Fachhochschule Köln
University of Applied Sciences Cologne
Wissenschaftliche Berichte
der Fachhochschule Köln
Scientific Reports
of the University of Applied Sciences Cologne
XVII. Deutsch-Polnisches Wissenschaftliches Seminar
XVIIth German-Polish Scientific Seminar
Studies, Research and Development in Applied Sciences
Köln, 27.06. - 01.07.2005
- Proceedings -
2/2005
ISSN 1612 - 9040
Impressum:
Titel: Wissenschaftliche Berichte der Fachhochschule Köln / Scientific Reports of the
University of Applied Sciences Cologne 2/2005
XVII. Deutsch-Polnisches Wissenschaftliches Seminar / XVIIth German-Polish Scientific Seminar
- Studies, Research and Development in Applied Sciences Köln, 28.Juni - 01. Juli 2005
Herausgeber:
Der Rektor der Fachhochschule Köln
Claudiusstr. 1
50678 Köln
Redaktion:
Prof. Dr.-Ing. H.-D. Reidenbach (verantwortl.)
Prof. Dr.-Ing. K. Okulicz
Prof. Dr.rer.nat. W. Gornik
Erscheinungsjahr: 2005
ISSN 1612 - 9040
Erscheinungsort: Köln, Germany
-i-
Wissenschaftliche Berichte der Fachhochschule Köln
Scientific Reports of the University of Applied Sciences Cologne
2/2005
XVII. Deutsch-Polnisches Wissenschaftliches Seminar /
XVIIth German-Polish Scientific Seminar
- Studies, Research and Development in Applied Sciences Köln, 28.Juni - 01. Juli 2005
Wissenschaftliches Komitee:
Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Reidenbach (Vorsitzender/chairman)
FH Köln/Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik
Mitglieder/Members
Prof. Dr.-Ing. Konrad Okulicz, Fakultät für Fahrzeugsysteme und Produktion
Prof. dr hab. inz. Jan Szlagowski, TU Warschau/Institute of Heavy Machinery Engineering
Prof. Dr. rer. nat. Werner Gornik, Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Ulrich, FH Köln/Fakultät für Fahrzeugsysteme und Produktion
Organisationskomitee:
Prof. Dr.-Ing. Konrad Okulicz (Rektoratsbeauftragter), Fakultät für Fahrzeugsysteme und Produktion
Prof. Dr. rer. nat. Werner Gornik, Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik
- ii -
Inhalt/Contents
Seite/page
Vorwort/Foreword
v
Rückert, M.
Bildung für eine nachhaltige Entwicklung – wie engagieren sich insbesondere
die Ingenieure an der FHK?
1
Knospe, H.
On Further Development of Authentication, Authorisation and Accounting
in Next Generation Networks
8
Schiebahn, M.
Development of a 6-dof-vehicle-model for dynamic control
17
Bajkowski, J., Grzesikiewicz, W., Wakulicz, A.
Modelling and Experimental Research of the Vehicle Suspension with Magnetorheological
Vibration and Impact Damper
24
Buczyński, A.
Stabilization of Plastic Materials Properties under Cyclic Proportional Loads
30
Wicher, J.
Dynamic Performance of Car Impact into Concrete Road Barriers
36
Zagan, W.
Anstrahlung der modernen Bauobjekte
40
Bialas, S., Humienny, Z., Kiszka, K., Lesniewicz, A.
Computer Aided ISO System of Limits and Fits
43
Bąk, M.
Energy reduction in Electro-Hydraulic Power Steering (EHPS) systems
48
von Dombrowski, R., Ulrich, H.
Einbindung von Fahrermodellen in MKS-Fahrzeugmodelle
53
Żebrowski, J., Żebrowski, Z.
Analyse des Lageeinflusses des Frontballastes auf die Zugkraft und Leistung eines
Ackerschleppers
62
Klemenz, D.
Simulation von digitalen Schaltungen und produktionstechnischen Einrichtungen
67
Okulicz, K., Wróbel, J., Laudy, P., Suchodolski, A.
Some Aspects of a Simulation of a Manufacturing Planning Process in Virtual Reality
77
Schmieder, M.
High Performance Six Sigma
84
Kurnik, W., Okulicz, K., Orlowski, J.P.
Visual Aids for Mechanics Teaching
91
Müller, F., Gornik, W., Żagan, W.
PC gestützte Beleuchtungsvisualisierung der Kölner Rheinmessehallen
95
- iii -
Reidenbach, H.-D.
A Theoretical Description of the Blink Reflex Behaviour as a Function of Wavelength
and Optical Power Based on Psychophysical Considerations
104
Kronberger, R.
Antennas for Diversity Operation in Mobile Communications Terminals
110
Mager, B.
Designing Services – New Skills for new Challenges (Abstract)
115
- iv -
Vorwort/Foreword
The University of Applied Sciences Cologne (Fachhochschule Köln) and the
Warsaw University of Technology (Politechnica Warszawska) have a partnership-agreement which has been signed in 1988. Since then a Scientific Seminar
takes place rotating annually between Cologne and Warsaw.
This year’s event has as a motto
"Studies, Research and Development in Applied Sciences"
During the seminar many contributions will be presented by experts from
different specialties in engineering and machine design.
This volume contains the contributions presented at the seminar in 2005 in
Cologne and is simultaneously the second volume of a series of Scientific
Reports of the University of Applied Sciences Cologne.
Die Fachhochschule Köln (University of Applied Sciences Cologne) und die
Technische Universität Warschau (Politechnica Warszawska) haben bereits
1988 einen Partnerschaftsvertrag abgeschlossen. Seit dieser Zeit findet im
jährlichen Wechsel in Köln und Warschau ein wissenschaftliches Seminar statt.
Die Veranstaltung steht in diesem Jahr unter dem Motto:
"Studies, Research and Development in Applied Sciences"
Dabei werden zahlreiche Fachvorträge von Experten aus verschiedenen
Themengebieten der Ingenieurwissenschaften und des Maschinen-Design
gehalten und zur Diskussion gestellt.
Dieser Band enthält die Beiträge, die auf dem Seminar 2005in Köln vorgestellt
wurden und ist gleichzeitig der zweite Band in der Reihe der Wissenschaftlichen
Berichte der Fachhochschule Köln.
Köln, Juni 2005
Hans-Dieter Reidenbach
Vorsitzender des Wissenschaftlichen Komitees/
Chairman of the Scientific Committee
-v-
XVII. Deutsch-Polnisches Wissenschaftliches Seminar, Köln 28.Juni – 01.Juli 2005 – Proceedings 2/2005
ISSN 1612 - 9040
BILDUNG FÜR EINE NACHHALTIGE ENTWICKLUNG –
WIE ENGAGIEREN SICH INSBESONDERE DIE INGENIEURE AN DER
FH-KÖLN ?
M. Rückert
Institut für Anlagen- und Verfahrenstechnik/ Rescue Engineering
E-mail: [email protected]
können folgend Stationen gelten:
• 1962 Buch „The silent spring“ von Rachel
Carlson
• 70/80
Jahre
Kette
von
großen
Chemie/Energieunfällen (Bophal, Seveso,
Tschernobyl...)
• 70er Jahre Club of Rome
• 1982 Auftrag der UNO zum BrundlandtBericht
• 1992 Konferenz von Rio
SUMMARY: The UN have declared the years 2005 –
2014 the world decade „Education for Sustainable
Development“. The Applied University of Cologne has
been following this order in several manner. Especially
in the engineering fields, there are a lot of lectures about
sustainable development with the components
renewable energies, rational use of energy, recycling
technologies, environment and health. The social
sciences also contributes to this. The chance for an
interdisciplinary cooperation between the faculties
should be enforced, though. For three years the working
group “Agenda 21” gives valuable inputs e.g. with a
series of lectures “Elements of Sustainability” and the
promotion of an environmental management system.
The paradigmatic dimension of the sustainable topic
chould not be neglected in spite of the practical aspects
of job training.
Das Magische Dreieck der Nachhaltigkeit
ZUSAMMENFASSUNG: Die UN haben die Jahre 2005
bis 2014 zur Weltdekade „Bildung für nachhaltige
Entwicklung„ erklärt. Die FHK kommt schon seit
einigen Jahren in vielfältiger Weise diesem Auftrag
nach. Insbesondere in den ingenieurwissenschaftlichen
Disziplinen gibt es eine Fülle von Lehrveranstaltungen
über Nachhaltigkeit mit den Komponenten regenerative
Energietechniken,
rationelle
Energieverwendung,
Recyclingtechnik, Umwelt und Gesundheit etc. Auch
der sozialwissenschaftliche Bereich leistet Beiträge
dazu. Die Chance zur interdisziplinären Zusammenarbeit der Fakultäten der FHK muss allerdings noch
stärker genutzt werden. Seit drei Jahren gibt ein
Arbeitskreis Agenda 21 wertvolle Impulse, u.a. mit
einer Ringvorlesung „Elemente der Nachhaltigkeit“ und
mit der Promotion eines „Umweltmanagementsystems“
an der FHK. Die weltanschauliche Dimension des
Themas Nachhaltigkeit sollte trotz aller praktischen
Berufsbezogenheit nicht außer Acht gelassen werden.
Das Thema Nachhaltigkeit hat drei Dimensionen
(magisches Dreieck der Nachhaltigkeit): Ökonomie,
Ökologie, Soziales. Ökologisches Gleichgewicht kann
nur erreicht werden, wenn parallel ökonomische
Sicherheit und soziale Gerechtigkeit gleichrangig
angestrebt werden. /learn-line.nrw/
Der Begriff "Nachhaltige Entwicklung" umfasst eine
technische, wirtschaftliche und soziale Entwicklung, die
den Bedürfnissen der Gegenwart gerecht wird, ohne die
Möglichkeiten
zukünftiger
Generationen
zu
beeinträchtigen, ihre eigenen Bedürfnisse zu
befriedigen. Zwei Bereiche sind grundlegend für den
nachhaltigen Umgang mit den natürlichen Ressourcen
der Erde. Erstens gehört dazu die Befriedigung der
menschlichen Grundbedürfnisse nach Essen, Kleidung,
Wohnung und Arbeit. Dies bedeutet auch, sich um die
unbefriedigten Bedürfnisse der Armen zu kümmern,
denn eine Welt, in der fortwährend Armut herrscht, wird
immer für ökologische und andere Katastrophen
anfällig sein. Zweitens sind die Grenzen der
Entwicklung nicht absolut, sondern sie richten sich nach
dem gegenwärtigen Stand der Technik und
gesellschaftlichen Organisation, nach ihrer Wirkung auf
die Umwelt und auf die Fähigkeit der Biosphäre, die
Folgen des menschlichen Handelns aufnehmen zu
können. Sowohl Technologie als auch gesellschaftliche
Organisation können verbessert werden, um eine neue
Ära ökologisch rücksichtsvollen Wirtschaftswachstums
Bildung für nachhaltige Entwicklung
Die UN haben die Jahre 2005 bis 2014 zur Weltdekade
„Bildung für nachhaltige Entwicklung„ erklärt.
Nachhaltigkeit (Sustainability) geht historisch auf den
sächsischen Edelmann Carlowitz aus der Silberstadt
Freiberg zurück. Er war im 17. Jahrhundert in Sachsen
verantwortlich für den Bergbau, der sehr viel Holz
verbrauchte. Carlowitz sah zu, dass dem Wald nur so
viel Holz entnommen wurde, wie nachwuchs.
Als Meilensteine für das heutige Umweltbewusstsein
-1-
ISSN 1612 - 9040
Verleitet durch den enormen Fortschritt der Analytik
sind Grenzwerte unrealistisch niedrig. Die Medien tun
ihr übriges und halten die Menschen durch immer neue
vermeintliche „Umweltskandale“ in Atem /Hug/
Dadurch wird abgelenkt von wirklich großen Risiken,
und, was das entscheidende ist: Die Umweltauflagen
sind mittlerweile nicht mehr bezahlbar. Es ist kein Geld
mehr da für wirklich effektive Maßnahmen, z.B. für
eine Umwelt- und Gesundheitserziehung in den Schulen
und Hochschulen. Nicht nur auf Bundes- und
Länderebene, sondern erst recht auf EG- Ebene werden
nicht mehr umsetzbare Verordnungen erlassen. Peer
Steinbrück, NRW- Ministerpräsident sagte im Mai 2004
überspitzt dazu: „Auch ich gewinne den Eindruck, dass
die EU Kommission gewillt ist, das Furzen des Hundes
dem Bundesimmissionsschutzgesetz zu unterwerfen.“
in die Wege zu leiten.
Die Broschüre des VCI /vci/ (Verband der Deutschen
Chemie) „Was ist Nachhaltig; Vorgeschichte, Verlauf
und Ergebnisse der Bundestags Enquete Schutz des
Menschen und der Umwelt„ gibt einen hervorragenden
Abriss der Geschichte des Nachhaltigkeits- Gedankens
und hebt das Umweltbewusstsein in der Chemischen
Industrie hervor. „Nachhaltigkeit gilt nicht länger als
Formel für die heile Welt beziehungsweise als ein der
Natur abgeschautes technokratisches Konzept zur
Rettung der Menschheit, das sich mit Hilfe strikter
Stoffstrom
Managementregeln
und
detaillierter
qualitativer Zielvorgaben umsetzen lässt, sondern als
regulative Idee im Sinne des Philosophen Immanuel
Kant, das heißt zunächst als erkenntnistheoretisches
Konstrukt (wie Wahrheit, Freiheit oder Gerechtigkeit),
das dem menschlichen Verstand bei Such- und
Lernprozessen eine Richtung weist.
Die Agenda 21 ist ein Globales Aktionsprogramm für
eine nachhaltige Entwicklung mit dem Ziel, gleiche
Lebenschancen für gegenwärtige und künftige
Generationen zu ermöglichen. Agenda 21 bedeutet: Was
zu tun ist; "21" steht für das 21. Jahrhundert. Wichtig
sind die Umsetzungen auf lokaler Ebene (in
Gebietskörperschaften, Bildungseinrichtungen etc.).
.
Wir Ingenieure
gemacht:
haben
unsere
Die Zeche zahlt der Nachwuchs
Auch um die soziale Komponente sollten wir uns in der
Ingenieursaubildung kümmern.
Die Schere zwischen Arm und Reich geht weltweit aber
auch in Deutschland immer weiter auseinander. Das
System dieser wachsenden Ungleichverteilung ist
aufgrund von Zinseszins und Wirtschaftswachstum
mathematisch „exponentiell“. Exponentielle Kurven
beginnen immer horizontal und harmlos. In Spätzeiten
aber schießen sie vertikal ins Nichts und sterben
irgendwann den Sternentod. In Deutschland ist dieses
Exponentielle sinnigerweise in einem so genannten
„Stabilitätsgesetz“ festgeschrieben. Vor der Supernova
aber kommt die „Plutokratie“, die ungeschminkte
Herrschaft der Milliardäre. In den USA ist sie bereits
erreicht. /inwo/ /Creutz/ /Moewes/
49 Bundestagsabgeordnete haben eine Initiative
"Nachhaltigkeitslücke"
gegründet.
49
Jungparlamentarier fordern die Aufnahme folgenden
Artikels (20b) in das Grundgesetz:
„Der Staat hat in seinem Handeln das Prinzip der
Nachhaltigkeit zu beachten und die Interessen der
zukünftigen Generationen zu schützen„
Die offen ausgewiesenen Schulden des deutschen
Staates steigen um 1714 Euro pro Sekunde. Die Summe
beträgt derzeit 1,4 Billionen (1012 ) Euro. Dazu kommen
versteckte, implizite Schulden in Form der Ansprüche
von
zukünftigen
Rentnern,
Pflegebedürftigen,
Pensionisten etc. Schreibt man die heute gesetzlich
verbrieften Leistungen fort, so beträgt das wahre
Ausmaß der Staatsverschuldung sieben Billionen Euro.
Das sind das drei-fache des heutigen Brottoinlandsproduktes. Experten nennen das die „Nachhaltigkeitslücke“
Hausaufgaben
Unsere Umwelttechnik und unsere Umwelt- Gesetzgebung sind vorbildlich. Die Emissionen pro Produktionseinheit sind in einem früher nie für möglich
gehaltenen Maß zurückgegangen. An diesem Fortschritt
haben Ingenieure einen erheblichen Anteil. Neben hoher
fachlicher Kompetenz haben sie eine ausgeprägt
ethische Grundhaltung.
Die früher übliche „End of Pipe“ – Technik im
Anlagenbau ist durch den Produktionsintegrierten
Umweltschutz (PIUS) abgelöst worden. Bei ihm werden
Prozesse so geführt, dass Abfälle erst gar nicht
entstehen bzw. direkt wieder zurückgeführt werden.
Völlig neue Verfahren sind weniger energieintensiv und
Ressourcen schonend (Greene Chemistry). PIUS ist
übrigens ein Studienschwerpunkt im Studium der
Anlagen- und Verfahrenstechnik.
Unser täglicher Ökoterror:
Im Kampf um ein gesünderes Leben und um eine
bessere Umwelt ist m.E. oft auf „das falsche Pferd
gesetzt worden.“ Schon Lovelock /Lov/ warnt davor,
dass die Forschungsergebnisse von „big science“ die
falschen
Ursachen
z.B.
eines
Klimawandels
identifiziert. Es wird zu stark auf das CO2 als Leitgas als
Treibhausgas gesetzt. Möglicherweise liegen die
Ursachen ganz wo anders. Auch die Klimamodelle sind
noch so ungenau und berücksichtigen entscheidende
Faktoren wie die Aerosole, z.B. die Verbrennungsgase
aus Flugzeugturbinen in großer Höhe, zu wenig.
Wirklicher Bewusstseinswandel oder nur „fromme
Worte“ oder Strohfeuer ?
Gerade in den letzten Monaten hat eine Reihe von
relevanten Kongressen stattgefunden. Der Autor hat an
folgenden Veranstaltungen teilgenommen:
• Auftaktveranstaltung Bildung für eine nachhaltige
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ISSN 1612 - 9040
• Recyclingtechnik und Nachhaltige Entwicklung
• Betriebliches Umweltmanagement
• Biologischer Abbau von Textil-Farbstoffen
• Technische Mikrobiologie
• Umweltbiotechnologie
• Umweltmanagement Abwassertechnik
Für den Master- Studiengang Technologie in den Tropen
als Lehrexport:
• Physikalisch- Technische- und wirtschaftliche
Grundlagen der Renewables
Im Institut für Maschinentechnik in natürlichen
Kreislaufen folgende Lehrveranstaltungen:
• Regenerative Energie- und Stofftechnik
• Regenerative Boden- und Landschaftstechnik
Im Institut für Technische Gebäudeausrüstung:
• Wasser-, Boden-, Luftreinhaltung
• Immissionsschutz, Schallschutz
• Abwassertechnik
• Abfallwirtschaft
• Umwelt und Entwicklung
Entwicklung /agenda21.nrw/. Hier wurde die
„Düsseldorfer Erklärung“ zum Auftakt der UN
Dekade „Bildung für nachhaltige Entwicklung“ in
NRW formuliert.
• Die vom BMBF (Bundesministerium für Bildung
und Forschung ) im April 2005 in Bonn
veranstaltete Fachkonferenz „Rheinklima“ hat sich
mit
den
möglichen
Auswirkungen
der
Klimaänderung auf die Rheinlandschaft befasst.
Unter /deklim/ können die Vorträge herunter
geladen werden.
Diese Veranstaltungen waren hervorragend organisiert;
es ist aber zu befürchten, dass ihre Initiativen Strohfeuer
des NRW- Landtagswahlkampfes waren und keine
dauerhafte Wirkung zeigen werden.
Die interdisziplinäre Struktur der FH Köln bietet
große Chancen.
Das Studienangebot an der FHK ist breit gefächert: Es
reicht von Angewandten Sozial-, Kultur-, Informations-,
Kommunikations-, Medien-, Wirtschaftswissenschaften
über
Architektur
hin
zu
verschiedenen
Ingenieurwissenschaften, darunter z. Zeit
• Maschinentechnik in natürlichen Kreisläufen mit den
Schwerpunkten Regenerative Energie- und Stofftechnik
und Reg. Boden- u. Landschaftstechnik,
• Produktionsintegrierter Umweltschutz,
• Technologie und Ressourcenmanagement in den
Tropen und Subtropen.
Folgende Curricula sind interdisziplinäre:
• Rescue Engineering: beteiligt sind Wirtschaft,
Notfallmedizin und Berufsfeuerwehr.
• Sozialraum Management: informeller Studienschwerpunkt von Architektur und Sozialwissenschaften
(Abstimmung Stadtplanung/Sozialarbeit unter Einbezug
der BürgerInnen)
Innerhalb verschiedener Fächer wird die Notwendigkeit
des Umweltschutzes dem Stand der Technik und den
Vorschriften entsprechend berücksichtigt, so z. B. in
der Konstruktionstechnik das recyclinggerechte Konstruieren material- und energiesparender, abgasarmer
Produkte.
Knapp 20 % der in den Ingenieurdisziplinen vergebenen
Diplomarbeiten hatten ökologische Ziele.
Der Arbeitskreis Agenda 21 an der FH Köln
Vor ca. drei Jahren wurde der AK Agenda 21 an der FH
Köln gegründet /A21/. In ihm arbeiten Professoren,
Wissenschaftliche Mitarbeiter und VerwaltungsMitarbeiter mit. Das Engagement der Studierenden lässt
leider sehr zu wünschen übrig. Die Mitglieder dieses
Arbeitskreises haben sich zum Ziel gesetzt, das Prinzip
einer nachhaltigen Entwicklung im Sinne einer
„lokalen“ Agenda 21 im Leben der FH und in Lehre und
Forschung umzusetzen. Der AK trifft sich einmal im
Monat.
Folgende Präambel bildet das Leitmotiv des AK: „Der
Agenda 21-Arbeitskreis an der Fachhochschule Köln
folgt dem Bildungsauftrag des 21. Jahrhunderts, wie er
in der Agenda 21 formuliert ist: Lehre, Forschung und
Organisation der Hochschule sollen durch gleichrangige
Behandlung der Ökologie, Ökonomie und sozialen
Verantwortung in interdisziplinärer Kooperation bei
Beteiligung aller Mitglieder und Angehörigen der
Hochschule auf lokale und globale Nachhaltigkeit
ausgerichtet werden“
Die Aktivitäten des AK Agenda 21 sind:
• Ringvorlesung Elemente der Nachhaltigkeit im
WS02/03
• Zusammenstellung der umweltrelevanten
Lehrveranstaltungen
• Bestandserhebung und Erweiterung der
relevanten Bücher in der Bibliothek
• Mitarbeit bei der lokalen Agenda 21 Köln
Folgende Zentrale Einrichtungen beschäftigen sich mit
Nachhaltigkeits- Themen:
• AG Solare Anlagen- und Bautechnik
• Senatskommission Umwelt
• Agenda 21-AK
• AK Brennstoffzellen
• Lenkungsgremium zur Einführung von EMAS II an
der FHK (in Gründung)
Aus der Fülle von Nachhaltigkeits- relevanten
Lehrveranstaltungen und Projekten seien hier
exemplarisch nur die der Fakultät für Anlagen, Energieund Maschinensysteme genannt:
Im Institut für Anlagen – und Verfahrenstechnik /Rescue
Engineering:
• spez. Umwelttechnik
• Umweltbiotechnologie
• Anlagensicherheit
• Umweltrecht
• Instrumentelle Analytik
• Umwelt und Gesundheit
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•
•
Mit- Motor bei der Einführung eines
Umweltmanagementsystems in der FHK
Vorbereitung einer „Umweltbewusstseinsaktion“
Ringvorlesung „Elemente der Nachhaltigkeit“
Der Arbeitskreis „Agenda-21“ an der FH Köln
organisierte im Wintersemester 2002/03 eine
Veranstaltungsreihe mit dem Titel „Elemente der
Nachhaltigkeit“. Die Vorträge dieser Reihe sollten im
folgenden kurz dargestellt werden:
Um den synergistischen Effekt der Reihe zu verstärken
und auch die multidisziplinärenen Chancen der
vielfältigen Studiengänge der FH Köln zu nutzen,
Chancen an der FHK zur interdisziplinären
Zusammenarbeit werden nicht ausreichend genutzt
Erklärtes Ziel des Rektorats ist die Einführung von
EMAS (Eco Management and Audit Scheme) an der
FHK. EMAS ist ein Managementsystem, das
Unternehmen dabei hilft, ihren betrieblichen
Umweltschutz eigenverantwortlich und kontinuierlich
zu verbessern.
Der AK Agenda 21 unterstützt dieses Ziel durch Rat und
Tat. Folgender Nutzen wird für die FHK davon
erwartet:
• Kontinuierliche Verbesserung der Umweltsituation und der Lehr/ Lernatmosphäre,
• Kostenreduktion
bei
Entsorgung
und
Energieverbrauch, Marketing- Vorteile,
• Verbesserung des Umfeldes für Studierende
und MitarbeiterInnen.
• Die Chance für Lehre und Forschung,
praxisnah in der FHK an EMAS- Themen
mitzuarbeiten.
Die Einführung von EMAS an der FHK steckt noch in
den Kinderschuhen. Dabei ist ein Element von EMAS,
nämlich die Reduzierung von Ressourcen- Verbräuchen,
insbesondere der Energie- verbräuche überfällig. Dort
eingesparte Kosten könnten dem Lehr- und
Forschungsbetrieb zu Gute kommen. Als ein großer
Hemmschuh bei der Umsetzung eines modernen
Gebäudemanagements erweist sich, dass alle
öffentlichen Gebäude in NRW durch eine zentrale
Liegenschaftsverwaltung (BLB) verwaltet werden. Die
FHK ist quasi nur Mieter mit eingeschränkten
Handlungsmöglichkeiten. Kapazität und Kompetenz des
BLB sind m.E. beschränkt. Die Kommunikation lässt zu
wünschen übrig. Außerdem wurde das Potential von
sachkundigen ProfessorInnen bisher zu wenig genutzt;
Diplomarbeiten über Ressourcen- sparthemen wurde
könnten häufiger vergeben werden.
Das Management der Hochschulen steht vor großen
Herausforderungen. Der Staat zieht sich immer mehr
aus der Verantwortung. Eigenverantwortliches Arbeiten
muss von den Hochschulen aber erst gelernt werden.
Management- Handwerkszeug, die in Wirtschaft Stand
der Technik sind, werden noch nicht ausreichend
professionell genutzt. Als Beispiel sei hier /UNIVIS/
erwähnt.
Diese
OnlineDatenbank
für
Ressourcenmanagement an Hochschulen und zur
Erstellung von Vorlesungsverzeichnissen findet in den
Fakultäten kaum Akzeptanz; der dafür zuständigen
zentralen
Einrichtung
fehlen
Kapazität
und
Professionalität. Das Ergebnis sind mangelhafte
Kommunikation, Doppelarbeit und mangelhafte
Ausnutzung der Ressourcen.
fanden die Veranstaltungen wechselseitig im
Ingenieurwissenschaftlichen
und
im
Geisteswissenschaftlichen Zentrum der FH statt; sie
wurden auch von externen Gästen rege besucht. In acht
Vorträgen und einer Podiumsdiskussion spannte sich
der Bogen von technischen über wirtschaftliche hin zu
weltanschaulichen Aspekten.
Prof. Dr. Hartmut Gaese und Mitarbeiter aus dem FHInstitut für Tropentechnologie (ITT) stellten ihre
weltweiten
Projekte
in
Entwicklungsund
Schwellenländern vor, u.a. ein integriertes Land- und
Wassermanagement des Einzugsgebiets Rio Cauto,
Kuba, die Infrastrukturplanung der Besiedlung des
Gebiets hinter dem Assuan- Staudamm in Ägypten und
ein Wasseraufbereitungsprojekt für eine Nahrungsmittelproduktion in Chile.
Prof. Dr. Michael Rückert aus der Fakultät 09 der FH
Köln stellte –ausgehend vom gleichnamigen Titel eines
neueren Buches von Rüdiger Dahlke - die
„Weltkrankheiten“ in Analogie zu individuellen
Krankheiten vor. Krankheit wird als Ausdruck von
seelischem Ungleichgewicht verstanden. Umweltgifte
und Viren sind lediglich Auslöser von Krankheiten,
jedoch nicht ihre wirklichen Ursachen. Ihre
Bekämpfung ist zwar auch wichtig; wichtiger ist jedoch
der Ausgleich des seelischen Ungleichgewichts.
Ähnlich verhält es sich bei der „Bekämpfung“ der
Weltkrankheiten, z.B. des Terrorismus, bei der es
vorrangig um die Veränderung des „Milieus“ gehen
sollte.
Prof. Dr. Tilmann Elliger von der Fakultät 01 sprach
über „Friedensdienste – Erfahrungen aus einem
Kosovo- Einsatz“. Auf der Basis der UN-Prinzipien und
der humanitären Charter des "SPERE"-Projekts stellte
er die Standards und Management-Methoden der
internationalen Not- und Katastrophenhilfe (disaster and
emergency response) dar. Am Beispiel der Massenlager
während des Kosovo-Krieges und der noch ungeklärten
Flüchtlingsschicksale in Afghanistan (UNHCR-Repatriierungsprogramm) stellte er die typischen Problemstellungen und Funktionen des Emergency Management
anhand zahlreicher Dias sehr anschaulich vor.
-4-
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Waren und Arbeitskraft stehen. Aus der Zuhörerschaft
kam der Hinweis, dass leider in den Medien (noch)
wenig
Interesse
besteht,
die
dargestellten
Zusammenhänge zur Diskussion zu stellen.
Durch Vergleich dieser Bilder mit den Darstellungen im
Fernsehen wurden Möglichkeiten und Beispiele der
Meinungsmanipulation gezeigt: Die Wahl eines
geringfügig anderen Bildausschnitts führte zu völlig
überzogener oder verfälschter Darstellung einer
Situation. Ebenso wurde verdeutlicht, wie sehr die
Hilfsorganisationen unter dem Druck stehen, sich für
Berichterstattungen in den Vordergrund zu drängen um
Sendezeit
zu
erhaschen,
von
der
das
Spendenaufkommen erheblich abhängt. Sehr deutlich
wurde, dass neben der konventionellen beruflichen
Professionalität der Helfer Zusatzqualifikationen und
besondere Persönlichkeitseigenschaften erforderlich
sind, von denen die Erfolgsaussichten der Hilfe in
kulturell fremder, oft lebensgefährlicher Umgebung
unter außerordentlich schwierigen technischen und
wirtschaftlichen Bedingungen abhängt.
Die Leiterin des Referats Umwelt im BMZ
(Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung), Ingrid Hoven, sprach über:
“10 Jahre nach Rio: Die UN- Konferenz von
Johannesburg - Wie geht es mit der Agenda 21
weiter?„ Als Mitglied der deutschen Delegation an der
Konferenz machte sie die Erfahrung, dass die offiziell
gesteckten Ziele bei weitem nicht erreicht worden sind,
dass aber Bewusstsein, Engagement und Wissen für
nachhaltige Entwicklung stark gewachsen seien. Eine
große Zahl neuer Initiativen, Netzwerke und Allianzen
sei entstanden, die Konferenz sei – ähnlich wie ein
Kirchentag - eine Ideen-/Wissensbörse zu aktuellen
Fragen der nachhaltigen Entwicklung gewesen. Darin
lag ihr eigentlicher Wert.
Prof. Dr. Christiane Rieker und Prof. Dr. Wolfgang
Wiesner sprachen über Stand der Technik und Chancen
der Regenerativen Energiesysteme -Sonne, Wind und
Biomasse. Biomasse deckt zur Zeit vorwiegend
alsWärme 1,8 % des Energiebedarfs in Deutschland.
Dieser Prozentsatz könnte mittelfristig auf 7 -10 %
anwachsen und damit einen entsprechend großen Anteil
an
CO2-Emissionen einsparen. In gleicher
Größenordnung werden sich die zurzeit wirtschaftlich
nutzbaren Potentiale der Windenergie bewegen. Hier
setzt zunehmend eine Begrenzung wegen der
eingeschränkten Verfügbarkeit geeigneter Standorte ein.
Diese Begrenzung ist bei Photovoltaik in absehbarer
Zeit nicht zu erwarten. Allerdings ist diese Art der
Stromerzeugung
noch
ohne
erhebliche
Unterstützungsmassnahmen nicht im Energiemarkt
konkurrenzfähig. Gleichwohl erwartet man auch in den
folgenden Jahren ein Wachstum des Marktes von
zwischen 15 und 20 %. Die solarthermische
Energienutzung steht im engen Zusammenhang mit der
weiteren Reduzierung des Energieverbrauchs im
Gebäudebereich für den zur Zeit ca. 30 %der
Primärenergie aufgewendet wird. Hier wäre im Zuge
der Erneuerung des Gebäudebestandes eine Halbierung
denkbar.
Max Breitzler und Frank Kühl, AStA-Referenten der
FH-Köln, beleuchteten das Thema: Bildung als Ware –
die möglichen Folgen von GATS –
GATS (General Agreement on Trade in Services) ist ein
generelles Abkommen über den Handel mit
Dienstleistungen.
Seit1994
für
144
WTOVertragspartner bindend verändert es nun auch die
Bildung und macht sie zur weltweit handelbaren Ware.
Der Bereich der öffentlichen Dienstleistungen wird als
Riesenmarkt (mehrere 1000 Milliarden US$)
angesehen, der durch GATS für private Investoren
erschlossen wird. Das Bildungswesen gehört in den
meisten Ländern noch zum öffentlichen Bereich. Ein
hoch stehender und gut ausgebauter öffentlicher Dienst
ist eines der wichtigsten Elemente demokratischer
Länder. Der öffentliche Bereich wird durch Steuern
finanziert, steht somit auch unter der Kontrolle der
öffentlichen Hand und funktioniert nicht profitorientiert.
Alle
Menschen
sollen
ungehindert
und
gleichberechtigten Zugang zu den öffentlichen
Dienstleistungen haben, denn dies ist eine
Grundvoraussetzung für sozialen Frieden und
Wohlstand in einem Land. In kurzer Zeit wurden immer
mehr dieser öffentlichen Dienstleistungen in
Aktiengesellschaften umgewandelt, wie z.B. Telekom,
Post und Bahn. Das Bildungswesen beginnt gerade
diesen Privatisierungsprozess. Die Referenten meinen,
dass die Risiken und möglichen Nachteile die Chancen
deutlich
übersteigen
und
forderten
alle
Hochschulangehörigen auf, sich gründlicher über GATS
und die Folgen zu informieren.
Der Aachener Wirtschaftsanalytiker und Autor des
Buches „Das Geldsyndrom“, Helmut /Creutz/
behandelte das Thema: Geldsysteme – In der
Zinseszinsfalle gefangen? Der Referent berichtet u.a.
über die Hintergründe von Verschuldungs- und
Wachstumszwang, die Umweltproblematik und die
Arbeitslosigkeit - und über Auswege aus dem
Dilemma. Bei dem herrschenden Zinssystem gehe die
Schere zwischen Arm und Reich in Deutschland und
weltweit immer weiter auseinander. In Niedrig- ZinsZeiten suche sich das Kapital ertragsreichere Anlagen,
z.B. in der Rüstungsindustrie. Auf Niedrigzinszeiten
folgten automatisch Kriege, nach denen dann wieder ein
„Wirtschaftswunder“ gesehen könne. Ein Lösungsvorschlag aus diesem Dilemma wäre es, auf Geld(besitz)
den gleichen Angebotsdruck auszuüben, unter dem
Prof. Dr. Maria Mies, emeritierte Professorin der FH
Köln und Autorin des Buches „Globalisierung von
unten“ hielt einen beeindruckenden Vortrag über
„Globalisierung“. Einer Globalisierung von oben steht
eine Globalisierung von unten entgegen. Die
Globalisierung von oben wird von Regierungen,
Konzernen und Organisationen wie der WTO in Genf in
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ISSN 1612 - 9040
Fieber oder Ozonverlust spiegeln die menschlichen
Erkrankungen wider. So wie es Ärzten gelingt, einen
Kranken,
dessen
Lebensgeister
und
dessen
Selbstorganisationsvermögen
lebensgefährlich
geschwächt sind, nur für eine begrenzte Zeitspanne in
der Intensivstation zu "managen", so können wir nur
äußerst begrenzt die geschwächten Selbstorganisationskräfte der Erde und unserer Umwelt durch
technische Maßnahmen ersetzen. Das Endziel eines
tiefen Umweltbewusstseins muss daher die Rückkehr
zur Ehrfurcht vor dem Leben sein und damit auch vor
Mutter Erde – Gaia – die letztendlich auch ein
Lebewesen ist. /Lov/
Was ist der Sinn unseres Erdendaseins? Ist die Welt
unendlich gerecht? Nach welchen Gesetzen funktioniert
sie? Diese Fragen beschäftigen jeden Menschen.
Religionen haben darauf unterschiedliche Antworten.
Sie haben aber alle einen gemeinsamen Kern: Das ist
der Satz vom Grund – Nichts ist ohne Grund, oder wie
Christus sinngemäß sagte: Ihr erntet, was ihr sät.
Nach den fernöstlichen
Religionen, z.B. dem
Buddhismus sind wir an das Rad des Lebens geboren.
Die Welt ist wie eine Schule, in der wir Lektionen
lernen und immer wieder hierher zurückkehren müssen,
so lange es noch etwas zu lernen gibt. Wenn wir unser
Ziel erreicht haben, so dürfen wir in die Ewigkeit =
Zeitlosigkeit = Nirvana eingehen und sind endgültig von
der Welt der Polarität befreit. Nicht für unseren
Nachkommen müssen wir deshalb den Ort des Lernens,
die Erde und die Natur sorgsam bewahren, sondern für
uns selbst. Dieser Kreislaufgedanke führt gerade im
Buddhismus zu einem pfleglicheren Umgang mit der
Natur.
Das Weltbild der abrahamitischen Religionen
(Judentum, Christentum, Islam) dagegen ist linear: Am
Ende des Lebens bzw. beim jüngsten Gericht (ist das
vielleicht das Hier und Jetzt ?) richtet ein allgewaltiger
personaler Gott über unser weiteres Schicksal: Himmel,
Fegefeuer oder Hölle (ewige Verdammnis). Die Gnade
Gottes bzw. die Leiden Christi verringern unsere
Schuld. Jeder Mensch kommt mit einer Erbsünde zur
Welt. Sind Erbsünde und Fegefeuer vielleicht noch
Relikte
des
Kreislaufgedankens
fernöstlicher
Religionen?
Allen Religionen haben neben dem „nihil sine causa“
noch eine andere Gemeinsamkeit: Sie mahnen uns zum
rechten Maß und zur Bescheidenheit. Und das ist es ja
hauptsächlich, was uns in den Industrieländern bei
unserem Wachstumsfetischismus fehlt. Weil uns diese
Tugend so ungeheure vorkommt, haben wir eine
akademische Umschreibung erfunden: Suffizienz.
Der dramatische Anstieg von Krebs und die Ereignisse
um den 11. Sept. 2001 zeigen uns jedoch mit ihrer
Symbolik dass wir wieder zurück müssen zur
freiwilligen Selbstbeschränkung. Das Schicksal wird
wie uns auf seine Art sowieso aufzwingen.
Geheimverhandlungen betrieben. Ihr Mythos ist der
Neoliberalismus, ihr Credo der Ausspruch von Margret
Thatcher: „ There is no alternative (TINA). Die
Globalisierung von unten arbeitet mit Netzwerken
(TTIT.org, TRIPS) und ist durchaus erfolgreich. Die
Diskussion nach dem Vortrag wurde sehr lebhaft geführt
über die Möglichkeiten, sich zu informieren und zu
engagieren. Besonders kontrovers wurde die Rolle der
Gewerkschaften diskutiert.
Den Abschluss der Veranstaltungsreihe bildete eine
Podiumsdiskussion über das Thema: Bildungs- und
Forschungsziel Nachhaltigkeit. Sie wurde professionell
geleitet vom Moderator Arnd Henze, Journalist beim
WDR. Es entwickelte sich eine interessante Diskussion
zwischen den Podiumsteilnehmer Rektor, stellv.
Kanzler, Studierendenpfarrer, Ausländerreferent und
Bildungsreferent des ASTA und eine Professorin aus
dem ingenieurwissenschaftlichen Bereich und dann
auch mit dem Publikum. Hier einige Stichworte aus den
Antwortenrunden und den Beiträgen aus dem Publikum:
Das kameralistische Abrechnungssystem in den
öffentlichen Haushalten, das zum sog. „Dezemberfieber“ führte, war in der Vergangenheit das Gegenteil
von nachhaltig. Es wird jetzt aber modernisiert und
zukunftsfähig gemacht.
Die Ausbildung an FHen ist sehr an den Bedürfnissen
der Abnehmer orientiert. Es besteht die Gefahr, dass
keine wirkliche Bildung (mit ausreichend Grundlagen)
vermittelt wird, sondern lediglich Bildung als
„verderbliche“ Ware.
Eine neue – andere als die 68er – Politisierung an den
Hochschulen
ist
angesagt:
Engagement
der
Studierenden und Lehrenden in NGOs und Integration
dieses Engagements in die Curricula, und zwar im
Rahmen der an den FHen vorgesehenen 7%
„außerfachlichen“ Lehrveranstaltungen.
Nichts ist ohne Grund
Zum Schluss seinen einige weltanschauliche philosophische- religiöse bzw. spirituelle Dimensionen
des Themas Nachhaltigkeit erläutert. Gerade in einer
multikulturellen Hochschule mit einem gewissen
Ausländer- Innen- Anteil stoßen Gespräche über diese
Themen meiner Erfahrung nach auf großes Interesse der
Studierenden.
Wir befinden uns derzeit in einem drastischen
Wertewandel - und wer weiß schon, auf was es im
Leben wirklich ankommt? Das "Hoppla"- Weltbild der
naturwissenschaftlich- technisch geprägten Gesellschaft
gibt den Mensch immer weniger Antworten auf den
Sinn des Lebens und viele ahnen, dass
"Lebensstandard" nicht das höchste Ziel im Leben ist.
Das Thema Umwelt konkurriert heftiger mit anderen
drängenden Themen: Arbeitslosigkeit, Sicherheit,
Familie. Auf der Achter- und Geisterbahn der
Meinungen und Standpunkte kann uns die Symbolik
von Krankheiten wertvolle Hinweise geben: Allergien,
Krebs, AIDS. Aber auch die Krankheiten der Erde wie
-6-
ISSN 1612 - 9040
Literatur:
/Creutz/ Helmuth Creutz: Das Geldsyndrom- Wege zu
einer krisenfreien Wirtschaftsordnung. Econ- Verlag
/Lov/ Lovelock: Gaia – Die Erde ist ein Lebewesen,
Scherz Verlag 1992
/Moewes/ Günther Moewes: „Geld oder Leben“,
Signum Verlag 2004
/Hug/ Heinz Hug, Der tägliche Ökoteror¸
Wirtschaftsverlag Langen Müller/ Herbig, 1997,
Neuauflage 2002
/VCI/ Broschüre des VCI (Verband der chemischen
Industrie): Was ist nachhaltig?
URL:
www.ak-agenda21.fh-koeln.de
www.inwo.de/
(Initiative
für
natürliche
Wirtschaftsordnung)
http://www.learnline.nrw.de/angebote/agenda21/archiv/
99/pr/zei4898nachhalt.htm
http://www.agenda21.nrw.de/nachhaltig/nrw/un_dekade
_2005_2014/
http://www.deklim.de/seiten/dek-frame.asp
-7-
ISSN 1612 - 9040
ON FURTHER DEVELOPMENT OF
AUTHENTICATION, AUTHORISATION AND ACCOUNTING
IN NEXT GENERATION NETWORKS
H. Knospe
Institute of Communications Engineering
Faculty of Information, Media and Electrical Engineering
SUMMARY: Modern information and communication
networks provide a variety of services from simple data
transport up to specialised applications. They are
expected to offer a high level of security, availability and
flexibility. In many cases, it is necessary to authorise
users, to restrict access to services and to monitor
resource utilisation. This is the main objective of
Authentication, Authorisation and Accounting (AAA)
protocols and infrastructures. This article describes the
AAA architecture for current networks and analyses the
requirements for “Next Generation Networks” (NGNs).
We find that detailed network and service level
information, advice of charge and non-repudiation of
service delivery are not provided by standard protocols.
We examine protocol extensions and study their
functional and security properties. The authentication
phase would need to be enhanced by an exchange of
service attributes, and the accounting protocol, usually
involving only network components, would have to
integrate the user. Finally, we analyse the security of
AAA protocols.
ZUSAMMENFASSUNG: Moderne Informations- und
Kommunikationsnetzwerke liefern eine Vielzahl von
Services vom einfachem Datentransport bis hin zu
spezialisierten Anwendungen. Es wird ein hohes Maß an
Sicherheit, Verfügbarkeit und Flexibilität erwartet. In
vielen Fällen ist es erforderlich, die Benutzer zu
autorisieren, den Zugang zu Diensten einzuschränken
und die Verwendung der Ressourcen zu überwachen.
Dies ist die Hauptaufgabe von Protokollen und Systemen
zur Authentifikation, zur Autorisation und zum
Accounting (AAA). Dieser Artikel beschreibt die AAA
Architektur für aktuelle Netzwerke und analysiert die
Anforderungen für „Next Generation Networks“
(NGNs). Wir stellen fest, dass die Standardprotokolle
keine näheren Information über die Netzwerke, ihre
Dienste und Kosten liefern und die Verbindlichkeit der
Dienstnutzung nicht hergestellt wird. Wir untersuchen
Protokollerweiterungen
und
analysieren
ihre
funktionalen- und ihre Sicherheitsanforderungen. Die
Authentifikationsphase sollte um einen Austausch von
Service-Attributen erweitert werden, und das
Accounting-Protokoll, das üblicherweise nur NetzwerkKomponenten einbezieht, sollte den Benutzer
integrieren. Schließlich analysieren wir die Sicherheit
von AAA Protokollen.
1. INTRODUCTION
Modern information and communication networks
provide a variety of services. Generally, one may
distinguish between circuit switched and packet switched
networks:
•
•
Circuit switched networks provide connection
oriented services. Circuit switched technologies are
e.g. used for telephony in the PSTN (Public
Switched Telephone Network) and in GSM (Global
System for Mobile Communication). A circuit
switched bearer may also be used for packet data
connections (e.g. with the Point-to-Point protocol
PPP).
Packet switched bearer services are connectionless.
Important examples include Ethernet, Wireless LAN
and GPRS (General Packet Radio Service) which
are all access technologies for the Internet Protocol
(IP).
These networks offer a wide of range services from
classical telephony and plain data transport up to
specialised applications. Often, access to these services
needs to be restricted and resource usage has to be
monitored which is mainly due to security and
commercial reasons. But it should be noted that free
services exist (e.g. delivery of web content) where
authentication, access control and accounting issues play
little or no role. The network control and monitoring
mechanisms are often abbreviated with “AAA”. The
acronym AAA stands for Authentication, Authorisation
and Accounting [RFC 3588].
Authentication is the act of verifying the identity of an
entity (subject). The subject may be a user, a process or
another component which can be identified.
Authentication requires a mechanism to prove an
asserted identity. It can be based on specific secret
information, possession, biometric characteristics or a
combination of these.
Authorisation is the act of determining whether a
requesting entity (subject) will be allowed access to a
resource (object). This requires authorisation information
associated to an object and access control mechanisms
which restrict the access to authenticated subjects. The
-8-
ISSN 1612 - 9040
users) and AAA servers. They communicate via well
formatted Request and Response messages. AAA clients
are usually built into network access server (NAS) or
other components which deliver and control a network
oriented service. AAA server are responsible for all
authentication and authorisation decisions and the
collection of accounting data. They resort to application
specific modules (ASM) for managing and configuring
of resources and for support of the authorisation
decision. The AAA server may furthermore access a
Policy Repository for the authorisation process and an
Event-Log for auditing purposes. An AAA server may
also forward the requests to another server. Figure 2
depicts the main AAA components.
access control procedures need to protect against various
types of attacks.
Accounting is the act of collecting information on
resource usage for the purpose of capacity planning,
auditing, billing or cost allocation. The requested
resource or a proxy needs to implement some sort of
counter which collects usage data.
In the context of telecommunication networks (cf. [TS
32240]) there are additional and slightly variant
definitions:
Charging is a function whereby information related to a
chargeable event is collected, formatted, transferred and
evaluated in order to make it possible to determine usage
for which the charged party may be billed. It is hence
closely related to accounting in the sense of [RFC 3588],
but charging focuses on the commercial aspect.
In the context of IP network access, the communication
between AAA clients and server is often realised with
the RADIUS protocol [RFC 2865, RFC 2866]. The
protocol supports authentication with Access-Requests,
Access-Challenges and Access-Accept resp. AccessReject messages and accounting with AccountingRequest and Accounting-Response messages. RADIUS
supports proxy operation and forwarding between AAA
servers. RADIUS packets are transported over IP with
the UDP protocol. An improved AAA protocol called
Diameter [RFC 3588] is standardised but not yet widely
deployed.
Accounting (in telecommunication networks) is the
process of apportioning charges between the home
environment, serving network and subscriber. This
aspect is not specifically described in [RFC 3588] but is
closely related to the collection of resource usage
information.
Billing is a function whereby call detail records
generated by the charging function(s) are transformed
into bills requiring payment. We do not further discuss
the billing functions since they belong to those backend
services which are usually not standardised.
2.2 AAA on different layers
AAA mechanisms can be implemented on different
network layers and depend on the type of service which
is controlled and monitored. One can generally observe a
quite heterogeneous picture. Our description follows a
layered hierarchy.
AAA mechanisms are usually applied in the following
order (see Figure 1):
Authentication
Authorisation,
Access Control
Accounting,
Charging
2.2.1 Network Access Layer / Bearer
The main purpose of lower layers is to provide a bearer
in order to establish reliable basic connectivity.
Billing
Circuit switched telephony requires a connection to a
network switch. The connections may extend partly over
an air interface (i.e. for cellular networks). There exist
separated signalling and media planes, and during the
standby operation of user equipment, participation in low
bandwidth signalling suffices. A traffic channel is used
during active (outgoing or incoming) calls.
Figure 1 : AAA procedures
2. CURRENT AAA ARCHITECTURE
2.1 Generic AAA Architecture
A generic architecture for AAA is described in [RFC
2903]. It consists of AAA clients (which act on behalf of
User
Dial-in or
connect
Request
AAA
Client
Request
AAA
Server 1
AAA
Server 2
Response
Response
ASM
Figure 2 : AAA components
-9-
Policy
Repos.
Event
Log
ISSN 1612 - 9040
Users are not explicitly authenticated in a PSTN in
contrast to cellular networks where it involves a
AuC/HLR (Authentication Centre/Home Location
Register) in the network domain and a SIM (Subscriber
Identity Module) on the user side. The provisioning of
network connectivity is usually covered by a basic
charge and accounting is restricted to higher layer
services (e.g. telephone calls).
(L2TP) [RFC 2661]).
The packet data communication in cellular networks
(GPRS) is realised with PDP (Packet Data Protocol)
contexts between the user equipment and the mobile core
network. The involved network components SGSN and
GGSN (Supporting resp. Gateway GPRS Support Node)
acts as AAA clients and participate in authentication
(similar to circuit switched services) and accounting
procedures. Accounting data with usage information on
PDP contexts is either sent via RADIUS or Diameter to
an IP based AAA server or forwarded via a file transfer
protocol to a specialised billing system [TS 32251].
Also, Intelligent Network (IN)-related procedures may
be used for access control and online charging.
2.2.2 Network Layer
Network connectivity requires a link layer bearer, so that
AAA mechanisms may be delegated to lower layers.
Usually, an IP address is assigned after the link has been
established (e.g. with the PPP NCP or DHCP protocol)
or a permanent address is employed. There is currently
no standardised protocol for authenticating clients on the
network layer and that led to the development of the
[PANA] protocol, which is again based upon EAP.
For home and small business use, the DSL (Digital
Subscriber Line) technology is often used for internet
access. Here, the network protocol (IP) packets are
transported with the PPPoE (Point-to-Point over
Ethernet) protocol and similar AAA mechanisms as for
dial-up access with PPP apply.
The situation is particularly interesting in many public
Wireless LAN hotspots, where link layer association is
mostly unrestricted, but IP traffic needs to be controlled.
Here, the user is often at first redirected to an
authentication and access control server which acts as
AAA client. The user credentials (typically requested
within a browser dialogue) are forwarded to a central
AAA server. In the future, authentication, access control
and accounting in WLAN hotspots can also be carried
out on the data link layer using IEEE 802.1X (see above)
and a smartcard (SIM) based EAP method.
Local Area Networks (LANs) based on Ethernet often do
not implement AAA mechanisms with the possible
exception of rudimentary access control by filtering of
Ethernet MAC addresses. A relatively new security
standard called “Port based Network Access Control”
[IEEE 802.1X] introduces authentication and access
control to Ethernet links. The standard has particular
importance for Wireless LANs where security
mechanisms are indispensable. Authentication is based
on the EAP protocol environment [RFC 3784]. The
requested Ethernet port acts a AAA client and forwards
authentication data via RADIUS to a central AAA server
(see Figure 3). The authenticator can also collect
accounting data.
2.2.3 Service and Application Layer
AAA mechanisms above the network layer may
correspond to a specific subsystem (e.g. IP Multimedia
Subsystem, see chapter 3.1 below), a service (e.g. a
telephony or a messaging service) or any application. Of
course, quite heterogeneous procedures can apply, but
one may generally distinguish between packet and circuit
switched based services and applications.
Data communication with remote networks can also be
established via dial-up over the telephone network, in
particular with the PPP (Point-to-Point) protocol [RFC
1661]. This protocol requires authentication and the
network access server (NAS) restricts access to
authorised users. PPP provides authentication with plain
text passwords (insecure!), a challenge-response
exchange or with EAP. The NAS acts as AAA client and
communicates via the RADIUS protocol with an AAA
server for authentication and accounting purposes. PPP
may also be used over virtual layer 2 connections which
can be set up with tunnel protocols (Point-to-Point
Tunneling Protocol (PPTP), Layer 2 Tunneling Protocol
Supplicant
(Peer)
EAP over LAN
Layer 2 Data
In the IP world, provided that AAA procedures are
required for the specific service at all, simple
authentication mechanisms prevail in the user domain
(often username/password, sometimes with transport
layer protection) and RADIUS as well as proprietary
protocols coexist in the network domain.
For services on circuit switched bearers, authentication
and authorisation relies on various mechanisms. For
mobile networks, the AuC and the HLR are responsible
for subscriber authentication and authorisation (see
Authenticator &
Access Control
Access Network
Figure 3: Port-based Network Access Control
- 10 -
EAP over
RADIUS
AAA Server
ISSN 1612 - 9040
chapter 2.2.1 above). The network switch (MSC) usually
generates call detail records (CDRs) which contain
information on resource usage, cf. [TS 32.250]. The
CDRs are then collected by post-processing
infrastructure, e.g. a billing mediation server. It should
be noted that Intelligent Network (IN) components can
play an important role in AAA mechanisms for circuit
switched connections based on the signalling system #7
(SS7) protocol. They can perform real-time call control
and e.g. implement real-time charging for pre-paid
subscribers.
a clear separation of transport and services, so that the IP
platform can be reused for various services. This is an
advantage over current networks, which are often singleservice platforms.
2.3 Characteristic Properties
As we have seen above, the AAA architecture for current
information and communication networks is quite
heterogeneous. Nevertheless, the are some characteristic
properties and developments:
• The AAA mechanisms are network centric and the
user side is involved only in certain aspects, in
particular regarding authentication. Accounting
information is collected only by network
components.
• AAA is only loosely coupled to service delivery and
quality.
• The trend towards IP based networks will sustain the
role of Internet based AAA mechanisms, in
particular with the protocols RADIUS and Diameter.
The 3GPP has developed an IP based service architecture
called IP Multimedia Subsystem (IMS) [TS 23228]
which was originally specified for 3rd generation mobile
networks. The architecture specified there will also
influence future fixed line networks and endorse fixedmobile convergence. As major advantages of IMS over a
plain IP architecture, one may mention QoS (Quality of
Service), a harmonised charging and the integration of
different services [C-GM].
3. AAA FOR NEXT GENERATION NETWORKS
1.
3.1 Next Generations Networks (NGNs)
The NGN architecture is expected to play an important
role in future communication networks. A NGN [ITU
FGNGN] is a packet-based network which provides
services including telecommunication services (see
Figure 4). It is able to use multiple, Quality-of-Service
(QoS)-enabled technologies and its service-related
functions are independent from the underlying transport
mechanisms. NGNs support a network architecture with
“IP over everything” (i.e. various technologies on the bit
and data link layer) and “everything over IP” (i.e.
various protocols and services in higher layers). There is
2.
Public
Switched
Telephone
Network
Packet switched services embed smoothly in the NGN
architecture with few significant changes. Current circuit
switched services (e.g. classical telephony) are expected
to migrate into the IP world (e.g. Voice over IP). For the
transition period, gateways between the different
technologies exist.
3.2 Requirements
The following list contains a number of relevant
requirements for AAA in Next Generation Networks. We
do not intend to iterate all general requirements for AAA
protocols [RFC 2989] nor do we claim completeness.
3.
4.
An all-IP based architecture (compatible with IPv4
and IPv6) must be supported.
All standard AAA functionality must be provided,
including authentication with various protocols, key
agreement, authorisation, access control, accounting
and charging of sessions and events.
The AAA messages must be transported in a reliable
and secure manner.
The AAA architecture should be able to handle
multiple networks and allow roaming, where e.g.
resources from a visited network are used but the
user’s home network is responsible for
authentication and accounting.
IP Network
NGN Services
Voice
Video
Data
Message
Fixed Line
Packet
Network
Multimedia
Figure 4 : Next Generation Network Architecture
- 11 -
Radio Access
Network
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charging data correlation is addressed in the IMS [TS
33240] where a “Charging Vector” contains identifiers in
order to link the bearer (GPRS) and higher layer IMS
services. The 3GPP has therefore extended the Diameter
base protocol with new accounting attribute-value-pairs
(AVPs).
5.
AAA mechanisms should include multiple layers
and sessions. It should e.g. be possible to apply
AAA procedures to network access resp. higher
layer services separately and in correlated manner.
6. A near-real-time handling of AAA procedures
should be supported, including online charging and
credit control. This should allow prepaid or ad hoc
access scenarios. Payment systems and mechanisms
should be incorporated to allow a direct charging
without subscription or authentication.
7. Advice of charge [TS 22086, TS 23086] should be
integrated allowing the user to obtain information
about accrued and expected charges at any time.
8. Network information, service details and price
should be transparent to permit the user to select
between offerings from different networks.
Authentication data is exchanged after service level
and price have been negotiated.
9. Quality of Service (QoS) aspects should be
integrated into AAA mechanisms. QoS is part of the
service offering and may influence network
selection decisions. It is also relevant for accounting
and charging.
10. Non-repudiation of service usage and delivered
service quality should be provided.
Requirement 6 on near-real-time handling is usually
satisfied by authentication and access control procedures.
For accounting and charging, real-time requirements are
more demanding since a standard accounting exchange
supports only offline charging. Online charging can be
realised with the Diameter credit-control application
[Diam-CC]. An accounting client requests credit units
from a credit control server, which immediately deducts
or reserves the units (resp. their monetary equivalent)
from the subscribers account. The AAA client (e.g. a
network access server) may request more units with an
interim accounting record. After service delivery, the
final resource usage is reported with an accounting stop
record and unused credit units are returned to the user’s
account. By extending this architecture, a direct payment
for ad-hoc network access is also feasible (cf. [K-SG]),
but concrete implementations are still missing. Online
charging and credit control can also be implemented with
Intelligent Network (IN) infrastructure, but mainly for
circuit switched connections.
3.3 Standard Protocols
The implementation of the requested features should be
based upon standard protocols in order to obtain an open,
flexible and extensible architecture. Existing protocols
and infrastructures should be reused, wherever possible.
Because of our requirement on IP support, the well
established RADIUS protocol and its successor Diameter
are good candidates. Even more, there are no
standardised alternatives available in the IP domain.
Although many existing AAA implementations are still
based on RADIUS, we consider Diameter as the base
protocol since it offers more functionality, flexibility and
security (cf. [RFC 3588] for a comparison). Furthermore,
the IP Multimedia Subsystem (IMS) relies on Diameter
as AAA protocol.
Advice of charge (requirement 7) is a well-known
supplementary service for telecommunication networks
(cf. [TS 22086], [TS 23086] for mobile networks). But
current networks provide only rudimentary functionality,
if at all, and the user equipment is often not able to
handle the information. For IP based networks, advice of
charge is not even specified and accounting and charging
mechanisms are restricted to the network domain.
The standardised disclosure of a network identity, a
service level and pricing information can support the
user’s network selection decision (requirement 8), but it
remains an open issue. There are propositions ([EAPNetw], see also next paragraph) which are not yet
standardised.
We will now analyse which of the above requirements
can be fulfilled with existing standard protocols.
There are mechanisms for the IP domain to reserve QoS
resources and the IMS defines procedures to obtain the
QoS on the bearer (GPRS) which is required for a
specific service. QoS attributes can also be inserted in
accounting records. But QoS information is usually not
available as part of network information (requirement 9).
Requirements 1, 2, 3 and 4 are satisfied by Diameter and
only partly by RADIUS which does e.g. not sufficiently
satisfy requirement 3 on reliability and security.
Requirement 5 on separate multi-layer AAA mechanisms
are fulfilled by both RADIUS and Diameter provided
that the AAA client offers the functionality on the
respective layer. We note that a complete IP stack is
required in order to support RADIUS or Diameter, i.e.
also for lower layer network access infrastructure. The
correlation of AAA mechanisms for different layers and
sessions is more challenging. For the accounting of
different sessions this may be implemented with
Diameter’s “Acct-Multi-Session-IDs” (cf. [RFC 3588]).
For mobile networks, the issue of intra- and inter level
Non-repudiation of service delivery (requirement 10) is
neither obtained nor specified for current network
technologies, as it was remarked in [NSIS-Threats] in the
context of QoS. We discuss this issue in the next
paragraph.
3.4 Extensions of AAA protocols
In the following, we propose extensions to existing AAA
procedures. We assume an IP-based network (e.g. a
- 12 -
ISSN 1612 - 9040
NGN) and focus on the above requirements 7, 8, 9 and
10 which are not yet covered by existing protocols.
Furthermore, we deliberately reuse established standard
protocols wherever possible.
used on higher layers (e.g. over IP [PANA]). For the
network domain, EAP frames can be encapsulated within
RADIUS or Diameter packets [Diam-EAP]. EAP is a
container protocol and is in principal able to carry any
type of information. Furthermore, the drafts [EAP-Netw]
and [EAP-Netsel] also rely on the EAP protocol.
3.4.1 Inquiry and Authentication phase
Before the actual authentication occurs, the user should
obtain some basic information about the serving network
and the overall service offering. Following the approach
of [EAP-Netsel], the following data could be provided:
• Names of mediating networks
• Cost and charging units (e.g. time, volume)
• Type of roaming agreement
• QoS offered by intermediate networks
• Presence of “middleboxes” (e.g. address and/or port
translation, firewall)
• Authorisation information (e.g. details on offered
service)
• Policy regarding protection of the user identity
For our further considerations, we assume that the
authenticator is part of the access network. It may be a
lower layer access component (e.g. WLAN Access Point
or GGSN) as well as higher layer service proxy, e.g. an
IMS P-CSCF (Proxy Call Session Control Function).
The AAA server belongs to a some backend network
which is responsible for authentication and authorisation
decisions and for accounting. The backend network may
be a classical home network, but also an access network
or any AAA service provider.
Figure 5 gives an overview over the proposed
information exchange between the user, authenticator
and the AAA server. Message 1 requests the peer’s
identity and may also contain public network
information. In message 2, the peer (user) provides his
identifier including a network realm. This information
would usually influence the service offering. The user
may also decide to stay anonymous and would then
receive an offering for ad hoc access. Message 3 sends
the user data and further access network information to
the AAA server. In order to prepare message 4, the AAA
server evaluates the user identifier generates the
extended network information (cf. [EAP-Netsel]). The
user id and a validity period should be included. Then
the data is digitally signed using the Cryptographic
Message Syntax (CMS), which is the method used to
secure MIME (S/MIME) messages (cf. [Diam-CMS]).
This ensures integrity, authenticity and non-repudiation.
This data is forwarded to the user with message 5. After
evaluating the network information and the offered
service bundle, the user may accept the offering and
digitally sign it (message 6).
This information can support the user’s network
selection decision. In many circumstances, the selection
decision can be automated or dealt with by preset
policies.
In order to achieve integrity, authenticity and nonrepudiation of the network information, it should be
digitally signed by a responsible network entity. Vice
versa, the network may require a confirmation to prove
that the user has accepted the service offering. This can
also be realised with a digital signature (from the user).
The verification of the signatures requires authentic
public keys and this can be supported with a Public Key
Infrastructure (PKI).
We propose the EAP protocol [RFC 3748] to carry the
network information. EAP is well established and runs
directly on the data link layer for dial-up lines as well as
for wired and wireless Ethernet links. EAP can also be
Peer
Authenticator
AAA Server
1: EAP Request/Identity
2: EAP Response/Identity
3: Diameter EAP Request :
EAP Response/Identity
4: Diameter EAP Answer:
EAP Request/Identity
CMS Signed Data: Network Info.
CMS Signed Data: Network Info.
CMS Signed Data: Confirmation
CMS Signed Data: Confirmation
Figure 5 : Network information exchange
- 13 -
ISSN 1612 - 9040
demand cost
established.
The user can alternatively send an EAP “Nak” response
in order to reject the offer. The data is forwarded to the
AAA server in message 7. Subsequently, the usual
authentication exchange (e.g. using EAP) follows.
before
the
service
is
We propose an extended accounting exchange (see
Figure 6). The main objective is to deliver accounting
information to the user. Furthermore, we aim for
authenticity, integrity and non-repudiation of accounting
signalling data. We follow an “on-demand” approach
where interim accounting data is exchanged on request.
We propose again EAP, Diameter and CMS to transport
and encode the accounting data. A more precise
definition of EAP and Diameter parameters is yet for
further study.
We note that the draft [Diam-CMS] which describes the
establishment of a security association between Diameter
Peers and the use of CMS within Diameter AVPs is still
in draft status (and is even expired). We have hence
omitted those exchanges which are necessary to establish
a security relationship between the peer und the AAA
server. Furthermore, the usage of signed data within EAP
is not yet fully standardised. On a lower security level
(and without authenticity of the network information) the
signatures might also be omitted.
On demand from either of the involved parties, the
accounting client generates an interim accounting record
which is in message 1 transmitted to the AAA (resp.
charging) server. The AAA server confirms the data with
his signature and sends an accounting response with
message 2. The signed resource usage data is forwarded
to the peer in message 3, where the Diameter envelope is
replaced by an EAP Request/Identity packet. The user
confirms the resource usage with his own signature
(message 4) after possibly comparing the resource usage
with his own metering data. The confirmation is
forwarded to the AAA server using Diameter (message
5). After the exchange, both sides possess authentic
(resp. confirmed) interim accounting data which can not
be revoked by either side. Alternatively, the user may
reject the data with an EAP “Nak” response. The
authenticator should then abort the service delivery and
the involved parties may resort to the last successful
interim accounting exchange.
In a standard architecture, one distinguishes the roles of
access and home network. The access (or serving or
visited) network provides connectivity and acts a service
proxy whereas the home network manages the user
subscriptions. Authentication proceeds between the
subscriber and the home network while the access
network works as a relay station. Accounting data is
forwarded from the network access server or service
proxy to the home network for purpose of user and interoperator charging. One may predict that home networks
will have a less dominant position in the future. Then,
the user may choose between different networks offering
post-paid, pre-paid or even ad hoc access without a prior
subscription.
3.4.2 Accounting phase
It would be desirable for the user to receive accounting
and charging information at any time during or after the
service. In current architectures, accounting exchanges
are usually restricted to the network domain without user
integration. Only in certain cases and mostly for some
premium telephony services, regulatory requirements
Peer
information
This accounting exchange may also be initiated by the
user (peer) or the AAA server, where precise message
types are for further study. The exchange may also occur
Accounting Client
AAA / Charging Server
1: Accounting Request :
Interim Record with
Resource Usage
2: Accounting Response:
CMS Signed Data:
Resource Usage
CMS Signed Data:
Resource Usage
CMS Signed Data:
Confirmation
5: Accounting Request :
CMS Signed Data:
Confirmation
6: Accounting Response
Figure 6 : Accounting exchange
- 14 -
ISSN 1612 - 9040
Authorisation and access control is also part of standard
functionality. It should be noted that key agreement and
subsequent encryption and/or message authentication is
usually necessary to enforce access control. Otherwise,
an attacker may hijack a session of an authorised user.
regularly at certain intervals (e.g. depending on time or
volume). It should also proceed after termination of the
service delivery where it is essentially the same
exchange but with a stop record instead of a interim
record. Again, when the signatures are omitted,
authenticity and non-repudiation is no longer achieved
but the user would still be supplied with accounting data.
Accounting security has some quite different aspects.
The accounting data may pass through insecure networks
and should hence be protected. This is mandatory for
Diameter, but not for RADIUS. Special emphasis should
be put on reliable transport and integrity protection since
the data is commercially relevant. We note that plain
encryption does not protect the integrity and authenticity
of the data.
A further extension would involve not only raw resource
usage information but also concrete charges. They may
be derived by the AAA server (and possibly further
charging or rating components) from the accounting
data.
Online charging is supported by the Diameter creditcontrol application [Diam-CC]. The proposed extensions
can also be adapted to online charging. A credit-control
server (instead of an AAA server) could then confirm or
provide detailed charging data (e.g. used service units or
a balance information) within signed AVPs which are
sent through the accounting client to the user.
Diameter requires transport security for AAA data with
IPsec ESP (Encapsulating Security Payload) or with TLS
(Transport Layer Security). But it should be noted that
this provides only hop-by-hop security between the
Diameter agents. Multiple Diameter nodes may be
involved in AAA signalling and protection against rogue
Diameter nodes would require end-to-end security. A
method to establish a security relationship between the
network access server and the Diameter home server is
described in [Diam-CMS]. Then, sensitive attributevalue-pairs (AVPs) can be signed and/or encrypted.
4. SECURITY CONSIDERATIONS
In this chapter, we discuss some fundamental security
aspects of AAA protocols and architectures. We do not
aim at a detailed analysis which would require the
determination of a specific system, protocol or
architecture.
The correctness and non-repudiation of accounting data
is a more subtle issue. In standard architectures, a single
metering station (e.g. a network access server) is trusted
by the involved parties. When this not a priori the case,
additional mechanisms are needed. Firstly, the user may
also measure the resource usage. Furthermore, we
propose a digitally signed accounting exchange so that
subscriber and home network can agree on the metering
data or otherwise terminate the service (cf. section 3.4.2).
Some technologies (e.g. fixed network telephony) do not
implement a protocol-based authentication but it is
becoming increasingly a standard feature in modern
communication networks. A secure user authentication
can be achieved with standard protocols when the
employed secret keys are strong enough. The protocol
should still be secure when the authentication data passes
through possibly insecure network connections or
components. They may be exposed to standard attacks:
eavesdropping, modifying, injecting and replaying of
messages. Hence a simple username/password exchange
(e.g. with the popular PPP PAP protocol) must be
considered insecure and should be replaced by a
challenge/response
protocol.
Furthermore,
the
authentication should be bilateral, i.e. also include
network authentication in order to avert false-networks
and man-in-the-middle attacks. For example, GSM
provides only user authentication whereas it successor
UMTS provides bilateral authentication. The security of
authentication mechanisms based on signatures (e.g.
EAP-TLS) may also depend on trusted root certificates.
The availability of the AAA infrastructure is often
crucial. Denial-of-Service (DoS) or even Distributed
Denial-of-Service (DDoS) attacks may restrict or
completely block the available network or computing
resources (e.g. by flooding with bogus messages). It is in
general difficult to protect against DoS attacks but it is
good practice in protocol design to reserve server
resources only after the peer (and possible attacker)
engages in expensive computations.
5. CONCLUSION
We discussed the AAA mechanisms of information and
communication networks. The analysis of AAA
requirements for Next Generation Networks (NGNs)
showed that the Diameter protocol and its applications
has clear advantages over the RADIUS protocol.
Furthermore, some requirements are not sufficiently
fulfilled by existing mechanisms, in particular regarding
network and service level information, advice of charge
and non-repudiation of AAA signalling. The
Many authentication protocols reveal the user identity to
eavesdroppers. This can be avoided by establishing a
secure tunnel (with network authentication) before the
user authentication begins. This is e.g. realised by the
EAP variants PEAP [EAP-PEAP] and TTLS [EAPTTLS].
- 15 -
ISSN 1612 - 9040
transparency and security aspect becomes more
important with an increasing number of available
networks and services and weaker links to a fixed home
network with long-term subscriptions. We propose a
network inquiry before the authentication phase and an
extended accounting exchange. The messages can be
transported with EAP resp. Diameter and should be
digitally signed, if possible, in order to achieve integrity,
authenticity and non-repudiation.
[RFC 2865]
[RFC 2866]
[RFC 2903]
6. REFERENCES
[RFC 2989]
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G. Camarillo, M. Garcia-Martin, The 3G IP
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Sons 2004.
[Diam-CC] H. Hakala, L. Mattila, J.-P. Koskinen, M.
Stura, J. Loughney, Diameter Credit
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March 2002.
[Diam-EAP] P. Eronen, T. Hiller, G. Zorn, Diameter
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[EAP-Netsel] W. Groeting, S. Berg, M. Ness, H.
Tschofenig,
Network
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[EAP-Netw] F. Adrangi, V. Lortz, F. Bari, P. Eronen,
Identity selection hints for Extensible
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[EAP-PEAP] A. Palekar, D. Simon, J. Salowey, H.
Zhou, G. Zorn, Protected EAP (PEAP)
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[EAP-TTLS] P. Funk, S. Blake-Wilson, EAP Tunneled
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[IEEE 802.1X] Port-Based Network Access Control,
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[ITU FGNGN] International
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www.itu.int/ITUT/ngn/fgngn/index.hml.
[K-SG]
H. Knospe, S. Schwiderski-Grosche,
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Mobile & Wireless Telecommunications
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[RFC 2661] W. Townsley, A. Valencia, A. Rubens, G.
[RFC 3588]
[RFC 3748]
[TS 22086]
[TS 23086]
[TS 23228]
[TS 32240]
[TS 32250]
[TS 32251]
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Pall, G. Zorn, B. Palter, Layer Two
Tunneling Protocol “L2TP”, IETF
Standard. August 1999
C. Rigney, S. Willens, A, Rubens, W.
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C. Rigney, RADIUS Accounting, IETF
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C. de Laat, G. Gross, L. Gommans, J.
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B. Aboba et al., Criteria for Evaluating
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B. Aboba, L. Blunk, J. Vollbrecht, J.
Carlson, H. Levkowetz (Ed.), Extensible
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standard, June 2004.
Advice of Charge (AoC) supplementary
services - Stage 1 (Phase 5), 3GPP, 2005.
Advice of Charge (AoC) supplementary
services - Stage 2, 3GPP, 2004.
IP Multimedia Subsystem (IMS); stage 2
(Release 6), 3GPP, 2005.
Telecommunication
management;
Charging
management;
Charging
architecture and principles (Release 6),
3GPP, 2005.
Telecommunication
management;
Charging management; Circuit Switched
(CS) domain charging (Release 6), 3GPP,
2004.
Telecommunication
management;
Charging management; Packet Switched
(PS) domain charging (Release 6), 3GPP,
2005.
ISSN 1612 - 9040
DEVELOPMENT OF A 6 DEGREE OF FREEDOM VEHICLE MODEL
M. Schiebahn1,2
1
Institute of Automotive Technology
Faculty of Automotive Systems and Production Engineering
2
Ford Forschungszentrum Aachen
application and benefit of computer simulations.
Advantages of computer simulations are obvious in
many sectors; however, the simulation of vehicle
dynamic behaviour is one of the most profitable. Since
the first ABS-systems were developed in the late
seventies, the amount of computer simulations has
increased progressively. Nowadays the power of
computer systems allows simulations of full vehicle
models, considering complex effects, such as
kinematics and compliance of wheel suspensions. These
models are used to represent a real vehicle within a test
environment. To obtain reliable results however, the
vehicle model has to be built up specifying most
important effects of the real vehicle. Hence, these
complex simulation models of full vehicles comprehend
some disadvantages:
Due to the fact that simulation models consider
generally many physical effects, the complexity of
mathematical coherences becomes rather huge. In
consequence of this increase, comprehension of the
vehicle model, its mathematical structure and its
modification get more and more difficult. Furthermore
the request of higher computer power increases
exponentially to realise real-time simulations, such as
hardware in the loop applications. This problem can be
handled by using powerful real-time hardware, but the
purchase of such real-time capable hardware is quite
expensive. Hence, it would be desirable to develop a
vehicle model, which is fast enough to run on standart
computers.
SUMMARY: In order to simulate and control the
dynamic behaviour of a vehicle, there is need to build
up a full vehicle model. In consideration of execution
performance, equations of motion and model
configurations should be developed as simple as
possible. The combination of several systems, such as
tyres and steering, within the vehicle model represents
the full vehicle.
This article shows the procedure of building up a 6 DOF
vehicle model. During development, the following
model properties are focused:
- Realising a preferably fast calculating times
- Reproducing several real vehicles by parameter
adjustment
- Modular model design to integrate or replace
individual systems mentioned above
ZUSAMMENFASSUNG: Die Durchführung fahrdynamischer Simulationen von Pkws und dessen
Regelungen beruht auf mehr oder weniger komplexen
Fahrzeugmodellen.
Um
möglichst
geringen
Rechenaufwand zu gewährleisten und die Nachvollziehbarkeit des Modellaufbaus zu vereinfachen, sollte
diese Komplexität nicht unnötig überdimensioniert sein.
Das Fahrzeugmodel stellt im Verbund mit
verschiedenen Modulen (z.B. Reifen, Lenkung, aktive
Systeme) das Gesamtfahrzeugmodell dar.
Dieser Beitrag beinhaltet den Entwicklungsablauf eines
Fahrzeugmodels unter Berücksichtigung von 6
zueinander unabhängigen Freiheitsgraden. Insbesondere
nachstehende
Schwerpunkte
werden
besonders
berücksichtigt:
- Einhaltung eines möglichst geringen Rechenaufwands
- Darstellung
verschiedener
Fahrzeuge
durch
Parametrierung
- Modularer Modelaufbau zur Integration verschiedener
Module
INTRODUCTION
The automotive industry is influenced in almost each
sector by development of computer power. Component
calculations or crash tests are indicators for the
Fig.1: Complex multi-body-simulation model
- 17 -
ISSN 1612 - 9040
The adjustment of parameters shows another possible
disadvantage. In general not all parameters are
representing physical quantities. Therefore it can be
difficult to separate or even measure them. In case of
such models, the number of parameters becomes rather
large; hence the parameter adjustment has to be
arranged for each different vehicle model. If an
automatism is not integrated, this also can be very
complicated and time-consuming. Therefore, the
developed vehicle model should offer a simple and
rapid parameterisation. Preferentially its parameters
should constitute physical vehicle attributes. Beyond
this, look-up tables can be integrated, in order to add
effects e.g. caused by compliances.
The observance of different vehicle attributes leads to
interaction between them. Different systems can not be
replaced without further considerations of implications.
Thus replacement or even integration of e.g. active
systems should be arranged as easily as possible. This
can be achieved by using a modular model structure.
For example different tyre models should offer common
interfaces.
The developed vehicle model is a cooperation project
between the Ford Forschungszentrum Aachen and the
University of Applied Sciences Cologne.
System E: absolute inertial system, fixed on road
surface
System C: fixed in CG of chassis; rotation: yaw,
equals system R
System V: fixed in CG of vehicle body; rotations: yaw,
pitch and roll
As a result of these rotations, several coordinate vectors
have to be transformed from one to another coordinate
system. This is done by using rotation-matrices. The
application of these matrices has to be carried out
considering the defined sequence of rotations. It is
defined by yaw – pitch – roll. Thatr is, rotation about z –
y – x axis. To transform vector V rRV from system V to
system E, the calculation reads:
r
r
r = AEV ⋅V rRV
(1)
E RV
r
The vector V rRV describes the coordinates from point
R to V; coordinates given in system V. AEV represents
the rotation-matrix from system V to E. System V
rotates about all axes, therefore the rotation-matrix AEV
has to be built up including three elemental matrices:
AEV = Aψ ⋅ Aϑ ⋅ Aϕ and AEC = AER = Aψ
FUNDAMENTAL MODEL DESCRIPTION
Where the elemental matrices read:
State-of-the-art mathematical descriptions of real
vehicles are described by multi-body systems [1]. The
developed vehicle model is composed of two rigid
bodies. These two bodies are able to execute relative
motions between them and the absolute inertial system.
Roll, pitch and yaw dynamic as well as lateral,
longitudinal and vertical motion describe the
independent motions.
The first rigid body represents the chassis; the second
corresponds to the vehicle body. Each of them features
a body fixed coordinate system and centre of gravity
(CG). Relative kinematics is used to derive the
acceleration vector for the respective CG. Altogether
following coordinate systems are established (potential
of rotations is indicated relative to System E):
cos ψ
Aψ =  sin ψ
 0
− sin ψ
cosψ
0
1
Aϕ = 0 cosϕ
0 sin ϕ
0
(2)
0
 cos ϑ 0 sin ϑ 

0, Aϑ =  0
1
0 ,

− sin ϑ 0 cos ϑ 
1
0 
− sin ϕ 
cosϕ 
(3)
The angles ψ , ϑ and ϕ correspond to yaw, pitch and
roll angle of the vehicle body. Algebraic signs are
defined due to rotational direction, which is defined by
clockwise rotation for positive axis directions. The
transpose of matrix AEV and AEC results:
T
T
AVE = AEV
and ACE = AEC
(4)
RELAITVE KINEMATICS
Constituted bonds permit to carry out six independent
motions overall. The chassis is allowed to move in
lateral and longitudinal direction, also yaw rotation is
executed. Due to the connection of the two rigid bodies,
the vehicle body is constrained to take part in all chassis
motions. Additionally it provides vertical travel (relative
to the road surface), as well as roll and pitch rotation.
Fig.2: Position vector viewed from different systems
- 18 -
ISSN 1612 - 9040
r
Velocity is calculated by multiplication of vector q& and
Jacobian matrix E J i ; where i represents the respective
In order to derive the equation of motion, the position
vectors have to be defined. Fig.3 shows their
composition:
Chassis:
Body:
r
r
rigid body. Vector q& is the time derivative of vector q .
The Jacobian matrix E J i is defined as the partial
derivative of the position vector.
r
r
r
(5)
r = AEC ⋅(C rER + C rRC )
r
r
r
r
(6)
E rEB = AEC ⋅( C rER + C rRV ) + AEV ⋅V rVB
E EC
Acceleration vectors are calculated similarly:
r
r
r
r
d ( E J C ⋅ q& )
= E J C ⋅ q&&+ E J&C ⋅ q&
dt
r
r
r
d ( E J B ⋅ q& )
=
= E J B ⋅ q&&+ E J& B ⋅ q&
dt
Chassis: E a EC =
Body:
E
r
a EB
(10)
(11)
r
&&
Where vector
r q accords to& the second time derivative
of vector q , and matrix E J i defines as time derivative
of E J i .
In order to calculate angular velocity vectors, angular
velocity tensors are defined:
Fig.3: Degrees of motion and vector composition
In order to assign the sub vector components preferable
as constants, they have to be displayed within system C
and V respectively. Beyond this, degrees of freedom
caused by translation are included within the position
vectors:
dAEC T
⋅ AEC = A& EC ⋅ ACE
dt
dA
T
= EV ⋅ AEV
= A& EV ⋅ AVE
dt
Chassis:
E
ω~EC =
(12)
Body:
E
ω~EV
(13)
~ describes the rotation of system C
Where tensor E ω
EC
relative to E, viewed from system E. This is defined
~ . The components represent:
comparably for E ω
EV
r
DOF vector C rER :
- Longitudinal motion equals x component
- Lateral motion equals y component
− ωz
ωy 
 ωx 
, r
 
− ω x  E ω Ek =  ω y 
ω 
0 
 z
r
DOF vector C rRV :
 0

~
E ω Ek =  ω z
−ω
y

The rotation-matrices include the rotations. A real
vehicle features a roll and pitch axle. Their position
depends on the wheel suspension.
Here, these axes are
r
represented
by
vector
r
and
the
rotation of vector
C RV
r
r
;
where
point
V
defines
the
point
of intersection of
V VB
both axes.
The identifier k accords to the regarded coordinate
system.
The corresponding angular velocity vector
r
E ω Ek is defined by the tensor components. This
depiction can be carried over in a form similar to the
notation of the velocity vectors. With Jacobian matrices,
it reads:
- Vertical motion equals z component
Chassis:
A simple way to derive the velocity vectors is presented
by using Jacobian matrices E J i and E J ωi . In this case,
it is necessaryr to describe all degrees of freedom by a
single vector q . Here it is defined as 6-by-1 vector:
r
q = (x
y
z ϕ ϑ ψ)
T
Body:
Body:
r
E v EB
ωx
(14)
r
r
(15)
r
r
⋅ q&
(16)
E
ω EC = E J ωC ⋅ q&
E
ω EV = E J ωV
Following notation describes the angular acceleration:
(7)
Chassis:
Then the velocity vectors read:
Chassis: E vrEC
0
Body:
r r
r r
r
d E rEC (q ) ∂ E rEC (q ) dq
r
=
=
r ⋅ = E J C ⋅ q& (8)
dt
dt
∂q
r
r r
r r
r
d E rEB (q ) ∂ E rEB (q ) dq
=
=
⋅
= E J B ⋅ q& (9)
r
dt
dt
∂q
r
r
r
r
d ( E J ωC ⋅ q& )
= E J ωC ⋅ q&&+ E J&ωC ⋅ q&
dt
r
d ( J ⋅ q& )
r
r
= E ωV
= E J ωV ⋅ q&&+ E J&ωV ⋅ q&
dt
E α EC =
E
r
α EV
(17)
(18)
&
E J ω k represent the time-derivative of E J ω k . These
calculations are standards in relative kinematics and can
be consulted in detail using [2] and [3].
- 19 -
ISSN 1612 - 9040
EQUATIONS OF MOTION
r r
r r
T
G (q , q& ) = J global
⋅ G (q , q& )
In case of complex models, analytical solving methods
are not always possible. Then a numerical solution can
be approached [1]. Here, this approach accords to
Newton-Euler. It relies on the method of sections. The
advantage depends on the fact that reactive forces do
not contribute to mechanical work. Thus there is no
need to regard them firstly. The basic equation of
motion defines:


 ∂ J
 r
mC ⋅  ∑ E C ⋅ q&n  ⋅ q&


∂
q
n
 n







∂
J
r


mB ⋅  ∑ E B ⋅ q&n  ⋅ q&

r r& 
 n ∂qn

G (q , q ) = 

 ∂ E J ωC
 r&
r 

%
&
ω
ω
⋅
⋅
⋅
+
⋅
⋅
I
q
q
I


∑
n
E EC E C E EC 
E C
 n ∂qn




 ∂ E J ωV
 r&
r 
 E IB ⋅ ∑
⋅ q&n  ⋅ q + E ω% EV ⋅ E I B ⋅ E ωEV 


 n ∂qn

r r
r r
r r
M (q ) ⋅ q&& + G (q , q& ) = Q(q , q& )
(19)
J global =  E J
E
J
T
B
T
E
J ωC
E
J
T
ωV

T
r r
r r
e
r
T
T
Q(q , q& ) = J global
⋅ Q + J global
⋅Q
r
T
J global
⋅Q = 0
(20)
r
 E f Ce 
 re
f
e
Q =  E r Be 
 t 
 E rCe 
 E t B 
(21)
re
Generally weight has to be treated as external force, but
here it is not considered. That is done, because all
external spring forces are calculated for the static rest
position.
All coordinates are described by system E. The sub
matrices of angular momentum E I i have to be given
for CG of the body. That means that the principle of
conservation of angular momentum is calculated for CG
also. E I i keeps constant within it body fixed coordinate
b system. In this case it must be transformed into the
inertial system E:
T
I = AEC ⋅C I C ⋅ AEC
(23)
I B = AEV ⋅V I B ⋅ A
(24)
E C
E
(28)
Where
r e E f i shows the vector of added external forces;
t
E i accords to external torques.
mC ⋅ E 0 ⋅ E 0 ⋅ E 0 ⋅ E 
 1 0 0
 0 ⋅ E m ⋅ E 0 ⋅ E 0 ⋅ E
 (22)

B
ˆ


E
=
 0 1 0
M=
,
 0⋅ E
0⋅ E
0 ⋅ E
0 0 1
E IC




⋅
⋅
⋅
E
E
E
I
0
0
0
E B

Body:
(27)
Therefore it is not necessary to know the reactive forces
and torques in first place. In order to calculate equation
(19), it is sufficient to enter all external forces and
torques:
Wherein M̂ is defined as:
Chassis:
(26)
Advantage of this solution offers the principle of
Jordain. It means that virtual power of the reactive
forces disappears [2]:
In order to build up the symmetric mass matrix,
following relation is used:
r
T
M (q ) = J global
⋅ Mˆ ⋅ J gobal
(25)
Matrix Q (q , q& ) is composed of applied forces and
torques as displayed by following syntax:
To calculate searched degrees of freedom, equation (19)
&r& . It includes the
has to be solved according to vector q
r
r r
symmetric mass matrix M (q ) , matrix G (q , q& ) and
r r
r r
matrix Q (q , q& ) . G (q , q& ) consists of Coriolis and
r r
centrifugal forces. Q (q , q& ) composes of reactive
and external forces. These matrices include partial
matrices, established by the several rigid bodies. In
order to generate them, there is need to define the global
Jacobian matrix J global . This matrix includes all
individual Jacobian matrices. It reads:
T
C
with
T
EV
The solution
of equation (19) computes the acceleration
&r& . Hence one model output is even this
vector q
acceleration vector. The integration of these states
results in the velocity vector. A second integration
results in position states.
DAMPERS AND SPRINGS
Equation (19) describes the behaviour of the vehicle
model. However, the model currently would not be able
to reproduce real vehicles. It is essential to declare
external forces and torques. Especially the damper and
mC and mBr represent
the chassis’s and vehicle’s body
r
mass. G (q , q& ) characterises the Coriolis and
centrifugal forces:
- 20 -
ISSN 1612 - 9040
determined for the described system. At this time,
vector transformations are not necessary:
spring forces are very important. After they are acting,
air resistant or tyre forces can be applied.
The springs and dampers depend on position and
velocity. They act in parallel. Therefore the connection
points of the damper and spring are identical. In order to
calculate their forces, it is required to identify the
relative position and velocity between chassis and
vehicle body. That is represented by four connection
points. Their calculation is done by using the vehicle
dimensions (track width, wheel base, etc.) and the state
vectors. In this consideration, only the vertical (relative
to road surface) travel zV and velocity z&V are
considered. Fig.4 shows the coherences. The effect of
tangential deviation is neglected. However, this can be
compensated by modifying the characteristic of
dampers and springs; or by adjusting the connection
points.
Fig.5: damper/spring system
&z&T ⋅ mT = cV ⋅ ( zV − zT ) + dV ⋅ ( z&V − z&T ) − cT ( zT − z R )
(29)
On the one hand the inputs are zV and z&V . Where zV
represents relative position and z&V indicates relative
velocity of the upper connection point. It is calculated
by the vehicle states and dimensions. On the other hand
the second input is z R . It describes road excitations.
One advantage of this system consists of the dynamic
behaviour of the tyre mass. The other one offers single
wheel travel. By reason of this, the dynamical tyre
normal force of one wheel reads:
Fig.4: Consideration of vertical travel
DAMPER AND SPRING SYSTEM
Damper and spring forces are applied on the chassis, as
well as on the vehicle body. They represent section
forces, thus it is sufficient to calculate them simply once
a sample time. Afterward this result is used to act on
both bodies.
One damper/spring combination defines a system. Like
the real car, there are four damper/spring systems
installed in the model. Each system offers an upper and
lower connection point.
The upper connection point moves along the vehicle
body rotations and bounce. This is different for the
lower point:
When the lower point would be connected to the
chassis, there would be no vertical displacement caused
by this body. That is constituted by the vertical
constraint of the chassis body. It is fixed to the road
surface. In this case, two effects would be eliminated.
First, road excitations and single wheel travel would not
be regarded. Second only steady-state tyre normal
forces would be obtained.
To prevent these disadvantages, the following
damper/spring system is introduced. It consists of a
single mass enabled to move in vertical direction. This
mass represents one wheel. The spring/damper is
connected above; the tyre spring fits below the wheel
mass. By means of Fig.5, the equation (29) is
E
0

r
r

0
fN =RfN = 
 c (z − z
T
R
 T



) 
(30)
The required damper and spring force is provided by
following part:
E
0


re
re

 (31)
f Damper
+ E f Spring
=
0

 c ⋅ ( z − z ) + d ⋅ ( z& − z& ) 
V
V
T 
 V V T
In this case, equation (29) uses linear vehicle spring
stiffness cV and damper coefficient dV . Furthermore
one can integrate other characteristics. Also different
spring stiffness or damper coefficients can be arranged
at the front or rear axle. The linear stiffness
cT represents the tyre spring.
When the spring/damper force applies on one body, the
mathematical sign must be inverted for the other one.
That is due to section forces.
The forces calculated by the spring/damper system
include four vertical bouncing masses altogether, while
the vehicle model computes with a single chassis mass.
- 21 -
ISSN 1612 - 9040
The produced failure mainly relies on the chassis’s
angular momentum. It is assumed to be constant for
system C. When the wheels are bouncing, this
assumption will be inexact. However, the chassis mass
is rather small and only allowed to rotate in yaw
direction. Therefore this failure should be rather small.
The tyre forces and torques are applied on the chassis.
They have to be entered in the associated vectors:
E
r
r
f Ce .and E tCe
The inputs of tyre models depend on the model
complexity. For simple approaches, the inputs are
defined as tyre normal force, camber angle, side slip
angle, friction coefficient and longitudinal wheel slip.
As described above, tyre normal force calculates by the
damper/spring system. Thus to exchange several tyre
models quickly, the inputs have to be unique as well.
MODULAR SYSTEM INTEGRATION
Apart from this, further systems can be mentioned.
However, one has to differentiate whether the particular
system produces torques, or whether it generates forces.
FORCE GENERATING SYSTEMS
In first place force producing systems, such as the
damper/spring combination,rhave to be mentioned in the
e
vector of external forces E f i . Due to their levers, they
produce torques. By this reason, they also rhave to be
e
regarded in the vectors of external torques E ti .
For example, the continuous damping control represents
such a system. The damper force is adjusted by the
dampers control logic. Also pneumatic springs can be
included. Its characteristic is adapted by changing the
pneumatic volume. Another example would be a pure
force producing actuator, such as used for active body
control. Forces caused by environment, such as air
resistance, act similar.
Fig.6: Wheel reference frame
The vertical mid-plane of the tyre can be turned relative
to the longitudinal vehicle axis. This relies on the
camber and wheel angle. Fig.6 shows that camber angle
is not influencing the direction of the tyre outputs.
However, the wheel angle rotates the complete wheel
frame. Hence the tyre outputs have to be transformed
from the used tyre frame W to system R. The rotation
matrix defines:
TORQUE GENERATING SYSTEMS
re
The external torque vector E ti represents pure torque
generating systems. Usually forces are non-existence.
Hence there is no need to define them. The passive or
active anti-roll-bar gives an example for such a system.
Finally, the model design of a system is decisive,
whether torques and/or forces have to be mentioned.
cos δ
ARW =  sin δ
 0
TYRE MODELS
Vehicle tyres are complex physical components. Thus
detailed descriptions will be found in literature as well
as simplifying model approximations. With respect to
fast simulation times, one should start with a basic
approach. Examples of several tyre models can be
referred in [4].
The vehicle model should offer integration of different
tyre models. To realise their exchange, inputs and
outputs must be defined. In case of a simple model, the
main outputs are longitudinal driving force, lateral side
force and torque, applied on the tyres’ vertical axis, such
as self aligning torques. When these outputs are defined
as vehicle model interfaces, equivalent tyre models can
be implemented.
− sin δ
cos δ
0
0
0
1
(32)
Wherein δ represents the wheel angle; the angle
between longitudinal tyre force and vehicle axis.
TYRE INFLUENCING SYSTEMS AND VARIABLES
The described systems are applied directly on the
chassis or vehicle body. Beyond their, other systems can
be integrated also. These systems indirectly influence
the vehicle model, because they act on the tyre inputs:
For cornering, the opportunity to steer must be given.
Wheel angles must be applied. They turn the tyre forces
in relation to vehicle’s longitudinal axis. In general each
- 22 -
ISSN 1612 - 9040
wheel can be turned individual. But in order to simulate
usual steering systems, two wheels rotate by a defined
relation.
To realise an ordinary hydraulic power assistant steering
(HPAS), this system has to be modelled. The output
would be the left and right front wheel angle. In the
simplest case, a constant or variable ratio is included to
describe the relation between steering wheel and front
wheel angles. Additionally the simulation of rear
steering systems can be mentioned.
The integration of active front steering (AFS) systems
will be done similarly. Such systems are generating
additional wheel angles. These have to be added on the
driver wheel angle.
In case of simulating pure electric power assistant
steering (EPAS) systems, the situation is different.
These systems basically are generating steering wheel
torques to influence the driver behaviour. In order to
simulate such systems, driver models with torque
feedback would be necessary.
A steer by wire system would offer both opportunities;
thus it displays a combination of EPAS and AFS.
Steering systems take influence on the tyre’s force
direction. Again engine, brake and differential torques
change the absolute value of longitudinal tyre forces.
The brake model’s output has to be a brake torque.
Regarding the implemented differentials, the engine
torque is split. The split torques can be seen as driving
torques. Thus the total torque, applied on the individual
wheel, calculates as difference between brake and
driving torque. To prevent misunderstandings, the
longitudinal tyre force does not accord to the calculated
wheel torque. It is rather used to calculate wheel slip.
systems’ integration. Thus the potential of diverse
combination can be shown. At present automotive
manufactures use similar procedures, in order to
simplify selection process of active systems.
CONCLUSIONS
The described vehicle model represents a simple
approximation of a real vehicle. Thus some effects such
as change of roll and pitch axle are not reproduced in
detail. Again, the advantage of a clear layout of the
model is given by mathematical definitions.
The vehicle model’s equation of motion calculates a non
linear solution. In order to realise faster simulation
times – especially real time, linearization can be
mentioned.
Using this structure several systems can be included,
whether active or passive. Additional the simulation of
different vehicle settings should be possible, by
adjusting damper and spring forces. A major advantage
is the estimation of potential and influence for different
variants. At which variants mean different tyres, vehicle
setting
and
passive/active
systems,
whether
combinations are possible.
Especially in order to simulate active systems, control
strategies will be needed. Therefore the vehicle model
can be used to prove their logic. It is the objective to
apply the model for the development of multiple active
LITERATURE
[1] W. Kortüm, P. Lugner, Systemdynamik und
Regelung von Fahrzeugen, Springer-Verlag,
Heidelberg 1994
[2] W. Schiehlen, P. Eberhard, Technische Mechanik,
Teubner-Verlag, Wiesbaden 2004
[3] R.E. Roberson, R. Schwertassek, Dynamics of
Multibody Systems, Springer-Verlag, Heidelberg
1988
[4] H. Pacejka, Tyre and vehicle dynamics, Cornwall
2002
- 23 -
ISSN 1612 - 9040
MODELING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE VEHICLE
SUSPENSION WITH MAGNETORHEOLOGICAL VIBRATION AND
IMPACT DAMPER
J.Bajkowski1, W. Grzesikiewicz2, A.Wakulicz3
1
Institute of Machine Design Fundamentals
Faculty of Vehicles and Heavy Engineery
Warsaw University of Technology
2
Institute of Vehicles
Faculty of Vehicles and Heavy Engineery
3
Institut of Mathematics
Polish Academy of Science
SUMMARY: The paper presents a mathematical
description of vibrations of the vehicle equipped with
magnetorheological (MR) dampers, whose friction force
may be changed by electrical signal. The merit of the
presented method of control consists in determination of
the optimal values of four friction forces in each instant
of time during the vehicle ride. As the criterion of
optimization an index characterizing the vertical
acceleration of the chosen point of the vehicle has been
taken. Using this criterion the optimization problem for
the friction forces has been formulated.
VEHICLE’S SUSPENSION MODEL
To the motion analysis of vehicle’s suspension
elements, system’s model illustrated in fig. 1 have
been proposed.
6
y
V
A
∆2
INTRODUCTION
ζ
Presenting work concerns modeling and experimental
research of the vehicle’s suspension physical model
with magnetorheological (MR) shock absorber. The
main aim of work is to develop a method of choosing
optimal dissipative force values on suspension elements
on account of drive comfort.
For previously mentioned task realization, vehicle
suspension model have been proposed. It’s
mathematical
description,
besides
classical
vibrations analysis, takes into account lack of
contact between wheels and paving phenomenon, so
takes into account results of impacts, which occurs
due to suspension elastic displacements limiters
acting.
1
7
∆1
4
S
3
zo
2
mo
So
5 ζ(X)
X=Vt
Fig. 1 Vehicle’s suspension scheme; 1- motor-car body,
2- wheel with components, 3- suspension spring, 4shock absorber, 5- tire, 6-limiter, 7-wheel-body
displacement sensor
-
The purpose of the experimental research was:
-
determining
of
MR
shock
absorber
characteristics in a kinematics extortion of the
motion conditions,
- determining of characteristics in impact forces
acting case.
Experimental research results are necessary to
conduct a motion simulations of examined model.
Main assumptions are:
suspension’s elastic elements, such as springs and
tires, have a non-linear characteristics; those
functions characters are presented in fig. 2,
in concerned system dislocation limiters occur,
the construction element of mentioned system model
is also steered and “intelligent” shock absorber.
a)
S(η )
b)
So(ξ )
Qst
Qst +mo
ηst
∆2
∆1
η
ξst
Fig. 2 a, b. Characteristics of springs and tires
- 24 -
ξ
ISSN 1612 - 9040
between damper constant and steering variable w; Cmin ,
Cmax are limit values of this function.
VEHICLE’S MOTION EQUATIONS
This last condition means, that the damping of
suspension vibrations force value is not only the
function of a wheel and the motor-car body velocity, but
also steering signal T = T ( y& − z&0 , w) , where w is a
Scheme of analyzed vehicle’s model is illustrated in
fig. 3, where it’s basic parameters and coordinates
have been plotted. Occurring coordinates could be
represented by a vector:
signal determined in suspension steering system.
F (η , v ):= S (η ) + T (v; w ) + R
(1)
mo &z&o = − F (η ,v ) − S o (ξ ) + mo g − R
(2)
where:
F- resultant force acting between a wheel and motor-car
body;
S – force in a suspension spring;
T – shock absorber (damper of vibrations) suspension
force;
R – reaction force in the suspension dislocation limiters;
S0 – tire loading force;
η - variable which characterizes a displacement of the
suspension spring;
v – shock absorber (damper) displacement velocity;
ξ - variable which characterizes a tire strain;
w - variable which characterizes a shock absorber
steering signal.
To the vehicle vibrations description we are
taking into account variables, which correspond to a
body and wheel displacements, measured from a
standing vehicle equilibrium point on a straight lane.
This change of variables is described by relationships:
η = y − z 0 + ηst ; u := y − z 0 ;
v = y& − z& 0 ; ξ = z 0 + ς + ξ st
[
]
T
X:= Z, Φ x , Φ y , z o1 , z o 2 , z o 3 , z o 4 ; X ∈ R 7 (6)
m,J x ,Jy
Z
Φy
2b
0
y
z o4
mo3
zo3
a2
a1
Φx
V=const
x
m o2
xK K yK
aK
z o2
z
4
mo1
3
zo1
ζL
2
ζP
1
Fig. 3. Scheme of analyzed vehicle’s model
Taking into account previously mentioned
assumptions, vehicle’s motion equations without
limiters can be written as:
&& + H ⋅ S(X ) + T X
& , W + H ⋅ S (X, t ) = Q
(7)
MX
o
o
where:
(
M∈R
S∈R
7×7
4
(
))
- matrix of the system’s inertia;
- force vector arising in suspension springs;
4
T ∈ R - friction force vector in dampers;
(3)
4
So ∈ R - deformed tires force vector;
where:
y – displacement of the A point measured from the
equilibrium point;
z0 – displacement of the wheel center measured from
the equilibrium point;
u – suspension spring displacement measured from the
equilibrium point;
v – suspension spring displacement velocity;
η st, ξ st, - suspension spring and tires displacements in
equilibrium point;
ζ - variable which characterizes pavement imparity.
In considered suspension model, displacement
limiters between wheel and body occur. Description of
resulting from it limit is as follows:
− ∆ 2 ≤ u ≤ ∆1 , u : = y − zo
(4)
where:
∆ 1, ∆ 2 - geometric coordinates which describe
limiting displacements between a
wheel and motor-car body.
Because of implementation of steered shock
absorber in a researched model, rule of determining of
shock absorber steering signal, basing on displacement
sensor data placed between wheel and body, has been
proposed.
Therefore we will consider a shock absorber,
which characteristic is described by formula:
7×4
H , Ho ∈ R
- matrixes describing directions of
mentioned forces in configuration space;
7
Q ∈ R - generalized gravity force vector.
Now we will focus on description of previously
written designations. Taking into account that O point
(fig. 3) is situated in a vehicle’s center of the mass,
following form of the matrix of inertia is obtained:
M:= diag m, J x , J y , m o1 , m o1 , m o 2 , m o 2 (8)
(
)
where transposed symbols determine mass and
momentums of inertia of the motor car body and a mass
of front and rear wheels.
Matrix of acting suspension forces directions is
defined as
H:= [H1 , H 2 , H 3 , H 4 ], H i ∈ R 7 i = 1,L,4 , (9)
when vectors Hi determine directions of i wheel arising
forces.
T
T
H1:= [1, b,−a1 ,−1,0,0,0] ,H 2:= [1,−b,−a1 ,0,−1,0,0] ; (10)
H3:= [1, b,+a 2 ,0,0,−1,0] ,H 4:= [1,−b,+a 2 ,0,0,0,−1] .
Previously mentioned Hi vectors, give a possibility
to determine a suspension spring displacements
according to chosen coordinates; therefore we use (3)
formula
T
T
ηi:= u i + ηst i = H iT X + ηst i ; i = 1,L,4; (11a)
T(v; w ) = C(w ) ⋅ v, C min ≤ C(w ) ≤ C max ;
(5)
where C is a function describing dependences
- 25 -
ISSN 1612 - 9040
analogically shock absorber (damper) displacement
velocity is determined:
- H T X + ∆ g ≥ 0 ),
Where
& ; i = 1,L,4.
vi:= H iT X
(11b)
Suspension spring’s displacements and velocities of
displacements are defined by vectors:
∆ d : = ∆2 , ∆2 , ∆2 , ∆2
T
; ∆ g : = ∆1, ∆1, ∆1, ∆1
T
21)
Described system’s vibrations description, taking into
account limiters is as follows:
T
&& = F(t , X, X
& )+ R
MX
(21a)
H X + ∆ d ≥ 0,− H X + ∆ g ≥ 0, R:= Hλ d − Hλ g ,
(21b)

T
T
T
T
 λ d ≥ 0, λ g ≥ 0, λ d H X + ∆ d = 0, λ g − H X + ∆ g = 0,
T
In similar way directions of displacing tires acting force
is defined
T
(
H o:= [H o1 , H o 2 , H o 3 , H o 4 ],
)
(
)
where
H oi ∈ R i = 1,L,4 ,
7
λ d , λ g ∈ R 4 - reaction multipliers vector;
(13a)
7
if
H o1:= [0,0,0,1,0,0,0] ,H o 2:= [0,0,0,0,1,0,0] ;
F ∈ R - generalized resultant force vector resulting
from (7) i.e.
T
H o 3:= [0,0,0,0,0,1,0] ,H o 4:= [0,0,0,0,0,0,1] .
T
∆ d , ∆ g ∈ R 4 describe limiting values of
displacements i.e.
U:= [u1 , u 2 , u 3 , u 4 ] = H T X,
T
& . (12)
V:= [v1 , v 2 , v 3 , v 4 ] = H T X
T
(20)
T
(
))
elements, generalized reaction force occurs ∈ R ,
which is determined by (21b) conditions. Due to
technical restrictions, finding a solution method of
previously formulated problem is omitted. It could be
find in [2].
Presented mathematical description of the
vehicle’s vibrations is a base for conducting a computer
simulations of vibrations. Description of applied shock
absorber controlling rule is a topic of the next
paragraph.
7
ξi:= H Toi X + ζ i (t ) + ξst i ; i = 1,L,4, (14)
if functions describing pavement’s imparity are like
ξ3 (t ):= ζ P (Vt − a 2 ),ξ 4 (t ):= ζ L (Vt − a 2 ),
((
In motion equations, besides previously described
Tires displacements are calculated form (3), it means
ξ1 (t ):= ζ P (Vt + a1 ),ξ 2 (t ):= ζ L (Vt + a1 ),
)
& := Q − H S X
& , W − H ⋅ S (X, t ) (22)
F t , X, X
o
o
(13b)
(15)
where ζ P, ζ L are functions of pavement imparity under
right and left wheels.
Force vectors arising in suspension springs are
calculated form
S(X ):= [S1 (η1 ), S2 (η2 ), S3 (η3 ), S4 (η4 )] (16)
T
SHOCK ABSORBER’S (DAMPERS) STEERING
if S 1, S 2 – suspension spring characteristics of front and
rear wheels (Fig. 2)
In similar way, forces arising in tires are calculated
The most important part of presented method of
shock absorbers steering process is determining in each
moment friction force values, for which the indicator
characterizing vibrations, according to the fixed criteria,
reaches the optimal value.
As an indicator which characterizes vehicle’s
vibrations, absolute value of fixed point K of the motorcar body’s acceleration has been chosen (fig. 3). The
value of this acceleration is a linear function of the
generalized acceleration, i.e
S o (X, t ):= [So (ξ1 ), So (ξ 2 ), So (ξ3 ), So (ξ 4 )] (17)
T
Generalized gravity force is determined by a vector
Q:= [mg,0,0, m o1g, m o1g, m o 2g, m o 2g ] (18)
T
where m is the mass of a motor-car body however m 01,
m 02 describe the mass of a front and rear wheel and
connected to them elements; g is the acceleration of
gravity.
Description of a force vector arising in shock absorbers
(dampers) is
T
T(X; W ):= [T (v1; w1 ), T (v2 ; w2 ), T (v3 ; w3 ), T (v4 ; w4 )] (19)
&& ; G : = [1, x , y ,0,0,0,0]T , (23)
a k := G T X
k
k
7
where G ∈ R – vector connected to the direction of K
point acceleration in the configuration space. Basing on
motion’s equation (7) dependences between generalized
acceleration and friction forces arising in shock
absorbers, could be determined
&& = −M −1 (Q − HS( X) − H S ( X, t ) − HT X
& , W ) (24)
X
o o
if the damper’s displacement velocity v i has been
proposed in (13) however w i signals are determined by
steering system.
As was previously mentioned in equations (7),
acting of suspension limiters have not been taken into
account (fig. 1). Those limiters affect on a motion in
such situations as a mutual displacement of wheels and
motor-car body reach limiting values. In this case
impact could occur, causing rapid change of the system
velocity or the reaction force of limiters could act.
Matrix form of limiters description is formulated by
formulas (4), (11a) and (12)
(
)
Considering formula shown above in (23) and making
some transformations following formula could be
achieved
a K = a o ( t, U) + DT T
(25a)
−1
a o ( t , U) : = −G M (Q − HS( X)) ;
T
D T : = −G T M −1H
− ∆ d ≤ H T X ≤ ∆ g and ( H T X + ∆ d ≥ 0 also
- 26 -
(25b)
ISSN 1612 - 9040
SIMPLIFIED EXAMPLE
SIMULATION
G T M −1H o = 0 , and designation
also equality
U := H T X have been taken into account.
THE
VEHICLE
For the proposed research method verification,
simplified flat vehicle’s model has been applied. The
scheme of it is illustrated in fig. 4.
Therefore relationship between friction forces and the
value of characterizing vibrations indicator is
formulated as
α(T, t , U ) : = a o (t , U ) + D T T
OF
(26)
Lowest value of the previously presented equation is
treated as an optimum and using this criteria, friction
force values will be determined. Before formulating
choosing friction forces task, acceptable set of those
forces values has to be defined.
Ω(V ) := T ∈ R 4 : Tmin (V) ≤ T ≤ Tmax (V) ⊂ R 4 (27)
{
}
if vectors
[
: = [T
min
Tmin : = T1
Tmax
,L, T4
max
1
] et
]
min T
,L, T4
Fig. 4 Simplified vehicle's model
max T
are determined as follows
 cimin vi ,
min
Ti :=  max
ci vi ,
c max v ,
Timax :=  imin i
 ci v i ,
min
si vi ≥ 0
si vi < 0
Using presented in this figure markers and taking
into account coordination set which describe system’s
configuration in vector (30) form, being in force
motion’s equations could be formulated as follows:
;
[
X : = z, Φ x , Φ y
si vi ≥ 0
, i=1,…,4 (28)
si vi < 0
]T ∈ R 3 ,
(30)
it means X1 : = z , X 2 : = Φ x , X 3 : = Φ y .
max
where ci , ci
are the limiting values of damping
coefficients.
The friction force value is determined form following
optimization problem
T = arg min α(T; t , U )
(29)
&& + H(S + T ) = Q ,
MX
(31)
where M ∈ R 3×3 is the matrix of inertia
M : = diag m, J x , J y ,
(
T∈Ω ( V )
)
(32)
however spring force’s vectors S ∈ R 4 and damper’s
videlicet that for chosen in such a way friction forces T
α designation value reaches it’s minimum in Ω set. Thus
determined friction forces guarantee the lowest absolute
value of K point acceleration in t while, when
displacements between wheels and body (fig. 1) are
forces T ∈ R 4 are described as:
S : = [S1 , L , S 4 ]T ∈ R 4 , Si = f i ( U i ) ;
(33a)
T : = [T1 , L , T4 ] ∈ R , Ti = Fi (Vi , w i ) ; (33b)
where variable’s values
U i , Vi , (i = 1, L ,4 ) are
determined from
T
defined by vectors U, V ∈ R . Determined in such a
way friction forces values should be applied in shock
absorbers. Therefore, basing on steered shock
absorber’s characteristic, set of steering signals is
4
4
U i (t ) : = H iT X(t ) + ς i (t ) + U oi ,
& (t ) + ς& (t ) ,
Vi (t ) : = H iT X
i
however ς i , (i = 1, L ,4) are functions
pavement’s roughness.
determined W ∈ R . In currently discussed, on the
basis of (5) conditions, signals determining method is
considered. Afterwards basing on arriving to shock
absorbers W signals, friction forces, which values are
near to optimum, are realized. During already conducted
numeric simulations, we assumed that the friction forces
realizing system in shock absorbers is perfect, it means
that arising in shock absorbers friction forces are equal
to values calculated from formula (29)
In presented considerations, the criteria
function (26) has an exemplary character. Selecting the
criteria function, different demanding connected to
vibration process, should be taken into account. In most
cases, those demanding are connected to increasing of
ride comfort and decreasing the wheel pressure value on
the pavement.
4
(34a)
(34b)
describing
H i ∈ R 3 , (i = 1, L ,4) determine
in
Vectors
configuration’s space the direction of acting S i and Ti
H1 : = [1, b,−a 1 ]T , H 2 : = [1,−b,−a 1 ]T ,
H 3 : = [1, b, a 2 ]T , H 4 : = [1,− b, a 2 ]T . (34c)
Vehicle’s
gravity
force
is
described
by
Q : = [ mg,0,0 ]T ∈ R 3
vector,
numbers
U oi , (i = 1, L,4) are equal to spring’s deformations in
the vehicle’s initial equilibrium point
Task’s (31) solution is described by X i , (i = 1, L,3)
functions and is determined for chosen functions
ς i , (i = 1, L ,4) set, which forces vehicle’s vibrations
- 27 -
ISSN 1612 - 9040
and
selected
algorithm
for
determining
w i , (i = 1,L ,4 ) signals which are controlling dampers.
The full set of vehicle’s vibrations equations with
controlled dampers is in the form of:
&& (t ) + HS(U(t )) + HT(V(t ), w (t )) = Q (35a)
MX
w (t ) : = F (U(t ), V(t )) ,
(35b)
T
T&
U(t ) : = H X(t ) + ς(t ) + U , V(t ) : = H X(t ) ,
(35c)
Fig. 5. Schematic diagram of MR damper, 1 – piston, 2
– coil, 3 – gap, 4 – cylinder
o
Due to a piston 1 movement, MR fluid is pumped
between chambers created by a piston in the cylinder 4.
The liquid is pumped through the gap 3, where the
magnetic field, induced by the coil 2 winded on the
piston, is acting.
where F is a function which describe the algorithm of
determining steering signals w (t ) ∈ R 4 .
STEERING OF MR DAMPERS
The most important part of presented method of MR
dampers steering process is determining in each
moment friction forces four values, for which the
indicator characterizing vibrations, according to the
fixed criteria, reaches the optimal value.
As an indicator which characterizes vehicle’s
vibrations, absolute value of fixed point K of the motorcar body’s acceleration has been chosen (fig. 4). The
value of this acceleration is a linear function of the
generalized acceleration, i.e.
&& , G : = [1, x , y ]T ,
a := G T X
(36)
k
3
k
k
where G ∈ R vector is connected to the direction of K
point acceleration in the configuration space.
Basing o motion’s equations (31) generalized
acceleration vector could be determined.
&& = −M −1 H(S + T ) + M −1Q ,
X
(37)
and in the next step acceleration of the K point
a k : = −G T M −1 H(S + T ) + G T M −1Q = a o (t ) + D T T , (38)
with denotations
D T : = −G T M −1H ∈ R 4 ,
a o (t ) : = D T S(U(t )) + M −1Q ∈ R 1 .
(39)
The form of function which determine in each while the
comfort index depending on forces arising in dampers
could be written as:
κ(T; t ) : = a o (t ) + D T T .
Fig. 6 Schematic chart of characteristics
Schematic chart of the characteristic in the form of
acceptable force set in the MR damper has been
presented in fig. 6a. This set is limited by two lines
determined by boundary values of a steering signal
w max and w min . On the base of this characteristic, for
each deformation v o , set of acceptable forces
ω(v o ) could be determined. In fig. 6b, an exemplary
damper’s characteristic realization for chosen value of
the steering signal has been illustrated.
Problem, which solution determines optimal forces in
dampers, is formulated using formula (13) and
previously mentioned ω set. Assumption, that in t while,
(40)
Lowest value of the previously presented equation is
treated as an optimum and using this criteria, friction
force four values will be determined. T : = [T1 , L, T4 ]T .
The set of acceptable force values Ti , (i = 1, L,4) is
conditioned by MR damper’s properties which are
described by it’s characteristic. The selection of optimal
force values is realized by steering signals
w i , (i = 1, L ,4 ) .
In MR dampers case, the role of steering signals play
coil’s winding currents, which induce a magnetic field
in the MR damper’s gap. In fig. 5 scheme of MR
damper has been illustrated.
the damper’s velocity deformation vector V(t ) ∈ R 4 is
known and correlated to it set of four ensembles
ω(Vi (t )) (i = 1,L ,4 ) , have been made. According to
that, set Ω(t ) ⊂ R 4 could be established.
{
}
Ω(t ) : = T ∈ R 4 : Ti ∈ ω (Vi (t )) , i = 1, L ,4 . (41)
- 28 -
ISSN 1612 - 9040
CLOSING REMARKS
Optimization task has been considered. It consists of
looking for convex but not strictly convex functional κ
(13) minimum value. The set of acceptable solutions Ω
(14) is convex. Previously mentioned optimization task
has a solution, which in general is not unique.
Formulating this optimization problem is in the form of:
Dynamic problem formulated in (35) conditions and
presented algorithm of determining function F values,
were the base of developing software realizing
computer calculations, which gave possibilities to
conduct a vehicle’s vibrations numeric simulations. This
software was used to simulation researches of the
influence of the MR damper’s steering algorithm on run
and reduction of the chosen vehicle’s point acceleration.
Simulation researches will be supplemented by
damper’s properties measurements, leading to
identification of the model’s [2] parameters.
T ∈ R 4 vector should be determined which is a solution
of following task
T ∈ Arg min a o (t ) + D T T .
T∈Ω (t )
(42)
Due to the available space restrictions, detailed
algorithm’s description of solving (42) equation will not
be presented in currently discussed work.
After
optimal
force
values
determination
Ti , (i = 1, L,4) ,
steering
signals
w min ≤ w i ≤ w max , (i = 1, L,4 ) ,
which
give
possibilities for those forces realization, should be
chosen. Those signals are damper’s coil winding
currents. Values of those currents are established basing
on the MR damper’s characteristic. In such a way, the
algorithm of determining
steering signals i.e.
determining of function’s F (U(t ), V(t )) values, have
been described.
REFERENCES
[1] Dyke S.J., Spencer B.F., Sain M.K., Carison J.D.:
Modelling and control of magnetorheological dampers
for seismic respons reduction. Smart Mater, Struct.5
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Identyfikacja modelu magnetoreologicznego tłumika
drgań. Metody aktywne redukcji drgań i hałasu
– IV szkoła, AGH. Kraków – Krynica, 1999.
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magnetoreologiczne oraz ich zastosowanie w technice.
Wydawnictwa Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999.
[4]
Materiały
katalogowe
firmy
LORD
CORPORATION, www.mrfluid.com. Филипов И.Б.:
Тормозные
устройства
пневмоприводов.
Машиностроение, Ленинград 1987.
[5] Bajkowski J., Analysis of Influence of Some
Magnetorheological Damper Parameters on Energy
Dissipation and Absorption Properties, Machine
Dynamics Problems, Vol. 28, No 3, 2004
[6] Bajkowski M., Grzesikiewicz W., Knap L., Etudes
des amprtisseurs magnetorheologiques,9eme Seminaire
Franco-Polonais de Mecanique, Villeneuve d’Ascq 1
juillet 2002.
SIMULATION’S EXAMPLES
In fig. 7, 8 simulation’s example of simplified
vehicle’s model movement, has been illustrated. Taken
into account criteria was the minimization of previously
chosen point’s vibrations amplitude.
Fig. 7. Simulation’s example of simplified vehicle’s
model movement with and without damping
Fig. 8. Stabilized cycle of vehicle’s movement with and
without damping in the range of 2,5 to 3,5 [s]
- 29 -
ISSN 1612 - 9040
STABILIZATION OF PLASTIC MATERIALS PROPERTIES UNDER
CYCLIC PROPORTIONAL LOADS
A. Buczyński
Institute of Heavy Machinery Engineering
ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Poland
describes elastic component:
SUMMARY: The present work is addressed to
transition of material properties under uniaxial and
proportional loads. The approach is based on
incremental multisurface plasticity theory including
kinematic hardening law and gradient plastic flow rule.
Based on a wide variety of experimental data an
assumption was forwarded that material properties
change within the bounds of static and cyclic curves
during the initial phase of load history.
According to the supposition that material parameters
are associated with the current state of plastic strain, the
simulations of material response to uniaxial and
proportional cyclic loads were performed.
εe =
σ
E
,
(2)
where proportionality factor E denotes the Young
modulus.
1. INTRODUCTION
Engineering components subject to complex
multiaxial loading environments frequently exercise
local plastic deformations. The effect, in majority of
cases, is observed in zones adjacent to geometrical or
structural notches during applications of monotonic or
cyclic loading. Plastic deformations induce dislocations
of grains, create slip bands, influence growth of voids in
the material. As the result of cyclic application of
complex loads, fatigue damage develops at a rate that
defines the number of cycles to failure. In general,
material plastic properties and character of load
histories influence the process of accumulation of the
fatigue damage.
External loads applied to construction elements are
considered as proportional, if various cyclic stress
components are in phase at the constant ratio. The
specified example, for the case of simultaneous
operation of normal and shear stress components is
given in Fig.1. When the applied load runs at changing
phase and different ratio of active components, as it is
illustrated in Fig.2, the loading is termed nonproportional.
Plastic properties of construction materials are
determined experimentally. Uniaxial tension and cyclic
tension-compression tests indicate that total strain of
standard samples can be represented by elastic and
plastic components:
Fig.1. Cyclic proportional loading (torsion-tension and
torsion-compression) of thin wall cylinder
Fig.2. Cyclic non-proportional loading (torsion-tension
and torsion-compression) of thin wall cylinder
Another function couples stress and plastic strain. These
quantities demonstrate strong non-linearity, usually
expressed by exponential relation:
1/ n
σ 
ε =  .
K
ε = εe +ε p .
(1)
The results of uniaxial tension tests show two types of
functions relating the strain components to the stress σ,
representing the applied load. The linear relation
p
(3)
The two parameters K and n refer to strength factor and
- 30 -
ISSN 1612 - 9040
indicate that metals demonstrate two different reactions
to cyclic and static loads:
a) hardening, if the stress corresponding to the fixed
cyclic strain amplitude is greater than the stress
induced at the same level of static strain;
b) softening, if the cyclic constitutive curve is placed
under the static characteristic.
The above mentioned effects are represented by
variations of the hysteresis loops at σij-εij planes, that is
σ12-ε12 and σ11-ε11, if construction element carries
normal and shear stresses under torsion and tensioncompression loads (Fig.1). The rate of the variations
decreases, due to plastic strain evolution, in the progress
of the applied load history. The saturation of the process
appears at different stages of the load application. The
range of the transient phase may contain a few percent,
in the case of majority of steels, up to 1/3 or 1/2 of
number of cycles to failure in the case of aluminum,
copper or Cu-Zn alloys. Thus the simulations of stressstrain histories, in particular at critical points of
engineering components, necessary for fatigue analysis,
should include transient instabilities of materials.
The present paper addresses the analysis of
hardening of material under cyclic uniaxial and
multiaxial proportional loads. The Hooke law and
Prandtl-Reuss relations will be used to describe
behavior of plastically incompressible material
demonstrating ideal elastic reaction in domain of elastic
strains enclosed by limit elasticity surface. The transient
hardening effects will be simulated on the base of
multisurface theory proposed by Mróz and Garud.
hardening exponent, respectively. Note that, according
to the basic definitions of plasticity theory, the axial
plastic strain εp and axial stress σ can be termed by
equivalent quantities:
ε eqp =
=
2
2
2 p 2
e1 ) + ( e2p ) + ( e3p )  =
(


3
2
2
2 p 2  1 p  1 p 
p
ε
ε
ε
+
−
+
−
(
)


 
  =ε ,
3 
2
2

 
 
σ eq =
3 2
 S1 + S22 + S32  =
2
2
2
2
3 
1   1   1  
=
 σ − σ  +  − σ  +  − σ   = σ ,
2 
3   3   3  
where eip , Si denote principal components of plastic
strain and stress deviator tensors. Thus the equation (3)
presented in general form:
1/ n
σ 
ε =  eq 
 K 
p
eq
(4)
refers to multiaxail loads. The sum of the two strain
components εe and εp, presented in Fig.3, corresponds to
well-known Ramberg-Osgood curve:
σ
1/ n
σ 
ε = + 
E K
(5)
2. GENERAL REMARKS ON THE PROPOSED
MODEL
The subsequent discussion will be confined to
small strains within the scope of plasticity theory
considering the strain additivity rule (eq.1). Thus the
increments of total strain are split into elastic and plastic
components. The elastic component is described by
general Hooke law, and the plastic contribution by
means of gradient plastic flow rule associated with the
von Mises yield function, providing for plastic
incompressibility. The material memory effects will be
simulated according to Mróz postulates [6], modified by
Garud [8] to avoid crossing of plasticity surfaces under
finite stress increments. In order to simplify further
discussion, the indicial notation will be introduced and
illustration will be demonstrated at √3τ - σ11 plane.
Rys.3. Static Ramberg-Osgood curve
Similar behavior of metals is observed under
cyclic tension-compression tests. The results of
experimental studies indicate transient evolution of
plastic properties of these materials. During the initial
phase of loading, when plastic deformation appears,
changes of shape and drift of hysteresis loops, on the σε plane, represent the evolution of the plastic properties
of metals. In the course of load application the process
saturates. Consecutive load cycles induce stable loops,
which tips, corresponding to strain amplitudes,
formulate the cyclic Ramberg-Osgood curve:
σ
2.1. INCREMENTAL STRESS-STRAIN RELATIONS
1/ n′
σ 
ε = + 
E  K′ 
,
(6)
In the following discussion, the general Hooke law
and the Prantl-Reuss flow rule associated with the von
Mises plastic yield criterion are used to describe the
constitutive model of incremental plasticity. For the
isotropic body, the incremental stress-strain relations are
given as:
where K’ denotes material cyclic strength, and n’ is the
cyclic hardening exponent.
Stabilization of hysteresis loops is also visible,
when material carries multiaxial proportional loads. The
results of numerous experimental studies [1,2,3,4,5]
- 31 -
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1 +ν
ν
3 ∆ε eq
⋅ ∆σ ij − ∆σ kk δ ij + ⋅
⋅ ( S ij − α ij ) (7)
E
E
2 σ eq
p
∆ε ij =
where the following notation was employed:
∆ε ij - total strain increments; ∆σ ij - stress increments;
∆σ kk = ∆σ 11 + ∆σ 22 + ∆σ 33 - hydrostatic stress
increment;
δ ij - Kronecker delta;
∆ε eqp
-
∆ε eqp =
2
∆ε ijp ∆ε ijp ;
3
σ eq
equivalent
plastic
- equivalent stress: σ eq =
strain
increment:
3
S ij S ij ;
2
S ij - deviatoric stress components; α ij - deviatoric
backstress components;
ν , E - standard elastic constants.
The above general relations are obtained on the base of
uniaxial curve, which relates the equivalent plastic
strain increment to the equivalent stress increment:
∆ε eqp =
df (σ eq )
dσ eq
⋅ ∆σ eq
where the function ε eqp = f (σ eq )
Fig.4. Static and cyclic hardening/softening RambergOsgood curves
It can be stated, on the background of the results of
the experimental studies [1,2,3], that material properties
change during the plastic flow evolution in the course of
consecutive application of loading and unloading
events. We shall further assume that the variations of
the plastic material behavior are represented by
progressive transformation of the static curve, which
gradually approaches the cyclic curve, as the plastic
flow increases the irreversible strain. In order to specify
the material current properties associated with actual
state of plastic strain, due to the progress of the cyclic
load, the constant factors of the Ramberg-Osgood curve
(n,n’,K,K’) will be considered as variables nt, Kt,
descibed by monotonic functions of the equivalent
plastic strain εpeq:
(8)
represents the
uniaxial stress-plastic strain relation.
2.2. CONSTITUTIVE LAW εpeq=f(σeq)
Let us assume that the plastic properties of the
material vary in the range confined by plastic
components of the two Ramberg-Osgood curves. This
assumption provides for the general function f(σeq),
presented by equation (8), to be described as:
1
n
 σ eq 
f (σ eq ) = 
 ,
 K 
(9)
p
(13)
K t = g ( K , K ′, ε eqp ) ,
(14)
where ε eq denotes the equivalent plastic strain
accumulated in the course of plastic flow. The curve of
the material transient state is placed in the domain
restricted by static and cyclic characteristics (Fig.4).
Calculations of components of stress and strain tensors
are carried out incrementally by using multisurface
theory. According to postulated assumptions [6,7], a
multilinear curve, specifying domains of constant
plastic module in the stress space (Fig.5), will represent
the plastic component of the Ramberg-Osgood function,
previously given by equation (9) and (10). The elasticity
surface f(1)=0 (Fig.5) surrounds the space origin and
bounds the domain of ideally elastic strains. The
subsequent fields are fixed by neighboring plasticity
surfaces which sizes correspond to vertical coordinates
σ(i)eq of transition points of the multilinear curve. In the
in the case of static tension loading, and in the form:
1
 σ eq  n′
f (σ eq ) = 
 ,
 K′ 
n t = f (n, n′, ε eqp ) ,
(10)
when material carries cyclic tension-compression loads.
In accordance with available experimental data
[1,4,5], referring to the hardening effect, material
factors are coupled by the following inequalities:
n′ < n and K ′ > K
(11)
The opposite inequalities relate the factors in the case of
material cyclic softening:
n′ > n and K ′ < K
(12)
The three curves demonstrating material plastic
properties referring to static and cyclic loads for
softening/hardening effects are given in Fig.4.
- 32 -
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−
case of 2D-stress state if material carries torsion and
tension/compression loads, a family of circles:
σ 2 + 3τ 2 − (σ eq(i ) ) = 0
2
−
(15)
represents traces of the surfaces on √3τ-σ plane. The
constant values of plastic module associated with a
specified field are obtained as follows:
E p(i ) =
σ eq(i +1) − σ eq(i )
ε eqp (i +1) − ε eqp ( i )
,
−
−
−
(16)
where εeqp(i+1), εeqp(i), σeq(i+1), σeq(i) denote boundary
coordinates of the considered linear segment of the
curve. Note that εeqp(1)=0 and σeq(1) correspond to the
material elasticity limit.
It is further assumed that each load increment,
providing for the plastic flow, alters the shape of the
constitutive curve and transforms the plastic module
field. Consequently, in the course of the plastic strain
evolution, the plastic module field expands in the
domain specified by the static (eq.9) and cyclic (eq.10)
characteristics.
extend the stress increment ∆σ to intersect the
surface f(2) at point B2 ;
connect point B2 and center O2 of the intersected
surface f(2);
find point OB2 on the vector (B2O2 ) by drawing the
radius of the surface f(1) in the direction of (B2O2)
vector;
connect the points O1 and OB2;
translate the f(1) surface in the direction of (O1OB2)
to a new position, so that the end of the vector ∆σ
lands on the moving surface f(1).
a)
b)
Fig.5. Multilinear representation of the plastic
component of the Ramberg-Osgood curve combined
with traces of the plasticity surfaces at the√3τ-σ plane
2.3. ISOTROPIC AND KINEMATIC HARDENING
RULES
In order to simulate material behavior under cyclic
loads and specify anisotropy effects, observed in the
opposite directions to the plastic flow, two types of
material hardening: kinematic and isotropic are
incorporated.
The kinematic hardening is introduced to the
discussed model in accordance to Garud postulates [8].
Thus the plasticity surfaces are considered as rigid
objects translating, without rotation, in the stress space.
Equations, relating motion of the surfaces with respect
to the analyzed stress increment, presented in reference
[8], will be discussed in terms of geometrical operations
made on √3τ-σ stress plane. Referring to Fig.6a, we
consider two neighboring surfaces f(1) and f(2) with the
corresponding centers moved to the points O1 and O2,
and actual stress state σa fixed at the f(1) surface, in the
result of the applied loads. In order to define the
translation vector of the f(1) surface, associated with the
current stress increment ∆σ (Fig.6a), the following
operations have to be performed:
Fig.6. Illustration of Garud translation rule (a) and
postulated assumptions of the isotropic hardening (b)
The proposed evolution of the constitutive curve,
associated with the material plastic flow, shifts the
boundaries of the plastic module field in the stress
space. In order to satisfy the assumption two rules for
isotropic hardening were introduced:
- 33 -
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−
−
illustrations of the simulations of the material
stabilization are presented in Fig.7 and Fig.8.
the first considers expansion of single surfaces,
denoted as f(3) in Fig.6b, which surround a set of
nested surfaces (f(1), f(2) in Fig.6b);
the second rule considers variations of sizes and
centers locations of the nested surfaces which
remain tangent to each other in a new position;
referring to the size expansion the centers of the
tangent surfaces drift according to the following
relations:
Rle
( β ) = σ − ⋅ [σ ija − ( β ij )l ] ,
Rl
e
ij l
a
ij
(17)
where the notation was prescribed:
Rl
radius of the actual surface f(l),
e
Rl
expanded radius of the f(l) surface,
a
(σ ij)
components of the actual stress tensor,
(βij)l
components of the f(l) surface center,
(βeij)l components of the expanded surface center.
Fig.7. The results of simulations of the material
behavior under uniaxial cyclic loads.
a)
3. NUMERICAL EXAMPLE
Simulations of material response to cyclic loads
were made for 1045 steel. The material constants were
assumed in accordance to results of the standard
identification tests: E=200000 [MPa], ν=0.3, K=1185
[MPa], K’=1258 [MPa], n=0.23, n’=0.203. The
functions relating current values of cyclic hardening
exponent and cyclic strength to actual value of the
equivalent plastic strain, generally described by eq.13
and eq.14, are assumed as follows:
n t = n ′ − ( n ′ − n) ⋅ e
p b
a (ε eq
)
K t = K ′ − (K ′ − K ) ⋅ e
,
(18)
p d
c (ε eq
)
,
where εpeq denotes plastic equivalent strain:
 2 p p
(ε eqp ) m = (ε eqp ) m−1 + 
∆eij ∆eij
 3
b)
(19)



m
(20)
Fig.8. The hysteresis loops simulated for proportional
torsion and tension-compression loads at he planes: a)
σ11-ε11; b) σ12-ε12
accumulated in consecutive (m-1), (m) increments
inducing material plastic flow, and defined by means of
deviatoric components ∆epij of the plastic strain
increment tensor;
a,b,c,d – parameters denoting character and gradient of
the stabilization of the material behavior in the course of
the plastic flow. In the present work, on the base of the
selected experimental data [2,3], the following values
were employed: a=c=-1 and c=d=2. Thus, in the case
under consideration, the relation (18) is the monotonic
decreasing function restricted to the range (n’,n], while
the equation (19) demonstrates the monotonic
increasing relation bound within the scope [K, K’).
In order to present transition of the material
behavior, due to cyclic loads, two symmetric load
histories were used. The first represented uniaxial loads
with amplitude of 350 [MPa]. The second history
contained proportional torsion and tension-compression
loads of equal contribution of shear and normal
components σ12/σ11=1,with amplitude measured by
equivalent stress σeq=350[MPa]. The corresponding
4. CONCLUSIONS
Complex effects which enforce different material
response to cyclic loads raise difficulties to formulate
functions relating transient values of material
parameters (nt, Kt) to static and cyclic constitutive
curves factors (n, K, n’ ,K’) and current equivalent
plastic strain εpeq. For this reason, in the present work,
the separate functions (13) and (14) were used to
specify variations of cyclic hardening exponent nt, and
cyclic strength factor Kt. Specific formulations (eq.
18,19) of the functions referring to transient material
behavior under cyclic loads come from experimental
studies.
The transient phases of metals response, presented in
the introductory chapter (1/3 , 1/2 numbers of cycles to
failure) indicate that the discussed problem should be
considered in the fatigue analysis of engineering
components.
- 34 -
ISSN 1612 - 9040
5. REFERENCES
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cyklicznego zachowania sie stali o podwyzszonej
wytrzymalosci przy obciazaniu jednoosiowym w
zakresie malej liczby cykli. Biuletyn WAT, Nr. 5,
1980, s. 25-51.
[5] Ohashi Y., Kawashima K., Mizuno S.: Stress-strain
curve of mild steel in the initial stage of cyclic
loading. Bulletin of the JSME, Vol. 16, No. 98,
1973, pp. 1117-1125.
[6] Mroz Z.: On the description of anisotropic
workhardening. J. Mech. Phys. Solids., 15, 1967,
pp. 163-175.
[7] Mroz Z.: An attempt to describe the behavior of
metals under cyclic loads using a more general
workhardening model. Acta Mechanica, 7, 1969,
pp.199-212.
[8] Garud Y., S.: A new approach to the evaluation of
fatigue under multiaxial loadings. J. Engng. Mater.
Technol., ASME, 116, 1981, pp. 118-125.
- 35 -
ISSN 1612 - 9040
DYNAMIC PERFORMANCE OF CAR IMPACT INTO CONCRETE
ROAD BARRIERS
J. Wicher
Institute of Vehicles, Warsaw University of Technology
SUMMARY: The concrete barriers are the most
widely used class of road barriers. These barriers
are usually formed with joined segments. There are
used segments with different masses and
geometrical sizes. There are barriers with segments
no fastening to the ground. Horizontal sliding of
barrier segments can be caused by car impact.
Movement of barrier depends on weight force and
friction coefficient between barrier and ground.
The paper presents a model for analysis of dynamic
performance of concrete roadside barrier during car
impact. Newton's laws of motion and appropriate
constraints are applied to determine changes in
linear and angular velocities of the colliding car and
the barrier segments. For known geometrical
parameters, masses and moments of inertia the
post-impact velocities can be calculated, which is
important aim for accident reconstruction,
STRESZCZENIE. Bariery betonowe stanowią
szeroko stosowaną klasę barier drogowych. Bariery
takie składają się są zwykle z połączonych ze sobą
segmentów. Stosuje się segmenty o różnych
masach i wymiarach geometrycznych. Są bariery,
których elementy nie są mocowane do podłoża.
Poziomy ruch segmentów bariery może być
spowodowany uderzeniem samochodu. Ruch
bariery zależy od ciężaru segmentów bariery i
współczynnika tarcia między barierą i podłożem.
W artykule przedstawiono model do analizy
właściwości dynamicznych betonowej bariery
drogowej
podczas
uderzenia
samochodu.
Zastosowano prawa Newtona i odpowiednie
równania więzów do wyznaczenia linowej i
kątowej prędkości zderzającego się samochodu i
segmentów bariery. Dla znanych parametrów
geometrycznych, mas i momentów bezwładności
możliwe
jest
obliczenie
pozderzeniowych
prędkości, co jest ważnym celem rekonstrukcji
wypadków.
barrier is "more forgiving" for the driver and
passenger and guarantees higher safety levels. The
model presented in the paper show how to find
unknown velocities after a car collision with the
concrete barrier. Newton's laws of motion are
employed to determine changes in linear and
angular velocities for the colliding car and three
joined concrete barrier segments. Equations
describing the conservation of momentum are
generally used in analytically assessing changes of
translational and rotational speeds during shorttime-duration impacts between car and barrier
segments. These equations form a useful accident
reconstruction tool. The basic equations are
relatively simple in form; their solution can be
easily implemented on a programmable calculator.
INTRODUCTION
Consider a car body and barrier segments shown in
Figure 1. Car body has mass mc and yaw moment
GENERAL ASSUMPTIONS
The motion of the car and the barrier segments are
confined to plane motion with three degrees of
freedom: motion along the two x and y axes, and
rotation about a vertical axis. All impact forces are
two-dimensional and act in the same plane as the
bodies. Effects of pitching and rolling are
neglected. Friction forces between moving barrier
segments and ground as well as tire forces and any
other external forces are small relative to the impact
forces, and the duration of the collision is short, so
their effects are neglected. Only impulses caused by
forces between car and barrier are significant. The
impulse between the car and barrier is transferred
instantaneously through the center of impulse. The
car and the barrier segments are modeled as rigid
bodies with known masses, centers of mass, and
yaw moments of inertia. Deformation is not
modeled.
DESCRIPTION OF MODEL
From a mechanical point of view concrete roadside
barrier are assumed to be very rigid. However if
concrete barrier is formed into chain with wellfitting segments which are not fastening to the
ground, the horizontal sliding is caused by car
impact. In that case reduction of the ASI
(Acceleration Severity Index) is possible. The
of inertia I c . Each symmetrical barrier segment has
length l, mass m and moment of inertia
and opposite impulses Π =
∫ Fdt
I . Equal
affect on all
bodies. Other forces are assumed negligible.
Impulses operate at the impulse centers. The
- 36 -
ISSN 1612 - 9040
position of impulse center is specified by position
r
vector e.g. rc mean position vector from center of
The force of contact between two bodies causes
r
each to change its angular ω and translational
r
velocity vector v with the components v x , v y in
mass car body to center of impulse between car and
r
i-th barrier segment and ri mean position vector
x- direction and y-direction. The velocities refer to
the centers of mass of the car and the barrier
segments.
All specified elements have suitable subscript.
from center of i-th barrier segment to the same
r
center of impulse. The position vectors 0.5 l for
each barrier segment are not shown in Figure 1.
Figure 1. Car colliding with barrier segments.
0.5l x ⋅ Π i , i −1, y − 0.5l y ⋅ Π i , i −1, x
Applying the principle of impulse and momentum
for the plane motion of rigid body the following
equation can be written:
= I ⋅ (ω i+−1 − ω i−−1 )
0.5l x ⋅ Π i −1, i , y − 0.5l y ⋅ Π i −1, i , x
r
r
r
r r
m ⋅ (∆vi −1 + ∆vi + ∆vi +1 ) + ms ⋅ ∆v s = 0
r r
r
(0.5 l × Π i , i −1 ) = I ⋅ ∆ω i −1
r r
r r
(0.5 l × Π i −1, i ) + (0.5 l × Π i +1, i )
r r
r
+ (ri × Π c, i ) = I ⋅ ∆ω i
r r
r
(0.5 l × Π i , i +1 ) = I ⋅ ∆ω i +1
r r
r
rc × Π i , c = I c ⋅ ∆ω c
r r+ r−
where ∆v = (v − v ) is a change in
r+ r−
translational velocity vector and v , v are the
+ 0.5l x ⋅ Π i +1, i , y − 0.5l y ⋅ Π i +1, i , x
+ 0.5ri , x ⋅ Π c, i , y − 0.5ri , y ⋅ Π c, i , x
= I ⋅ (ω i+ − ω i− )
0.5l x ⋅ Π i , i +1, y − 0.5l y ⋅ Π i , i +1, x
= I ⋅ (ω i++1 − ω i−+1 )
rc, x ⋅ Π i , c, y − rc, y ⋅ Π i , c, x = I c ⋅ (ω c+ − ω c− )
The barrier segments are motionless before impact;
therefore the following relations can be applied:
post-impact and pre-impact velocity vector,
respectively
The above vector equations are expanded into the
following set of scalar equations:
vi−−1, x = 0; vi−, x = 0; vi−+1, x = 0
vi−−1, y = 0; vi−, y = 0; vi−+1, y = 0
m ⋅ [(vi+−1, x − vi−−1, x ) + (vi+, x − vi−, x )
ω i−−1 = 0; ω i− = 0; ω i−+1 = 0
+ (vi++1, x − vi−+1, x )] + mc ⋅ (vc+, x − vc−, x ) = 0
and the scalar equations rewritten in the form:
m ⋅ [(vi+−1, y − vi−−1, y ) + (vi+, y − vi−, y )
m ⋅ (vi+−1, x + vi+, x + vi++1, x )
+ (vi++1, y − vi−+1, y )] + mc ⋅ (vc+, y − vc−, y ) = 0
+ mc ⋅ (vc+, x − vc−, x ) = 0
- 37 -
ISSN 1612 - 9040
r
r
m ⋅ vi+−1 = Π i −1, i
r
r
m ⋅ vi++1 = Π i , i +1
r
r
r
mc ⋅ (vc+ − vc− ) = Π c, i
m ⋅ (vi+−1, y + vi+, y + vi++1, y )
+ mc ⋅ (vc+, y − vc−, y ) = 0
0.5l x ⋅ Π i , i −1, y − 0.5l y ⋅ Π i , i −1, x
= I ⋅ ω i+−1
0.5l x ⋅ Π i −1, i , y − 0.5l y ⋅ Π i −1, i , x
These equations can be expanded on the following
scalar equations:
m ⋅ vi+−1, x = Π i −1, i , x
+ 0.5l x ⋅ Π i +1, i , y − 0.5l y ⋅ Π i +1, i , x
m ⋅ vi+−1, y = Π i −1, i , y
+ 0.5ri , x ⋅ Π c, i , y − 0.5ri , y ⋅ Π c, i , x = I ⋅ ω i+
m ⋅ vi++1, x = Π i , i +1, x
0.5l x ⋅ Π i , i +1, y − 0.5l y ⋅ Π i , i +1, x = I ⋅ ω i++1
m ⋅ vi++1, y = Π i , i +1, y
rc, x ⋅ Π i , c, y − rc, y ⋅ Π i , c, x = I c ⋅ (ω c+ − ω c− )
r
r
mc (vc+, x − vc−, x ) = Π c, i , x
r
mc (vc+, y − vc−, y ) = Π c, i , y
If only impulse forces Π i −1, i , Π i , i +1 , Π c , i acts on
the (i−1), (i+1) motionless barrier segments and car
body, respectively, and other impulse forces are
assumed negligible, the following impulse and
momentum vector equations can be written:
Since the forces act in the same time and are equal
and opposite, the impulses are also equal and
opposite, i.e.:
r
r
Π i −1, i = Π i , i −1;
r
r
Π i , i +1 = Π i +1, i ;
r
r
Π i, c = Π c, i
Using the above relations we have:
m ⋅ (vi+−1, x + vi+, x + vi++1, x ) + mc ⋅ (vc+, x − vc−, x ) = 0
(1)
m ⋅ (vi+−1, y + vi+, y + vi++1, y ) + mc ⋅ (vc+, y − vc−, y ) = 0
(2)
0.5l x ⋅ m ⋅ vi+−1, y − 0.5l y ⋅ m ⋅ vi+−1, x = I ⋅ ωi+−1
(3)
0.5l x ⋅ m ⋅ vi+−1, y − 0.5l y ⋅ m ⋅ vi+−1, x + 0.5l x ⋅ m ⋅ vi++1, y − 0.5l y ⋅ m ⋅ vi++1, x
(4)
+ 0.5ri , x ⋅ mc (vc+, y − vc−, y ) − 0.5ri , y ⋅ mc (vc+, x − vc−, x ) = I ⋅ ω i+
0.5l x ⋅ m ⋅ vi++1, y − 0.5l y ⋅ m ⋅ vi++1, x = I ⋅ ω i++1
(5)
rc, x ⋅ mc (vc+, y − vc−, y ) − rc, y ⋅ mc (vc+, x − vc−, x ) = I c ⋅ (ω c+ − ω c− )
(6)
CAR-BARRIER
between car and i-th barrier segment. Also post-
Let us assume, that the following parameters are
known: mass m and moment of inertia I of each
barrier segment with length l ; mass mc and
impact of car velocities vc ,ω c can be estimated
using the principle of work and energy and
Marquardt, Burg or McHenry-Marquardt methods.
Thus the following velocities of barrier
segments
moment of inertia I c of car body; position vector
vi+−1, x , vi+, x , vi++1, x , vi+−1, y , vi+, y , vi++1, y ,ω i+−1 ,ω i+ ,ω i++1
mass car body to center of impulse between car and
r
i-th barrier segment; position vector ri from center
, pre-impact car velocities vc , x , vc , y ,ω c should
be calculated to solve the problem. It means that to
the six above equations additional constraint
equations are required.
RECONSTRUCTON
IMPACT.
OF
r
0.5 l from center of mass of barrier segment to
r
center of impulse; position vector rc from center of
r+ r +
−
of mass of i-th barrier segment to center of impulse
- 38 -
−
−
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PINNED-JOINT CONSTRAINT
vi+−1, x − ω i+−1 ⋅ 0.5l y = vi+, x − ω i+ ⋅ 0.5l y
(7)
If pinned-joint constraint of barrier segments is
assumed, the post-impact velocity of the center of
impulse is the same for both neighboring segments
and the following vector equations can be written:
vi+−1, y
[
B = − mc vc+, x
vi+, x
− ω i+
⋅ 0.5l y = vi++1, x
− ω i++1 ⋅ 0.5l y
vi+, y
+ ω i+
⋅ 0.5l x = vi++1, y
+ ω i++1 ⋅ 0.5l x
m
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−I
0
0
0
0
0
0
vi+, x
− ω i+
⋅ ri , y = vc+, x
− ω c+
vi+, y
+ ω i+
⋅ ri , x = vc+, y
+ ω c+
m
0
0
m
0
0
− .5l y m .5l y m
− .5l y m .5l x m
0
0
0
0
− mc
0
0
− mc
0
0
0
.5ri , y mc
0
− .5ri , x mc
−I
0
0
rc, y mc
0
− rc , x mc
0
0
− .5l y
0
0
0
0
0
0
− .5l x
0
0
0
0
0
0
0
0
0
−1
0
0
0
0
1
1
0
.5l x
− ri , y
0
0
−1
0
0
1
ri , x
0
0
0
vi++1, x
vi++1, y
ω i++1 vc−, x
vi+, y
⋅ rc, x
(12)
The equation set (1÷12) can be written in matrix
form: AX=B where
−1 0
.5l y
0 − 1 − .5l x
1 0 − .5l y
ω i+−1 vi+, x
⋅ rc, y
(11)
The above vector equations can be expanded into
the following six scalar equations:
vi+−1, y
⋅ 0.5l x
(10)
r
r
r r
r
r
vi+ + ω i+ × ri = vc+ + ω c+ × rc
[
+ ω i+
(9)
The pinned-joint constraint is also reasonable for
plastic collision between crushable car and concrete
barrier; car is locking up at the crush interface (no
slipping). In this case the post-impact velocity of
the center of impulse between car and barrier
realizes the vector equation:
X = vi+−1, x
= vi+, y
(8)
r r
r
r
r
r
vi+−1 + ω i+−1 × 0.5 l = vi+ + ω i+ × 0.5 l
r r
r
r
r
r
vi+ + ω i+ × 0.5 l = vi++1 + ω i++1 × 0.5 l
0
0
 m
 0
m
0

− .5l y m .5l x m
−I

0
− .5l y m .5l x m
 0
0
0

0
0
0

A= 
− .5l y
1
0

1
.5l x
 0
 0
0
0

 0
0
0

0
0
 0
 0
0
0

+ ω i+−1 ⋅ 0.5l x
ω i+
vc−, y
0 0 .5mc ( ri , y vc+, x + ri , x vc+, y ) 0 mc ( rc, y vc+, x − rc , x vc+, y ) 0 0 0 0 vc+, x − ω c+ rc, y
CONCLUSION
The basic equations for car-barrier collision are
presented in a form that can be easy programmed on a
programmable calculator or on a personal computer.
However a validation of the model is necessary,
especially in the situation, where there is no too much
papers described dynamical properties of car-barrier
accidents.
[2]
ω c−
0
0 
0

0
0

Ic 
0

0
0

0

0
0 
]
T
vc+, y + ω c+ rc , x
]
Ishikawa, H.: Impact Model for Accident
Reconstruction -Normal and Tangential Restitution
Coefficients, SAE Paper 930654, 23 - 33
[3] Limpert R.L.; Andrews D.F.; Linear and Rotational
Momentum for Computing Impact Speeds in TwoCar Collisions (LARM), SAE Paper 910123, 49 67
[4] Smith G.C.; Conservation of Momentum Analysis of
Two-Dimensional Colliding Bodies, With or
Without Trailers, SAE Paper 940566, 17-33
REFERENCES
[1] Brach, R.M.: Impact Analysis of Two-Vehicle
Collisions, SAE Paper 830468, 1-14
- 39 -
ISSN 1612 - 9040
DIE ANSTRAHLUNG DER MODERNEN BAUOBJEKTE
W. Żagan
Institut der Energietechnik
Fakultät der Elektrotechnik
Technische Universität Warszawa
Während des Tages ist das Tageslicht von oben nach
unten auf die Objektoberfläche gerichtet und auch nach
unten gespiegelt. Während der Dunkelheit reflektieren
die polierten, glänzenden Materialien das von unten
anstrahlende Licht nach oben. Denn nur auf diese Weise
kann man die extrem hohen Gebäude anstrahlen. Solche
Anstrahlung ist ökonomisch uneffektiv und außerdem
mit negativer Beeinträchtigung der Umgebung in Form
von Lichtsmog verbunden, da ein wesentlicher Anteil
des Lichtes in die Erdatmosphäre gestreut wird. Bei
solcher Anstrahlung wird ein nächtlicher Beobachter
nur fadenscheinige und begrenzte Möglichkeiten die
SUMMARY:
This paper reports considerations
concerned with illumination of buildings and first of all
illumination of modern buildings. Peculiarity of such
buildings was shown from the façade illumination point
of view. An attempt to formulate principles of modern
buildings illumination was presented too. Examples of
illumination methods of modern buildings were
included.
STRESZCZENIE: Referat przedstawia rozważania
dotyczące iluminacji obiektów a przede wszystkim
iluminacji obiektów nowoczesnych. Pokazano specyfikę
tych obiektów z punktu widzenia oświetlenia elewacji.
Przedstawiono próbę sformułowania zasad iluminacji
tych obiektów. Pokazano na przykładach metody ich
iluminacji.
EINLEITUNG
Unter dem Begriff „moderne Objekte“ versteht man die
Gebäude,
welche
sowohl
eine
zeitgemässe
architektonische
Form
als
auch
gleichzeitig
fortschrittliche Beschichtungsmaterialien besitzen.
Diesen Begriff kann man vor allem für die geometrisch
einfachen Objekte mit glänzenden Elevationsmaterialien reservieren. Das sind solche Materialien wie
Glass, poliertes Granit, Aluminium usw. Die
charakteristischen Merkmale einer Tagesansicht dieser
Objekte sind einfache, rechteckige geometrische
Formen sowie die Leichtigkeit und Eleganz, mit
welcher sie die Lichtreflexe der abgebildeten Sonne
intensivieren.
Sehr oft sind moderne Objekte extrem hoch und in
gedrängte Umgebung platziert. Die Ansicht solcher
Gebäude ist entweder aus der Entfernung möglich, dann
kann man nur obere Berieche beobachten, oder aus der
Nahe, und dann beobachtet man den unteren Bereich
der Elevation.
Die modernen Bauobjekte sind so projektiert und
gebaut, damit sie vor allem bei Tage angeschaut werden
können. Jedoch tritt sehr oft solche Situation ein, dass
nach dem Bau eine Anstrahlungsentscheidung getroffen
wird. Der Besitzer des modernen Objektes möchte erst
dann sein Gebäude auch in der Nacht exponieren. Und
damit taucht das Problem einer adäquaten Anstrahlung
auf.
Abbildung 1. Abbildung des Lichtes : von unten nach
oben bei der modernen Bauobjekte und Diffusabbildung
bei konventionellen Gebäuden
Elevationserhellung wahrnehmen. Sie hat zu kleine
Leuchtdichte, obwohl die elektrische Leistung der
Reflektoren und der Lichtstrom sehr hoch sind. Dieses
scheinbar unlösbare Problem kann man mit Hilfe einer
besonderen Anstrahlungstechnik bekämpfen. Dieses
wird anhand einiger realisierter und simulierter
Beispiele gezeigt. In diesem Fall muss jedoch der
Anstrahlungsprojektant sein konventionelles Denken
zum Teil beiseite schieben.
DIE ANSTRAHLUNGSPRINZIPIEN DER MODERNEN BAUOBJEKTE
Bei der Projektierung der Anstrahlung der modernen
Bauobjekte muss man an diese Thematik mit
unkonventioneller Denkweise herangehen.
Das resultiert aus den folgenden Gründen:
- 40 -
ISSN 1612 - 9040
•
•
Bei den extrem hohen Bauobjekten gibt es
keine Notwendigkeit, die ganze Elevationsfläche anzustrahlen, weil vor allem die oberen
Bereiche zur Abbildung des Objektes
beitragen.
Die modernen Bauobjekte bilden sehr oft ein
bei Tage einförmiges Bild: Eine Reihe von
nebeneinander angeordneten Fenstern, das sich
längst der Gebäudehöhe wiederholt. Mit Hilfe
solcher Fenstermatrix kann man für die
Nachtsicht verschiedene Lichtzeichnungen
komponieren.
Abbildung 3. Studentenheim „Riviera“ in Warszawa.
Lichtzeichnung als Ergebnis der planierter Einschaltung
der Zimmerbeleuchtung.
Abbildung 2. Bei den extrem hohen Bauobjekten kann
man die Anstrahlung zu der oberen Bereiche des
Objektes begrenzen [1].
•
•
•
Im Resultat der oben vorgenommenen Analyse kann
man folgende Prinzipien der Anstrahlung für moderne
Bauobjekte formulieren:
Die Notwendigkeit der Kaschierung der
Reflektoren hat in diesem Fall eine etwas
andere Bedeutung als bei der Anstrahlung von
konventionellen Objekten. Das Bild des
leuchtenden Reflektors ist hier ebenso unschön
und unzulässig wie die Abbildung des
Reflektors auf der glänzenden Elevation. Man
muss bedenken, dass ebenfalls die Abbildung
des leuchtenden Reflektors auf der glänzenden
Fläche der Elevation eine sehr extreme
Leuchtdichte (ca. 107 cd/m2) hat.
Die modernen Bauobjekte sind häufig extrem
hoch: Dieses Merkmal ist sehr oft die Ursache
eines
Wettbewerbs
zwischen
den
Objektbesitzern.
Eine
besonders
helle
Anstrahlung wirkt hier als eine Werbung für
die Firma. Es scheint, dass solch ein Objekt
auch in der Nacht die Botschaft vermittelt:
„dieses hohe und helle Gebäude - das ist unser
Sitz“
Die modernen Objekte werden aus der
Entfernung beobachtet. Sehr oft kommt vor,
dass die noch wahrnehmbare Entfernung
mehrere Kilometer beträgt. Aus solcher
Entfernung, wegen eines möglichen Nebels,
schwindet ebenso die Leuchtdichte der
Elevation
wie
die
Leuchtdichte
der
leuchtenden
Oberfläche
der
Leuchten
(Reflektoren). Das bewirkt schon ein
Leuchtdichteniveau von ca. 100 cd/m2.
1) Wie zur Weihnachtszeit eine Lichtdekoration des
Gebäudes.
2) Lichtauszeichnung des oberen Bereiches und der
Spitze des Objektes.
3) Durchgehender Lichtzusammenhang der ausgewählten, angestrahlten Objektbereiche.
4) Die Vereitelung ebenso der direkten Beobachtung der
Leuchten wie ihrer Abbildung auf glänzender Elevation.
5) Die Verstärkung des Seheindruckes einer gewölbter
Elevation
6) Die Vermeidung uneffektiver Reflexion des Lichtes
nach oben
7) Freie Nutzung und Anwendung des Farblichtes für
die Anstrahlung
8) Die Vermeidung einer durch den Lichtfleck auf der
angestrahlten Objektwand
hervorgerufener Unordnung.
9) Akzeptanz eines höheren Leuchtdichteniveaus als
gemäß CIE-Empfehlungen [3] angebracht.
DIE METHODEN DER ANSTRAHLUNG DER
MODERNEN BAUOBJEKTE
Bezogen auf die konventionelle Bauobjektanstrahlung
kann man zwei klassische Anstrahlungsmethoden
nennen [2]:
- 41 -
ISSN 1612 - 9040
•
•
Methode der Flutlichtbeleuchtung, die zu
gleichmäßiger, allgemeiner Erhellung der
Elevation führt,
Methode der Akzentbeleuchtung, die das Bild
des Objektes aus einer Reihe von Lichtakzenten bildet.
Abbildung 4. Volksbank Hildesheim – Illumination die
die Abbildung der Leuchten auf dem Glasfenster nutzt.
3.
4.
Im Falle der modernen Bauobjekte kann man die
folgenden Anstrahlungsmethoden benennen:
1.
5.
Konturakzentuierung des Gebäudeumrisses,
welche man mit einer Lichtschlange erreichen
kann.
6.
7.
8.
Erzeugung des Bildes der angestrahlten
Objekte auf der glänzenden Fläche der
Elevation.
Exponierung der Fugen, die einzelne
Glasstafeln verbinden.
Anwendung von speziellen reflektierenden
Folien, die das Licht besonders effektiv
reflektieren.
Das vom Inne des Objektes herrührende
Durchflutung der Glaselevation
Exponierung der inneren Baukonstruktion
(Balkenwerk) des Bauobjektes durch die
Glaswand.
Planierte Ausleuchtung der Decke (Fenster)
der Gebäuderäume von Innen, welche die
Bildung von Lichtzeichnungen auf der
Fenstermatrix ermöglicht
SCHLÜSSE
1.
2.
3.
LITERATUR
Abbildung 4. S.g. „Sobieski-Hotel“ in Warszawa
Konturakzentuierung des Gebäudeumrisses
2.
Bei der Projektierung der Illumination der
modernen Bauobjekten muss der Projektant
sein konventionelles Denken zum Teil beiseite
schieben
Ähnlich zu der konventioneller Illumination
kann man die Anstrahlungsprinzipien für die
modernen Bauobjekte bezeichnen.
Die realisierte Anstrahlungsbeispiele aber auch
die wissenschaftliche Forschungen zeigen an
viele Methoden der Anstrahlung der modernen
Bauobjekte.
[1] http://www.pbase.com/accl/hong_kong
[2] Żagan W. – „Iluminacja obiektów”, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa
2003,
[3] CIE Technical Report Nr 94 - Guide for
Floodlighting
Ausnutzung des Erscheinungsbildes der auf
der Glassfläche der Elevation abgebildeter
Leuchtenoberflächen.
- 42 -
ISSN 1612 - 9040
COMPUTER AIDED ISO SYSTEM OF LIMITS AND FITS
S. Bialas1, Z. Humienny1, K. Kiszka1, A. Lesniewicz1
1
Institute of Machine Design Fundamentals
• graphical visualization of the tolerance intervals for
shaft and hole for a considered fit.
The capabilities of information technology can be
used much more efficiently than just to copy the
standard pages or even for simple decoding of
toleranced size and visualization of the tolerance
intervals. The developed software TolerISO, presented
in this paper, has much more options. The software
TolerISO is mainly dedicated for engineering
applications at designer desks however it can also used
as valuable educational tool at technical universities and
colleges where prospective designers and production
engineers are taught.
Development of the computerization of ISO
system of limits and fits has been carried at the Institute
of Machine Design Fundamentals for several years [4]
and its progress significantly depends on the wide
availability of the relevant software.. The TolerISO
package presented below is prepared in DELPHI (v. 6)
for Windows.
SUMMARY: The motivation for the development of the
TolerISO program stemmed from the need for
implementation capabilities of modern information
technology during selection and analysis of fits
according to ISO system of limits and fits. Crucial
changes in interpretation of size according to newest
ISO standards are shown and next ISO/TC 213 current
works on coding system for tolerances of linear sizes
are presented. A few remarks on algorithms on which
the developed program is based are mentioned. Next all
available program options are described. Advantages of
prospective application are listed.
INTRODUCTION
The ISO system of limits and fits has been applied
since the thirties without computer support; however,
there are significant benefits in computerization of
calculations. Computerization can reduce labor and
errors. There were many attempts to develop computer
version of internationally standardized system of limits
and fits with various goals – application of the software
in engineering works (also as additional package for
CAD systems) or in education processes [1,2]
It should be mentioned that the simplest way to
computerize the system of limits and fits is to transfer
the full text of relevant standards (without any changes)
to file e.g. *.pdf file and utilization of such copy
similarly as the printed version of the standards. Such
"electronic" version can be issued only by ISO or
national standards bodies (DIN, BSI, ANFOR, PKN,...),
because these organizations are owners on the international or local country level of the standards copy rights.
The ISO system of limits and fits utilizes simple
equations for clearance or interference calculation and
three tables that are given in ISO 286-1 containing:
• numerical values of standard tolerance grades;
• numerical values of fundamental deviations of holes;
• numerical values of fundamental deviations of
shafts.
Usually the software implementation of the ISO
coding system for tolerances of linear sizes includes the
following options:
• decoding of toleranced size limits specified by a
tolerance class into numerical values of the upper
and lower deviations;
• calculation of the fit clearance/interference and
determination of the fit type (clearance/transition
/interference fit);
CODING SYSTEM FOR TOLERANCES OF LINEAR
SIZES AT CURRENT WORKS AT ISO/TC 213
According to general rules of ISO every five years
each standard is regularly revised and assessed in ballot
by the national standards bodies. In 1998 such ballot for
standard ISO 286-1,2:1988 [4] took place. As the result
of the ballot ISO Central Secretariat decided to keep the
standard as it is and Technical Committee ISO/TC 213
Dimensional and Geometrical Product Specifications
and Verification [1, 7] decided to start work to prepare a
new version of this standard. Both decision were taken
simultaneously and only seemingly it appears to be
surprising. The roots of the development of
international system of limits and fits can be traced up
to thirties in XX century [1,8] and currently in
international engineering and standardization society
there are no doubts that values of tolerance assigned to
international tolerance grades and fundamental
deviations given in the standard table do not require any
changes. Also rules for fits coding (eg. ø80H7/n6) do
not require any modifications. Necessity for ISO 2861,2:1988 revision is caused by need to assure
consistency of terms and concepts in all standards
dealing with geometrical product specifications.
Necessity for such harmonization is stressed in
Technical Report ISO/TR 14638:1995 concerning
classification system of GPS standards, known as the
- 43 -
ISSN 1612 - 9040
term tolerance zone since an interval refers to a range
on a scale whereas tolerance zone refers in GPS to a
space or an area, e.g. geometrical tolerancing according
to ISO 1101:2004.
Masterplan. Each GPS standard prepared by ISO/TC
213 contains an annex with the specific scheme that
explains the position of the standard in the matrix model
(Msterplan); the respective cell is marked on the
scheme.
It should be stressed that usefulness of the
currently available edition of ISO 286-1,2:1988,
attempts to achieve correctness in used terms and high
consistency with other standards (eg. ISO 14405 which
draft is currently under development) as well as efforts
to get perfection in drawings included in the standard
(aspirations to cover all cases) caused significant delay
in development of new edition of ISO 286-1,2. Last
ballot on ISO/DIS 286-terminated on 5th May 2003 and
70% of national standardization bodies approved the
draft with numerous comments, that were under stormy
dispute on ISO/TC 213 meeting in June 2003 at
Warsaw. During the ISO/TC 213 meeting in January
2005 at New Orlean experts decided to postpone
analysis on Chapters 4 and 5, which were rewritten after
fierce discussion on ISO/TC 213 meeting in January
2004 at Adelaide. The last draft ISO/DIS 286-1:2004
consists of following chapters: 1. Scope; 2. Normative
references; 3. Terms and definitions /3.1. Basic
Terminology, 3.2. Terminology related to tolerances
and deviation, 3.3, Terminology related to fits/; 4. ISO
code system for tolerances of linear size /4.1 Basic
concepts and designations, 4.2. Designation of the
tolerance class (Writing rules), 4.3. Determination of
the limit deviations (Reading rules)/; 5. ISO Fit system
/5.1. Generics of fits, 5.2 Principles of basic hole and
basic shaft/.
The main change in the new ISO 286-1 is the
default definition of diameters toleranced with ISOtolerance symbols. In ISO 286-1:1988 the default
definition of diameters toleranced with ISO-tolerance
symbols (e.g. ø30H6 with limit deviations ES = 0, EI =
–0,013) is the Taylor principle (mating size at MML =
29,987 and local diameter at LML = 30,000). Taylor's
principle (Fig. 1) states that effective conformance
checking has to be carried out with a gauge touching the
whole geometrical feature, while rejection checking is
accomplished as single examination with the two-point
method. The GO gauge therefore is the ideal counterpart
for the toleranced geometrical feature with its maximum
material limit. The diameter of the NOT GO gauge
according to Taylor checks a workpiece at least material
limit [1,3,8].
The default definition is now changed according to
ISO 14405 to local size at both MML and LML. To
state exactly the same requirement (Taylor principle) on
the drawing, according to new edition of ISO 286-1 the
tolerance statement shall be followed by the modifier {
for mating size, e.g. ø30 H6 {, which means recalling
Envelope requirement i.e. the envelope of perfect form
at maximum material size of the feature shall not be
violated (ISO 8015) [1,3,8].
In the 3rd chapter Terms and definitions term
tolerance interval (variable values of the characteristic
between and including the tolerance limits) substituted
LLS = MML
Go Gauge: cylinder gauge
testing of mating size
The diameter is limited by
the smallest inscribed
ideal geometrical cylinder
(minimum limit size) in between
the whole length of the hole.
ULS
Not Go Gauge: sphere gauge
testing of maximum limit of size
The diameter of the hole shall
be limited by the not go gauge
at any position of the hole.
Figure 1: Application of Taylor´s principle for a hole.
Merely formal change is that the values for
standard tolerances in grades IT0 and IT01 are moved
from the Annex to the main body of the standard. It
should be noted that only values in the size range from 0
up to 500 mm (incl.) are standardized.
More significant, however also the formal change
is that ISO 1829 has been included in Chapter 5th ISO
Fit system in the new edition of ISO 286-1, which
means that after release of the new ISO 286-1 the
standard ISO 1829 will be withdrawn.
Currently, taking into account procedures that are
in force at ISO Central Secretariat, it seems that the new
edition of ISO 286-1 will be released after year 2006.
GENERAL PROGRAM CONCEPT
The basic assumption for the program TolerISO
development is its full consistence, especially regarding
numerical values of standard tolerances and
fundamental deviations with currently available draft of
ISO/DIS 286-1,2. It is absolutely unlikely, that any
values will be changed in the released final version of
the standard. However some modifications are possible
in the standard text – i.e. definitions of terms can be
slightly adjusted or given examples described in more
detailed way.
Authors decided that program TolerISO should
give the user opportunity to find similar data which are
- 44 -
ISSN 1612 - 9040
synthesis the fit synthesis starts from selection of the
tolerances for hole and shaft. Only two cases are
acceptable by the standard – both features may have the
same tolerance or the tolerance grade for hole should be
one grade bigger than for shaft. It means that preferred
are such fits in which tolerance for hole fabrication is
the same as for shaft or ~1,6 bigger then tolerance for
shaft fabrication.
In case of equal tolerances significant role plays
average span of the fit (new term for average fit
tolerance) in the interval between ITx (standard
tolerance grade x), and ITx+1 (standard tolerance grade
x+1). If the average fit tolerance is close to ITx or ITx+1
the program outputs for shaft and hole tolerances ITx or
ITx+1 respectively. When average fit tolerance is close to
0,5×(ITx + ITx+1) two options for shaft and hole
tolerances are proposed and user has to decide which
option is preferred. Correspondingly similar condition is
checked for case when standard tolerance grade for hole
is bigger then standard tolerance grade for shaft.
The second part of the algorithm – after hole and
shaft tolerances are fixed – is dedicated to determination
of the fundamental deviations. Accordingly to adopted
fit system fundamental deviation for basic feature is
equal zero (e.g. EI = 0 for basic shaft H) and theoretical
deviation value for corresponding element is the result
of required clearance/interference. In such way first
estimation of searched deviation is calculated. Then
theoretical deviation (calculated directly from fit
clearance/interference) is adjusted to standardized
deviation. Next limit deviation is prompted on the
screen in two options – one slightly above and one
slightly below from calculated theoretical deviation
(Fig.2). Then second deviation is calculated respectively
to the previously found tolerance.
available at printed version of the ISO 286-1,2 standard.
in simple and quick way as well as it should give some
extra possibilities to help the user understand and interpret issues of tolerances grades and fits. Additionally, to
avoid violation of copyright, in any procedure genuine
parts of the ISO 286-1,2 must not be recalled.
The ISO system of limits and fits is based on a few
mathematical relations that are well known [1,8],
however they are not given in current version of the ISO
286-1,2 standard. Below as an example equation for
standard tolerance in grade x is given:
ITx = (5 10 ) x - 1 (0,0453 D + 0,001D )
(1)
where:
x – standard tolerance grade
D = Dmax Dmin – size that represents all sizes from
the interval Dmin to Dmax (incl.).
So they are two options for development of the
computer version of the ISO system of limit and fits:
• algorithmic method that utilizes equations on which
system is founded to determine values of tolerances
and limit deviations;
• table method that requires to set the data base with
all values of tolerances and limit deviations directly
inscribed into the data base.
At the first point of view algorithmic method
seems to be attractive and smart, however it was
examined that such solution is more difficult and
consumes more memory. It is due to considerable
complicated structure of the system that during years of
development was many times extended, supplemented
and adjusted [1,4]. For example it is impossible to find
general rules for rounding of the numbers that are
obtained from the formulas. In over 30% cases for
calculations of the tolerances in various international
tolerance grades and different intervals of nominal sizes
particular way of rounding is applied.
Taking into account listed peculiarities authors
decided to utilize combined method based on table
method supplemented by application of selected general
relationships. First of all, so-call rule „x-5” is applied.
According to this rule for tolerance grade x>10:
ITx = 10 × ITx - 1
(2)
H7
fundamental deviation “g”
0
0
theoretical minimum clearance
where:
ITx – standard tolerance for grade x .
It should be noticed, that there are some exceptions –
even from this simple rule.
fundamental deviation “f”
Figure 2: Two options for shaft fundamental deviation.
Finally the program, depending on how many
versions of tolerances were accepted, gives codes for
two or four alternative standardized fits.
ALGORITHM FOR FIT SYNTHESIS
One of the options offered by developed software is the
fit synthesis that means selection of the fit code
according to assumed fit system (hole-basis fit system
or shaft-basis fit system) and limit clearances (or
interferences). The synthesis algorithm is based on
general recommendations for constitution of a specific
fit given in ISO fit system as well as on the tables with
preferable fits given in ISO 286 draft [6].
Similarly as in classical task of dimensional chain
MAIN PROGRAM OPTIONS
Tolerance classes – visualization. The program
enables user to visualize the tolerance class for which
standardized coded is given as input data (e.g. „40K7”).
The basic information about tolerance class is displayed
– upper and lower limit deviations, upper and lower
limits of size, tolerance and type of size (hole/shaft).
- 45 -
ISSN 1612 - 9040
CONCLUSIONS
More over, schematic representation of the position of
the analyzed tolerance interval relative to the nominal
size with kept respective scale is given. The colors used
in figure to mark tolerance interval reflect status of the
analyzed tolerance class in ISO coding system for
tolerances of linear sizes according to draft ISO/DIS
286-1.
Tolerance classes – selection. On the basis on the
nominal size and deviations given by the user six most
corresponding tolerance classes are visualized. Selected.
tolerance class can be further schematically represented
in more detailed way.
Tolerance classes – catalog. In systematic way list
of preferable tolerance classes for holes or shafts (e.g.
g6, h6, js6, k6 ...) is given.. After nominal size is fixed
selected. tolerance class can be further schematically
represented in more detailed way.
Fit – visualization. After standardized ISO fit code
is loaded (e.g. „90H7/k6”) the user gets following
information about the fit: upper and lower limit
deviations for hole and shaft, span of a fit, maximum
/minimum clearance/interference and information about
fit type (clearance fit, interference fit, transition fit).
Listed alphanumerical data are enhanced by schematic
representation of analyzed fit with tolerance intervals
presented relative to the nominal size. The colors
applied in figure to mark tolerance intervals reflect
status of the analyzed fit as well as the status of
particular features in ISO system of limits and fits
according to ISO/DIS 286-1. The assembly process of
the considered fit can be simulated with assumption that
hole/shaft sizes have one of the following distributions:
uniform, triangle, Gaussian, Rayleigh+ or Rayleigh–.
Fit – selection (synthesis). User that is looking for
suitable fit should give following input data: nominal
size, expected fit parameters (clearances/interferences)
and select fit system (hole-basis fit system or shaft-basis
fit system). As output two or four possibilities of fits
preferable according to ISO/DIS 286-1 are visualised.
Proposed fits are selected in such way that they have
clearances/interferences closest to the values initially
given by the user. Fit selected from the given options
can be presented in details as well as its assembly
process can be simulated.
Fits – catalog. After selection of fit system and
basic feature (e.g. hole-basis fit system with basic hole
H7) user gets list (e.g. H7/f6, H7/g6, ...) with partition
to clearance fits, interference fits and transition fits.
Selected fit, for chosen nominal size can be further
investigated to get all detailed data and find what will
be the distribution of assembly process
General information. The basic information about
ISO coding system for tolerances of linear sizes are
given. Biography with standards that define ISO system
of limits and fits is listed. Also concise information
about the program TolerISO is given.
Standards for ISO coding system for tolerances of
linear sizes has gained a wide acceptance in the
manufacturing industry since thirties of XX century.
With development of information technology it is time
to switch from paper version of the standards to their
computer version to get more flexibility and simplicity
in the standards utilization. Several approaches have
been proposed to utilize information technology in
implementation of ISO coding system for tolerances of
linear sizes at designer desktop computers.
The software TolerISO developed at the Institute
of Machine Design Fundamentals at Warsaw University
of Technology is based on the latest ISO/TC 213 works.
It offers all functional features of ISO standards for ISO
system of limits and fits at the desktop computer of
design, production or quality control engineer.
Additionally visualization of fit i.e. schematic
representation of the position of the tolerance intervals
in analyzed fit relative to the nominal size with kept
respective scale is available. In the program computer
aidde fit synthesis is available, that significantly
accelerates process of selection of the standard fit with
desired clearances or interferences.
The program, due to high visualization
capabilities, can be also very helpful in teaching
processes of dimensional and geometrical product
specifications at technical universities and colleges.
REFERENCES
[1] Humieny Z.; Bialas S.; Osanna P.H.; Tamre M.;
Weckenmann A., Blunt L. :(et. al):Geometrical
Product Specifications (GPS) – course for Technical
Universities, Warsaw University of Technology
Printing House, Warsaw 2001.(German edition
Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Kurs für
Technische Universitäten, Gruner Druck GmbH,
Erlangen-Eltersdorf, 2001)
[2] www.hexagon.de, May 2005.
[3] Henzold G.: Handbook of Geometrical Tolerancing.
Design, Manufacturing and Inspection. John Willey
& Sons, Chichester, 1995, p. 413
[4] Białas S.: Issues of the computerization of ISO
system of limits and fits, Normalizacja (Stndardization), 1994, nr 2, p. 4-7.(in Polish)
[5] ISO 286-1, 2: 1988 – ISO system of limits and fits –
Part 1: Basis of tolerances, deviations and fits. – Part
2: Tables of standard tolerance grades and limit
deviations for holes and shafts. IDT (identical) EN
20286-1÷2: 1993.
[6] ISO/TC 213/WG 12 N 88 – ISO/DIS 286-1:2002 –
Geometrical product specifications (GPS) — ISO
coding system for tolerances of linear sizes — Part
1: Bases of tolerances and fits.
[7] http://isotc213.ds.dk/, May 2005.
[8] Trumpold H., Beck Ch., Richter G.: Toleranzsysteme und Toleranzdesign. Qualität im Austauschbau.
Carl Hanser Verlag München Wien, 1997.
- 46 -
ISSN 1612 - 9040
DESIGNING SERVICES – NEW SKILLS FOR NEW CHALLENGES
B. Mager
Fac. II, KISD
[email protected]
ABSTRACT:
Service Design is an innovative field of research,
teaching and consulting at Cologne University of
Applied Sciences.
In the growing service economy the increasing
demand for professional Service Designers is a great
opportunity!
- 47 -
ISSN 1612 - 9040
Energy Reduction in Electro-Hydraulic Power Steering (EHPS) Systems
M. Bak
Institute of Automotive Technology
Faculty of Automotive Systems and Production Technology
pump, a motor pump unit (MPU) was introduced. In this
solution pump is connected with electric brushless
motor, and it operates independently from combustion
engine. Such a solution causes more than 70 % energy
saving according to a standard hydraulic system (Fig.
2), and is very close to pure electric systems (EPS).
SUMMARY: Even though contemporary power steering
systems are real good, there are still possibilities to
make them better. This is one of automotive producers’
demands. To make it possible a lot of test has to be
done, and right conclusions should have been drawn
from. In our laboratory researches two different motor
pump unit types has been measured. The first type –
type A, has been used successfully in couple medium
vehicles for last few years, the second one – type B, is
its successor. Both units’ operation principle is the same,
however main components have been slightly changed.
For test procedure two various test cycles have been
used. Fist one commonly called ECE cycle to simulate
highway conditions, and second one called driving
cycle to simulate urban vehicle behavior.
In total more than 520 different operation points (sum
for both cycles) have been measured. Collected data
proved that the new generation can be in some points
even 20 % better than old one. In spite of this there are
still a lot of points where both units are comparable.
Energy Consumption Ratio [%]
100
90
80
70
60
50
100%
40
30
20
~26%
10
~14%
0
Hydraulic PS
Electro-Hydraulic PS
EPS
Figure 2: Energy consumption comparison for different
PSS [2]
The most obvious, and rather only way to reduce energy
demand of EHPS system is namely to change the
MPU’s characteristics. That is why in our researches we
have focused on two different MPUs to compare theirs
energy consumption, flexibility of use, stability, and
reliability.
INTRODUCTION
More and more rigorous carbon dioxide emission norms
(Fig. 1) are forcing automotive suppliers to reduce fuel
consumption in vehicles. Meeting this requirement
means to reduce a power consumption of vehicle
systems. One of the significant consumers of energy is
power assisted steering system.
MATERIALS AND METHODS
Test Rig: The investigations has been done on a
complete system using the test rig (Fig. 3) composed of:
Servo cylinder (Velocity, and position controlled) as a
load, servo motor as a steering device (steering wheel
simulation), and the dSpace for control, and data
gathering interface.
Figure 1: European Automobile Manufacturers
Association’s demand of CO2 reduction (ACEA) [1]
Applying a standard hydraulic power steering system
(PSS) to a passenger vehicle causes 2 % to 5 % larger
CO2 than in vehicle without PSS. To reduce this
significant number instead of belt driven hydraulic
Figure 3: Complete test rig schema [3]
- 48 -
ISSN 1612 - 9040
Table 1: Gage R&R results (from MiniTab – statistical
software)
Presented test rig construction is very multifunctional,
and lets us do a lot of experiments with all of PSS
available on the market (Fig. 4).
Repeatability – Reproducibility –
SteeringSpeed
Appraiser
[°/sec] / Force [N] / Equipment
MPUspeed [rpm] Variation [%] Variation [%]
0_0_2300
50_250_2300
50_750_2300
100_4000_2300
12,49
21,44
27,17
5,75
24,50
6,15
9,76
2,28
Total R&R
[%]
27,50
22,31
28,87
6,19
At the first operating point (0_0_2300) however we
have also considered other things which could influence
our measurements (Tab. 2).
Figure 4: Complete test rig (real view)
Table 2: Considered influence factors
Cause of problem
Results influence
Temperature
Affect measurements
Plug resistance
Neglected
Sampling Frequency
Neglected
Refilling procedure
Can affect measurements
Speed demand
Affect measurements
Operation stability
Not affirmed yet
For controlling, and data gathering the MATLAB
SimuLink® model has been connected with dSpace
software. The values which can be changed by appraiser
are: steering speed and rack load. For applied system
maximum load shouldn’t exceed 15 kN, and maximum
steering speed 1500 deg/s.
Gage R&R (Repeatability&Reproducibility): The
purpose of Measurement System Analysis (Gage R&R)
is to qualify a measurement system for use by
quantifying its accuracy, precision, and stability.
Measurement System Analysis is a critical first step that
should precede any data-based decision making,
including Statistical Process Control, Correlation and
Regression Analysis, and Design of Experiments.
Repeatability is the ability of the measurement system
to provide consistent readings when used by a single
technician or operator on a given piece. Repeatability is
sometimes referred to as Equipment Variation.
Reproducibility is the ability for multiple technicians or
operators to achieve consistent results, and is sometimes
called Appraiser Variation [4].
To start R&R five different motor pump units (Type A)
representing whole range of product variation have been
chosen. Moreover two appraisers have been selected.
According to [5] three trials of one measurement point
were done - these are minimal requirements. The whole
R&R process took two weeks because one day only one
motor pump unit was measured. The rule of thumb for
acceptance of a measurement system is a total Gage
R&R of 30% or less of the Total Variation or the
Specification Tolerance. In this case, the measurement
system is capable, and can be used as a basis of decision
making.
Achieving total R&R less than 30 % is not very easy,
and all the surveys must be done under the same
rigorously conditions. The key point (as we have
noticed) is temperature dependence, and proper MPU’s
speed. These factors are vastly important, especially for
the MPU’s idle (minimum) speed (0_0_2300 point),
when current consumption is very small. The results of
our R&R study are shown in table 1.
All this factors have been taken into a consideration
during measuring phase.
Measurements: On the test rig complete EHPS
system has been assembled. For all surveys only the
motor pump units were changed, gearbox, valve and
hoses stayed the same. As it was mentioned above two
different units were measured. For changing them a
special refilling procedure was introduced, to avoid
results differences after system was open, and then
closed again.
To assess both units’ energy consumption and compare
them two special cycles were used. The first one, well
known in automotive industry, called ECE Cycle
simulates highway steering conditions (great vehicle
speeds, and little steering speeds/angles) – no load, no
steering speed. ECE cycle is done only with different
MPU’s speeds; it is very simple, but reliable for further
comparisons. The second, still not commonly agreed,
was Driving Cycle, specially designed for simulating
urban driving conditions (small vehicle speeds, and
great steering speeds/angles). A driving cycle is a
standardized driving pattern. This pattern is described
by 3D-table – Steering Speed/Force/MPU’s rotary
speed (Tab. 3).
Taking into consideration different MPU’s motor speeds
we had in total respectively 8 for type A, and 32 for type
B ECE measuring points. For Driving Cycle it was
adequately: 144 points for type A, and 336 for type B.
At the end 520 results were obtained, and than used for
comparison.
Special condition demand established during R&R tests
were as well applied to cycle measurements. These
special conditions are:
- MPU’s oil temperature = 50±5 °C (±2 for ECE Cycle)
- The Power Steering body temperature = 50 ± 5 °C
- 49 -
ISSN 1612 - 9040
In this case no significant difference can be seen.
Thanks to above mentioned graphs it has come to light
very interesting difference between both MPU types.
However, to state irrefutable, what is the real cause
(what was changed inside new unit) of such parameters
behavior it is needed to go further with investigations.
Despite of this new pump shows superiority over old
one. Slight shift both curves in figure 6 can be caused
by higher overall efficiency of new type B.
ECE cycle gives us good first impression about new
generation. But more important is second cycle.
Driving cycle: This was the most laborious stage of our
work. Lot of data was gathered, and had to been
analyzed. At the end we have end up with two collective
graphs (Fig. 7a and 7b), where all the results were
presented.
- MPU’s voltage = 13,5 V
- Steering boundaries = ± 300 deg
Table 3: Measured points (the same for different MPU’s
motor speeds)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Steering Speed
50
100
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
0
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
3
4
8
300
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
90
MPU's current [% of max MPU's current]
Force
[kN]
RESULTS
ECE cycle: In our researches we have concentrated on
motor pump’s current consumption, and this value has
been compared on the following graphs. In figure 5 we
can clearly see that the new generation working with the
same pressure as previous generation use up less
current. Growing tendency for both curves is almost the
same; however, disproportion between them seems to
increase with pressure increasing. The both pump units
current relationship is therefore nonlinear.
70
53% MPU’s
max speed
60
50
40
30
20
72% MPU’s max speed
10
0
0
2
3
4
5
Rack Load [kN]
6
7
8
6
7
8
Type B
35
90
Type A
30
MPU's Current [% of max MPU's current]
80
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Pressure [bar]
Figure 5: Current as a function of pressure (ECE Cycle)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
Going further with analyze; it is very interesting to
compare what is current consumption at the same rotary
speed for both generations (Fig. 6).
35
Type A
30
Type B
20
15
10
5
0
20
40
60
80
100
Pump Speed / Max GEN A speed [%]
2
3
4
Rack load [kN]
5
For all this graphs current consumption versus rack load
was presented. On each graph three series for three
different MPU’s speeds can be seen. Each series consist
of four different curves for different steering speeds –
adequately: 0 deg/s, 50 deg/s, 100 deg/s and 300 deg/s.
Each series is represented by a different line style, and
each of four curves is represented in different color for
ease distinguishing.
25
0
1
Figure 7b: Driving cycle for MPU type B
(corresponding MPU’s speed three series 53 %, 72 %,
and 100 %)
40
Current / Max GEN A Current [%]
1
Figure 7a: Driving cycle for MPU type A
40
Current - (actual value)/(max value) [%]
100% MPU’s max speed
80
120
140
Figure 6: Current versus relative percentage MPU’s
speed (according to max type A speed; ECE Cycle)
- 50 -
ISSN 1612 - 9040
steering characteristics of EHPS systems are still better
than electric systems – especially taking into
consideration vibration dumping, and greater forces
which are not possible with electric motor and a gear.
New version of graph 2 could look now like in figure 9.
Table 4: Comparison of energy demand for both pumps
at the same pressure
Pressure
[bar]
Type A
[A]
Type B
[A]
Difference
[A]
% profit
to Gen A
4
8
5,5
14,5
4,8
11,8
0,7
2,7
12,7 %
18,6 %
Temperature Effect: Before starting measurements a lot
of factors which could influence them were discussed.
One of the most important turned out to be temperature
effect. Current consumption depends indicatively from
oil temperature. The root cause of such a behavior is
internal fluid friction (viscosity) which depends hardly
from the temperature. As we have experienced this
Fig. 8: 3D visualization for one MPU’s speed
For better measuring process understanding 3D data
visualization was done (Fig. 8). On this graph current
plane can be seen. Thanks to this it is easier to notice
correlation between current, steering speed, and load.
Figure 8 shows only data for 72% of maximal MPU’s
speed.
Energy Consumption Ratio [%]
40
DISCUSSION
Cycles: Foregoing graphs prove irrefutable, that new
generation is better than predecessor in most of
operating points. However with forces up to 2 kN
difference is unnoticeable. From 2 kN up to 6 kN we
can observe real big difference especially for max
MPU’s speed, and 53% of max speed. For medium
MPU’s speed both curves are really close together in
whole range of rack load. The biggest current difference
between both units occurs for 8 kN rack load, and
minimal (53%) pump speed – the value is ca. 10 % and
it makes almost 20 % comparatively to minimal new
type pump current.
With the higher pump speeds both generations are
ending at the same value - ca. 80 % of max current.
What is also an advantage for new type is its better
flexibility. New pump can work already with 17 % of
predecessor’s maximum speed, and end up with 145 %
of this speed. It is really impressive and contributes
significantly to decreasing the fuel consumption in
vehicle.
To assess how much type B is better than type A lets go
back once again to figure 5. Because hydraulic force on
the rack depends on pressure and piston effective area, it
is obvious that the bigger the pressure is the higher
force will be. For our investigation two diverse pressure
points have been chosen – 4 bar, and 8 bar pressure
(ECE cycle). Energy demand for both pumps is
presented in table 4. A quite big difference close to 19 %
finally confirms type’s B superiority over type A MPU.
Moreover, according to figure 2 difference between
Electro-Hydraulic Power Steering (EHPS) system, and
pure Electric Power Steering (EPS) is ca. 46 %. It
concludes that new MPU type has energy consumption
ratio at the level of 21 % instead of 26 % for GEN A.
Comparing this fact with table 4, we can boldly state
that newest type of EHPS systems are getting closer to
EPS systems according power consumption. Of course
35
30
25
20
15
10
5
0
HPS
TYPE A EHPS
TYPE B EHPS
EPS
Figure 9: Update of figure 2
difference can reach even 29 % for 3000 rpm MPU’s
speed and start temperature of 23 °C and end
temperature of 64 °C. Falling down tendency can be
seen very well in figure 10. As a consequence of this all
our measurements were started at the same temperature,
and the system was heated to 50 °C continually, then
surveys were conducted. However not for all operating
points it was possible. Especially working with great
forces, and slow speeds pump can heat up even for 10
°C. That is why for such operating points we were
forced to start with lower temperature, so that 50 °C was
in the center of that range.
9.5
9.25
9
8.75
Current [A]
8.5
8.25
8
7.75
7.5
7.25
7
6.75
6.5
20
25
30
35
40
45
50
55
Temp [°C]
Figure 10: Current “falling down tendency”
- 51 -
60
65
ISSN 1612 - 9040
foregoing questions.
The final step should be building of system’s physical
model with advanced friction model (temperature
effect), and comparing it with real results.
Stability: The last but not least studied factor was
MPU’s operation stability. Unstable MPU’s work can
cause not adequate (changing along time and
experiment) mean value, and in ours analyzes only
mean values have been compared. As we can seen in
Figure 11, there is a big distinction in both signal
tolerance. For type A peak value can be even 10 %
bigger (smaller) than a mean value. For type B this
variance is much smaller, and do not exceed 1 %. It is
ten times less than old type and such a difference
shouldn’t affect much mean value, especially that signal
is symmetrical contrary to old one’s.
In summary it was mentioned, that MPU’s components
have been slightly changed. Moreover for the new type,
the different controlling device for speed changing has
been used. Hence we cannot clearly state, if it is
steering problem, or just a better electric motor has been
applied in the next generation. Instability however takes
minor role when the current consumption is higher.
Moreover for higher MPU’s speeds instability
decreases.
REFERENCES
[1] http://gcdw05.unileoben.ac.at/cdlact/_private/SAE_Paper.pdf
[2] Source: Favess Co. Ltd.
[3] Ulrich; H.; Möller, C.: Ermittlung der Leistungsaufnahme von elektro-hydraulischen PKW-Lenksystemen; Deutsch-Polnisches Seminar, TU
Warschau, 15.-16.6.2004
[4] http://www.qualityamerica.com
[5] http://www.moresteam.com/toolbox/t403.cfm
Figure 11: Pressure changes in time for 3000 rpm
CONCLUSIONS
Consequences: Power consumption measurements on a
full test rig being able to simulate vehicles are very
important in future PS systems improvement. After
proving our test rig and measuring method in R&R
measurements (six sigma association guideline) we can
be sure that our measurements are accurate and can be
used for decision making.
Such an attitude confirms us in the conviction that our
measurements are good, and in fact new type has been
well enhanced. New motor pump unit is characterized
by better speed range, faster response, and especially by
lower energy consumption.
Future research:
Even though a lot of factors have been analyzed, still
one question remains unexplained – precisely why, the
successor is better than its predecessor? Is it because of
better efficiency, better pump unit, or maybe only
because of enhanced electronic steering.
To answer this question further investigation on a
special flow test rig should be conducted.
Future researches include also working with electric
motor module alone should give an answer for
- 52 -
ISSN 1612 - 9040
EINBINDUNG VON FAHRERMODELLEN IN MKS-FAHRZEUGMODELLE
R. von Dombrowski, H. Ulrich
Institut für Fahrzeugtechnik
Fakultät für Fahrzeugsysteme und Produktion
Computer verlagert werden könnten. Daher tritt die
Fahrermodellierung immer mehr ins Interesse der
Automobilhersteller [1].
Die meisten bestehenden virtuellen Fahrzeugprototypen
sind als Mehrkörpermodelle (Abbildung 1) in
Mehrkörper-Simulationssoftware (MKS) abgebildet.
ZUSAMMENFASSUNG: Die Kopplung zweier
Programme zur Fahrzeugsimulation wird vorgestellt. Im
Rahmen dieser Kopplung wird ein Fahrermodell der
Querregelung in ein Mehrkörper-Fahrzeugmodell
implementiert.
Dabei
werden
praktische
Schwierigkeiten und Probleme bei der Umsetzung
aufgezeigt und es werden Lösungswege beschrieben.
Weiterhin werden Erweiterungsansätze für das
Fahrermodell, besonders in Hinsicht auf das Befahren
von beliebig komplexen Strecken und auf eine
möglichst
realitätsnahe
Fahrer-modellierung,
präsentiert.
SUMMARY: The coupling of two software packages
for vehicle simulation is presented. Within the
framework of this coupling a driver model for the lateral
control of the vehicle is implemented into a multibody
vehicle model. Practical problems and difficulties are
exposed and solutions are revealed. Furthermore
enhancements of the driver model, especially with
respect to the ability to drive any desired complex
course and to build up a driver model which is as close
to the reality as possible, are presented.
Abbildung 1: MKS-Fahrzeugmodell
Diese Programme bieten allerdings nur im begrenzten
Umfang die zur Fahrermodellierung benötigten
regelungstechnischen und mathematischen Funktionen.
Daher bietet es sich an, die Modellierung des Fahrers in
geeigneteren Programmen vorzunehmen und diese dann
an
die
MKS-Software
der
Fahrzeugmodelle
anzukoppeln, um so die bestehenden Fahrzeugmodelle
weiterverwenden zu können und die Stärken der
regelungstechnisch orientierten Programme zu nutzen.
EINLEITUNG
Die Computersimulation hat heutzutage eine wichtige
Rolle in der Entwicklung von neuen Fahrzeugen
eingenommen. Sie ermöglicht den kompletten Aufbau
von virtuellen Fahrzeugprototypen, deren Eigenschaften
weitestgehend mit denen der späteren real gebauten
Fahrzeugen übereinstimmen. Mit solchen virtuellen
Fahrzeugprototypen
können
am
Rechner
Lastuntersuchungen
oder
Analysen
der
Fahrzeugdynamik vorgenommen werden. So können
die Fahrzeughersteller viele Kosten, wie sie zum
Beispiel durch den realen Prototypenbau entstehen,
einsparen. Neben der Kostenersparnis ermöglicht die
Simulation aber auch noch eine enorme Verkürzung der
Entwicklungszeit, da unter anderem die langen
Umbauzeiten von einer Fahrzeugvariante zur anderen
entfallen.
Bis heute ist aber im Wesentlichen nur das Fahrzeug an
sich als Simulationsobjekt in den Kern der Untersuchungen gerückt. Der Mensch, der selber ein
wichtiger Teil des Gesamtsystems Fahrer-Fahrzeug ist,
tritt meist ausschließlich als Beurteiler am Ende der
Simulationskette und nicht als Simulationsobjekt selber
in Erscheinung. Dies wäre aber einerseits nötig, um das
Gesamtsystem Fahrer-Fahrzeug besser verstehen zu
können und würde andererseits dazu führen, dass die
noch notwendigen teuren Testfahrten ebenfalls in den
KOPPLUNG DER SIMULATIONSPROGRAMME
Generell gibt es zwei verschiedene Arten
Simulationsprogramme miteinander zu verbinden, um
während
der
Simulation
Daten
zwischen
unterschiedlichen Modellen auszutauschen. Diese
Simulationsmethoden sind einerseits die Co-Simulation
und andererseits die eingebettete Simulation. In
Abbildung 2 sind die Kopplungen prinzipiel am
Beispiel der MKS-Software Virtual.Lab und dem
Programm DSHplus gezeigt.
DSHplus
DSHplus
Co-Simulation
eingebettete Simulation
Abbildung 2: Kopplungsmethoden
- 53 -
ISSN 1612 - 9040
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Kopplung ist die
Konsistenz in den Anfangsbedingungen in beiden
Programmen. So muss gewährleistet werden, dass beide
Programme mit den gleichen Anfangsbedingungen
starten. Andererseits würde es auch hier zu mathematischen Fehlern bei der Berechnung, beziehungsweise zu einem Abbruch der Berechnung kommen. Am
einfachsten erhält man gleiche Anfangsbedingungen,
wenn zu Simulationsbeginn beide Modelle in Nulllage
sind, wenn also von einem nicht gelenkten, stehenden
Fahrzeug ausgegangen wird.
Bei der Co-Simulation rechnen beide Programme
parallel zueinander und tauschen die nötigen
Informationen über definierte Schnittstellen miteinander
aus. Bei der eingebetteten Simulation hingegen werden
die beschreibenden Differentialgleichungen des einen
Modells als Datei gespeichert und in das andere Modell
eingebettet. So werden beide Modelle von einem
Programm aus berechnet. Der Vorteil der CoSimulation liegt darin, dass beide Programme noch in
vollem Umfang rechnen und man so in beiden
Programmen noch die volle Funktionsfähigkeit hat, um
Veränderungen und Analysen an den Modellen
durchzuführen. Man ist hier sehr flexibel und kann
Variationen testen und Spezifikationen realisieren.
Wenn die Modelle dann fertig gestellt sind, lohnt sich
die eingebettete Simulation. Hierbei ist man zwar
eingeschränkt in der Veränderung der Modelle, man
spart allerdings Kosten, da nur eines der beiden
Programme läuft und somit auch nur eine Lizenz
benötigt wird.
Bei der Kopplung einer MKS-Software gibt es einige
Punkte, die zu beachten sind, damit eine reibungslose
Simulation durchgeführt werden kann. So dürfen
Eingangssignale, die von außen in einer anderen Form
als Kraft- oder Momentanregungen auf das MKSFahrzeugmodell aufgeprägt werden, keine Unstetigkeiten, Knicke oder Sprünge aufweisen. Dies würde bei
den Lösungsverfahren der Differentialgleichungen zu
mathematischen Fehlern und damit eventuell zu
Programmabbrüchen führen. Die Glättung der
Eingangssignale ist eine einfache Methode, das zu
verhindern. Dabei ist darauf zu achten, dass die
Glättung die Dynamik des MKS nicht beeinflusst.
Die Anpassung der Eingangssignale sollte im MKSModell stattfinden und nicht bereits im angekoppelten
Programm, da durch die Übertragung der Daten von
einem Programm zum anderen erneut Unstetigkeiten in
den bereits geglätteten Signalen hervorgerufen werden
können. Sprünge beim Datenaustausch können dadurch
zustande kommen, dass der Datenabgleich zwischen
den Programmen immer in bestimmten Zeitintervallen
stattfindet und nicht bekannte zukünftige Daten
extrapoliert werden.
Fahrmanöver
Sollfahrlinie
ySoll´´
vSOLL
Sollwerte
Längsregler
Das Gesamtsystem Fahrer-Fahrzeug lässt sich in vier
Teilsysteme unterteilen. Diese Teilsysteme sind der
Fahrer an sich, das zu fahrende Manöver, das Fahrzeug
und die Umwelt. Jedes von ihnen hat seine eigenen
Aufgaben zu erfüllen und besitzt individuelle
Schnittstellen zu den anderen Teilsystemen. In
Abbildung 3 ist ein prinzipielles Blockdiagramm des
Gesamtsystems Fahrmanöver-Fahrer-Fahrzeug-Umwelt
dargestellt. Es zeigt die Verbindungen der Teilsysteme
miteinander und stellt die Interaktionen untereinander
dar.
Das Teilsystem Fahrermodell hat die Aufgabe mit Hilfe
von Lenk- und Antriebsvorgaben das Fahrzeug auf dem
Sollkurs zu halten. Die Sollgrößen des Kurses, wie zum
Beispiel Sollfahrlinie und Sollgeschwindigkeitsverlauf,
bekommt das Fahrermodell aus dem Fahrmanöverblock mitgeteilt. Diese Sollgrößen gleicht das
Fahrermodell mit den momentanen Zustandsgrößen, die
es vom Fahrzeugmodell übermittelt bekommt, ab, um so
die notwendigen Aktionen zur Kurshaltung bestimmen
zu können.
In dem Teilsystem Fahrmanöver ist die vom Fahrzeug
abzufahrende Sollfahrlinie als zwei-dimensionales
Kennfeld abgelegt. Über die momentane oder über eine
beliebige x-Position xIST des Fahrzeuges können hieraus
die zugehörige Sollposition in y-Richtung ySOLL und die
Krümmung ySOLL'' der Strecke ermittelt werden. Des
Weiteren werden im Fahrmanöverblock die nötigen
Parameter zur Geschwindigkeitsregelung festgelegt.
Umwelt
Fahrermodell
ySOLL
xIST
GESAMTSYSTEM FAHRER-FAHRZEUG-UMWELT
ax,max
ay,max
ySOLL
yIST
ψIST
ySoll´´
vSOLL
vIST
amax
ay,max
Störgrößen
Querregler
δ
Fy
Straßenprofil
Mz
Signalanpassung
µ
Fahrzeug
Längsregler
M
ax,IST
ay,IST
Fahrzeugmodell
Abbildung 3: Gesamtsystem Fahrer-Fahrzeug-Umwelt
- 54 -
z
xIST
yIST
ψIST
vIST
ax,IST
ay,IST
ISSN 1612 - 9040
[3] zeigt. Der Ansatz von A. Renski basiert auf der in
Abbildung 4 dargestellten Vorausschaustrategie. Das
Modell nimmt an, dass die für die Kurshaltung des
Fahrzeuges wichtigsten Größen die visuellen Signale
sind, die der Fahrer empfängt. So sieht der Fahrer, wenn
er einer Sollfahrlinie folgt, stets einen Zielpunkt A, der
in einem bestimmten Abstand, der so genannten
Vorausschauentfernung La, auf der Sollfahrlinie liegt.
Er sieht diesen Punkt in dem Winkel ε zur
Fahrzeuglängsachse.
Diese
können
zum
Beispiel
die
Wunschgeschwindigkeit,
beziehungsweise
der
Wunschgeschwindigkeitsverlauf oder die maximale
vom Fahrer tolerierte Längs- und Querbeschleunigung
sein.
Beispiele
für
Fahrmanöver,
die
im
Fahrmanöverblock abgebildet werden können, sind die
konstante Kreisfahrt, der ISO-Spurwechsel oder auch
beliebig vermessene Strecken.
Das Teilsystem Fahrzeugmodell vollführt seine
Bewegungen abhängig von den Aktionen des
Fahrermodells. Dabei wird das Fahrzeugmodell aber
nicht einzig und alleine durch die Lenk- und
Antriebsvorgaben des Fahrermodells beeinflusst,
sondern
auch
durch
Umwelteinflüsse,
wie
unterschiedliche
Straßenbeschaffenheiten
oder
Seitenwind. Die Ausgangsgrößen aus Quer- und
Längsregler
des
Fahrermodells
müssen
im
Fahrzeugmodell so angepasst werden, dass sie
fahrzeugspezifisch zu gebrauchen sind. Dies ist
notwendig, um Fahrzeugmodelle mit verschiedenen
Detaillierungsgraden ansteuern zu können. So muss für
jedes Modell individuell entschieden werden, wie die
Ausgangsgrößen
des
Fahrermodells
auf
das
Fahrzeugmodell gegeben werden. Hierzu dient der
Anpassungsblock im Blockdiagramm des Teilsystems.
Nach Anpassen der Eingangsgrößen werden diese direkt
auf das Fahrzeugmodell gegeben. Bei den Fahrzeugmodellen kann es sich hierbei, dank des zuvor
erwähnten Anpassungsblockes, um verschieden
komplexe
Fahrzeuge
handeln.
Hinter
den
Fahrzeugmodellen liegen die Differentialgleichungen
zur Beschreibung der gesamten Fahrzeugdynamik,
inklusive Modelle für die Reifencharakteristik zur
Ermittlung der Reifenkräfte.
Das Teilsystem Umwelt bestimmt die äußeren Einflüsse
auf das Fahrzeug. Diese äußeren Einflüsse können zum
Beispiel unterschiedliche Fahrbahnzustände wie Eis
oder Rollsplitt mit ihren unterschiedlichen Reibwerten
sein. Zu den äußeren Einflüssen auf das Fahrzeug
zählen auch das Höhenprofil der Strasse, welches unter
anderem eine wellige Fahrbahn oder Schlaglöcher
darstellen kann, oder äußere Kräfte, wie sie zum
Beispiel durch Seitenwind auftreten. Typische
Fahrmanöver, die eine zusätzliche Modellierung von
äußeren Kräften oder Momenten erfordern, sind das
Befahren einer Schleuderplatte oder das Fahren bei
plötzlich auftretendem Seitenwind.
Abbildung 4: Geometrie der Vorausschaustrategie [3]
Es wird davon ausgegangen, dass der Lenkwinkel δI,
den der Fahrer aufgrund einer Kursabweichung einstellt,
proportional zum Winkel ε ist. Wie stark der Fahrer
dabei auf eine Kursabweichung reagiert, wird über die
Lenkwinkelverstärkung W festgelegt, die den
Proportionalitätsfaktor zwischen Lenkwinkel und
Winkel ε darstellt. Es folgt also für den Lenkwinkel δI :
δ I (t) = W ⋅ ε(t)
(1)
Bedenkt man die Reaktionszeit Tk des Fahrers, die
zwischen Wahrnehmen der Abweichung und der eigentlichen Lenkreaktion liegt, folgt:
δ I (t) = W ⋅ ε(t - Tk )
(2)
Der Winkel ε ergibt sich dabei aus der Geometrie der
Vorausschauentfernung zu:
ε(t) =
y d (x OS + L a ) − y OS (x OS )
− ψ(x OS )
La
(3)
wobei ψ(xOS) der Gierwinkel des Fahrzeuges im
Schwerpunkt ist, yd(xOS+La) die
y-Position des
Vorausschaupunktes und yOS(xOS) die y-Position des
Fahrzeug-schwerpunktes.
Mit einer konstanten Geschwindigkeit v in x-Richtung
folgt für die aktuelle x-Position xOS des Fahrzeuges:
DAS VERWENDETE FAHRERMODELL
Für die Kopplung wurde ein Fahrermodell der
Querregelung ausgewählt, welches von A. Renski in [2]
und [3] aufgestellt wurde. Das Modell schafft es, mit
nur drei Parametern, der Vorausschauentfernung La, der
Reaktionszeit Tk und der Lenkwinkelverstärkung W,
eine
große
Bandbreite
an
verschiedenen
Fahrerreaktionen darzustellen, wie Renski anhand von
Vergleichen mit realen Testfahrten, wie dem ISOSpurwechsel und dem Seitenwindmanöver, in [2] und
x OS = v ⋅ t
(4)
Setzt man diese Beziehung und Gleichung 3 in
Gleichung 2 ein, erhält man die Formel für den
Lenkwinkel in Abhängigkeit der Querabweichung ∆y =
yd - yOS und des Gierwinkels ψ.
- 55 -
ISSN 1612 - 9040
δI (t)=
L
W
W
⋅ yd (t + a − Tk ) − ⋅ yOS(t −Tk ) − W⋅ ψ(t− Tk )
La
v
La
Fahrmanöver mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten durchfahren, 40 km/h und 60 km/h.
(5)
10
In Abbildung 5 ist die Querregelung nach A. Renski in
Form eines Blockdiagrammes dargestellt.
La=5m
La=10m
La=20m
La=30
Sollfahrlinie
Begrenzung
8
y-Position [m]
6
DRIVER
yd
Fy
L
W


y d  t + a − Tk 


La
v
Mz
−
W
y0S ( t − Tk )
La
δ1
VEHICLE
2
0
-2
50
-4
y0S
y0S
4
-6
ψ
100
150
200
250
Tk=0,2s
W=0,4
v=40km/h
-8
x-Position [m]
ψ
− W ψ( t − Tk )
Abbildung 7: Variation der Vorausschauentfernung La
bei 40 km/h
10
La=5m
La=10m
La=20m
La=30
Sollfahrlinie
Begrenzung
8
Abbildung 5: Blockdiagramm des Fahrermodells nach
A. Renski [2]
DES
4
y-Position [m]
SIMULATIONSERGEBNISSE
MODELLS NACH A. RENSKI
6
FAHRER-
2
0
-2
Mit Hilfe der gekoppelten Simulation wurde getestet, in
wie weit die beschreibenden Parameter des
Fahrermodells in der Lage sind, den realen
Kurshaltungsvorgang abzubilden. Das Fahrzeug wurde
unter Virtual.Lab abgebildet, das Fahrermodell unter
DSHplus. Als Fahrmanöver wurde der doppelte ISOSpurwechsels (Abbildung 6) absolviert. Hierbei wurde
bei sonst konstanten Versuchsparametern jeweils ein
Parameter des Fahrermodells variiert. Das Fahrmanöver
gilt dabei als bestanden, wenn das Fahrzeug innerhalb
der Streckenbegrenzungen bleibt.
-4
-6
50
100
150
200
250
Tk=0,2s
W=0,4
v=60km/h
-8
x-Position [m]
Abbildung 8: Variation der Vorausschauentfernung La
bei 60 km/h
Man erkennt bei beiden Diagrammen, dass mit kleiner
werdender
Vorausschauentfernung
wesentlich
unruhigere und teilweise instabile Fahrverläufe
auftreten. Je weiter das Fahrermodell vorausschaut,
desto stabiler und glatter ist die Linie, die das Fahrzeug
fährt. Jedoch kann es, wie aus den Diagrammen zu
erkennen ist, bei zu großen Vorausschauentfernungen
zu verfrühten Lenkaktionen kommen. Bei einer
Geschwindigkeit
von
40 km/h wird der Test ab einer Vorausschauentfernung
von ca. 13 m bereits korrekt passiert. Bei einer
Geschwindigkeit von 60 km/h hingegen muss das
Fahrermodell schon einen Punkt anvisieren, der
wesentlich weiter vor ihm liegt, um nicht übermäßig
weit über die Streckenbegrenzungen hinaus zu fahren.
Dieser Zusammenhang ist plausibel und spiegelt den
realen Lenkvorgang wieder. Autofahrer visieren bei
kleinen Geschwindigkeiten, wie zum Beispiel bei
Parkvorgängen, einen Punkt an, der nah am Fahrzeug
liegt, und mit größer werdender Geschwindigkeit einen
immer weiter entfernten Vorausschaupunkt. Es lässt
sich also mittels der Vorausschauentfernung sehr gut
und nachvollziehbar eine Fahreigenschaft von realen
Fahrern nachbilden.
Betrachtet man die Auswirkungen verschiedener
Lenkwinkelverstärkungen W, stellt man ebenfalls gute
Abbildung 6: ISO-Spurwechsel Manöver
In den Abbildungen 7 und 8 sind die
Simulationsergebnisse des doppelten ISO-Spurwechsels
bei einer Variation der Vorausschauentfernung La
dargestellt. Die Diagramme zeigen den Verlauf der
Fahrzeug-Istposition. Die Reaktionszeit bei diesen
und
die
Fahrversuchen
beträgt
Tk=0,2s
Lenkwinkelverstärkung W=0,4. Dabei wird das
- 56 -
ISSN 1612 - 9040
Parallelen zum realen Kurshaltungsvorgang fest. Der
Parameter Lenkwinkelverstärkung des Fahrermodells
soll
es
ermöglichen,
unterschiedlich
starke
Lenkreaktionen verschiedener Fahrer nachbilden zu
können.
In Abbildung 9 sind die Ergebnisse von Simulationen
mit unterschiedlichen Lenkwinkelverstärkungen W bei
40 km/h dargestellt. Die anderen Parameter des
Fahrermodells werden während der Versuche mit einer
Reaktionszeit
Tk=0,3
s
und
einer
Vorausschauentfernung La=20 m konstant gehalten.
Man erkennt aus dem Diagramm, dass bei einer zu
kleinen Lenkwinkelverstärkung, also wenn der Fahrer
nur schwach auf Kursabweichungen reagiert, das
Fahrzeug nicht stark genug einlenkt und über die
Streckenbegrenzungen hinauskommt.
Mit stärker
werdenden Reaktionen auf Querabweichungen nähern
sich die gefahrenen Kurven der Sollfahrlinie an. Sie
werden aber immer unruhiger und instabiler, da die
benötigte Lenktätigkeit zur Kurshaltung größer wird, je
stärker das Fahrermodell auf Abweichungen reagiert.
5
3
2
4
y-Position [m]
3
-2
Tk=0,3s
La=0,20m
v=40km/h
100
150
200
1
0
-2
-3
-4
50
100
150
200
250
W=0,5
La=0,20m
v=40km/h
x-Position [m]
Abbildung 10: Variation der Reaktionszeit Tk
bei 40 km/h
BEWERTUNG DES MODELLS
Die gekoppelten Simulationen zeigen, dass mit den drei
Parametern des Fahrermodells eine große Bandbreite an
verschiedenen Fahrern abgebildet werden kann. Dabei
entsprechen die Parameter bekannten und gut
nachvollziehbaren Fahreigenschaften von realen
Fahrern. Sie ähneln vom Betrag her sehr gut
Erfahrungswerten, so dass man ohne großes Vorwissen
erste Simulationen durchführen kann.
Das Fahrermodell ist allerdings für Fahrmanöver
aufgestellt, bei denen nur geringe Querabweichungen
auftreten, wie beim ISO-Spurwechsel oder Seitenwindmanövern. Daher werden im Fahrermodell einige
Vereinfachungen
getroffen.
Eine
dieser
Vereinfachungen ist, dass die Vorausschauentfernung
nur in x-Richtung definiert ist. Dies sieht man an
Gleichung 3 und Abbildung 4. Ein realer Fahrer wird
aber immer direkt zum Vorausschaupunkt schauen. In
Abbildung
11
sind
die
tatsächliche
und
die
vereinfachte
Vorausschauentfernung nach A. Renski dargestellt.
0
50
2
-1
1
-1
Tk=0,2s
Tk=0,4s
Tk=0,6s
Tk=0,8s
Sollfahrlinie
Begrenzungen
5
W=0,1
W=0,3
W=0,5
W=1
Sollfahrlinie
Begrenzung
4
y-Position [m]
6
250
x-Position [m]
Abbildung 9: Variation der Lenkwinkelverstärkung W
bei 40 km/h
Betrachtet man die Auswirkungen von verschiedenen
Reaktionszeiten Tk auf die Fahrlinien durch das
Fahrmanöver, erkennt man, dass das Fahrzeug immer
weiter von der Strecke abkommt, je größer die
Reaktionszeit des Fahrermodells gewählt ist. Die
Simulationsergebnisse des doppelten Spurwechsels mit
verschiedenen Reaktionszeiten sind in Abbildung 10
dargestellt. Auch hier wurde jeweils mit einer
konstanten Vorausschauentfernung von 20m und einer
konstanten Lenkwinkelverstärkung von 0,5 simuliert.
Das Diagramm zeigt, dass das Fahrmanöver mit
Reaktionszeiten bis zu 0,4 s noch korrekt bestanden
wird. Bei längeren Reaktionszeiten reagiert das
Fahrermodell zu spät auf Kursabweichungen, so dass
das Fahrzeug um die Sollfahrlinie herum pendelt. Die
Ursache hierfür liegt darin, dass das Fahrermodell erst
über die Sollfahrlinie hinausfährt, bevor es reagiert. Nun
muss es aber wesentlich stärker einlenken, um zurück
auf den Kurs zu kommen, so dass es nahezu senkrecht
zurück auf die Sollfahrlinie auffährt. Bevor es nun
reagiert, ist es schon wieder weit über den Sollkurs
hinausgefahren.
tatsächliche Vorausschauentfernung
A
S
Vereinfachte Vorausschauentfernung
Abbildung 11: Verschiedene
- 57 -
Definitionen
der
ISSN 1612 - 9040
den Winkel ε errechnen müsste, welcher sich aber erst
aus der Lage Vorausschauentfernung bestimmen lässt.
Des
Weiteren
würde
man
bei
komplexen
Streckenverläufen, selbst wenn man eine Lösung findet,
die x-Position des Vorausschaupunktes zu bestimmen,
eventuell zwei, drei oder noch mehr zugehörige yPositionen erhalten. Es wäre also ein Algorithmus nötig,
der die x- und y-Position des Vorausschaupunktes
bestimmt.
Da von kleinen Querabweichungen ausgegangen wird,
wird außerdem auch die Fahrzeuggeschwindigkeit
vereinfacht nur in x-Richtung angenommen. So ergibt
sich die momentane x-Position xOS des Fahrzeuges, wie
aus Gleichung 4 zu erkennen, aus dem Produkt von
konstanter Geschwindigkeit v und Simulationszeit t.
Um aber auch beliebig komplexe Streckenverläufe
bewältigen zu können, ist dies nicht geeignet, da hier
nicht gewährleistet werden kann, dass nur kleine yKomponenten beim Geschwindigkeitsvektor auftreten.
Um dies zu veranschaulichen, kann man sich einen
Streckenverlauf, wie in Abbildung 12 gezeigt,
vorstellen, der parallel zur y-Achse verläuft. Hier würde
sich, obwohl dies nicht der Fall ist, eine Verschiebung
des Fahrzeuges in x-Richtung ergeben, wenn die
momentane x-Position des Fahrzeuges, wie vorher
beschrieben, berechnet wird.
ERWEITERUNGSANSÄTZE
Als erste Erweiterung bietet es sich an, die im
Fahrermodell aufgrund der Annahme geringer
Querabweichungen getroffenen Vereinfachungen zu
beseitigen. Dies ist möglich durch eine geometrisch
korrekte Berechnung des Vorausschauwinkels, wie sie
in Gleichung 6 dargestellt ist, und durch eine genauere
Positionsbestimmung.
Die
genauere
Positionsbestimmung kann erreicht werden, indem die
Position nicht errechnet, sondern direkt vom
Fahrzeugmodell
ermittelt
wird.
Dieser
Erweiterungsschritt ermöglicht es dem Fahrermodell
nun beliebige Querabweichungen zu absolvieren und er
bereitet gleichzeitig den Weg für ein Befahren von
beliebigen Strecken vor.
Um die Auswirkungen der Änderungen zu testen, wurde
mit dem Fahrermodell nach Renski und mit dem
Fahrermodell für beliebig große Querabweichungen ein
Fahrmanöver einer S-Kurve simuliert, bei dem das
Fahrzeug mit 80 km/h eine Querverschiebung des
Fahrzeuges von 30 m in y-Richtung realisieren soll. Die
Fahrlinien der verschiedenen Fahrermodelle sind in
Abbildung 13 dargestellt. Die Parameter während der
Fahrversuche sind bei beiden Fahrermodellen gleich
gewählt worden und zwar mit einer Reaktionszeit Tk
von 0,3 s, einer Lenkwinkelverstärkung von 0,5 und
einer Vorausschauentfernung von 15 m.
v
xOS
Abbildung 12: vereinfachte Positionsbestimmung
Eine weitere Vereinfachung in dem Modell, die
aufgrund
der
Annahme
von
geringen
Querabweichungen getroffen wurde, ist die vereinfachte
Bestimmung des Vorausschauwinkels ε. Geometrisch
korrekt und für beliebig große Querabweichungen
anwendbar gilt für den Vorausschauwinkel im
Gegensatz zu Gleichung 3:
40
Tk=0,3s
La=15m
W=0,5
v=80km/h
35
y-Position [m]
30
(6)
Aufgrund
der
Annahme,
dass
nur
kleine
Querabweichungen auftreten und aufgrund aller damit
verbundenen Vereinfachungen, ist das Fahrermodell
nicht geeignet, um beliebig komplexe Streckenverläufe
zu simulieren. Dies liegt auch an der Art der Suche des
Vorausschaupunktes.
Der Vorausschaupunkt wird hier ermittelt, indem die ySollposition yd aus einem zweidimensionalen
Streckenkennfeld ausgelesen wird, und zwar über die xPosition des Vorausschaupunktes xd. Diese ergibt sich
aus der Summe von momentaner x-Position xOS und
Vorausschauentfernung La. Schon wenn man die
Vorausschauentfernung, wie vorher beschrieben, direkt
zum Zielpunkt und nicht entlang der x-Achse definiert,
könnte man nach dieser Methode nicht arbeiten, da man
die x-Komponente der Vorausschauentfernung La,x über
25
20
15
Fahrermodell nach A. Renski
10
erweitertes Fahrermodell
5
Sollfahrlinie
0
-5
0
100
200
300
400
500
x-Position [m]
Abbildung 13: Durchfahrt einer S-Kurve mit 80km/h
Man erkennt, dass das erweiterte Fahrermodell näher an
der Sollfahrlinie verläuft als das Fahrermodell nach A.
Renski. Dies liegt daran, dass das Fahrermodell nach A.
Renski aufgrund der vereinfachten Winkelberechnung
und der weiteren, zuvor erwähnten, Vereinfachungen
stets stärker einlenkt als es die jeweilige
Querabweichung erfordert.
- 58 -
ISSN 1612 - 9040
Streckenverläufe simuliert werden. Hierzu muss
lediglich noch die Berechnung des Vorausschauwinkels
angepasst werden, da diese nur für eine Fahrt in positive
x-Richtung Allgemeingültigkeit besitzt.
In Abbildung 15 sind die Simulationsergebnisse des
erweiterten Fahrermodells bei einer Fahrt durch einen
komplexeren Kurs dargestellt. Man erkennt, dass das
Fahrermodell mit Hilfe der Erweiterungen den Kurs
bewältigen kann. Die teilweise großen Unterschiede
zwischen gefahrener Linie und Sollfahrlinie kommen
hierbei nur daher, dass das Fahrermodell für den Kurs
zu schnell unterwegs ist.
Um beliebig komplexe Streckenverläufe zu modellieren
und um sich von der Vereinfachung einer
Vorausschauentfernung in reine x-Richtung zu lösen, ist
es nötig eine Logik zu entwickeln, die einen
Vorausschaupunkt aus einem Streckenkennfeld
bestimmt und dem Fahrermodell die Koordinaten des
Vorausschaupunktes mitteilt. Sind diese Koordinaten
bekannt, kann das Fahrermodell den Winkel ε zum
Vorausschaupunkt bestimmen und so den nötigen
Lenkwinkel einstellen. Im Folgenden wird ein Ansatz
vorgestellt, der aus einem beliebig komplexen
zweidimensionalen Streckenkennfeld aus der jeweiligen
Fahrzeugposition
und
der
jeweiligen
den
Vorausschaubeziehungsweise Zielpunkt des Fahrermodells ermittelt.
Die Zielpunktsuche soll beliebige zweidimensionale
Kennfelder, in denen die Sollfahrlinie mit chronologisch
geordneten Streckenpunkten Pi=(xi,yi) beschrieben wird,
einlesen können. Die Streckenpunkte müssen
chronologisch, also in der Reihenfolge in der sie
durchfahren werden sollen angeordnet sein, damit
festgelegt ist, wie die Strecke zu bewältigen ist. Weitere
Eingangsgrößen, die zur Bestimmung des Zielpunktes
benötigt werden, sind die Fahrzeug x- und y-Position
und die Vorausschauentfernung. In Abbildung 14 ist die
Funktionsweise der Zielpunktsuche dargestellt.
y
120
y-Position [m]
80
0
20
40
60
80
100
120
140
x-Position [m]
Abbildung 15: Simulationsergebnis der Fahrt durch
einen komplexen Kurs
AUSBLICK
Neben der vorgestellten Möglichkeit das Modell in
Hinsicht auf das Befahren von beliebig komplexen
Strecken zu erweitern, ist es auch sinnvoll das Modell
noch weiter an die realen Eigenschaften von
Fahrzeugführern anzugleichen. Eine Möglichkeit ist es,
die zuvor angesprochenen realen Begebenheiten, dass
der Fahrer seinen Zielpunkt abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit wählt, mit in das Fahrermodell
integriert. Es wäre also eine geschwindigkeitsabhängige
Vorausschauentfernung zu modellieren und zu
analysieren, wie die Zusammenhänge zwischen
des
Fahrers
und
Fahrzeuggeschwindigkeit in der Realität aussehen.
Eine weitere Erweiterung die das Fahrermodell der
Realität näher bringen könnte, ist es, die motorischen
Fähigkeiten des Fahrers mit einzubeziehen und eine
Begrenzung der Lenkwinkelgeschwindigkeit zu
modellieren, so dass das Fahrermodell ähnlich eines
realen Fahrers nur bestimmte Lenkgeschwindigkeiten
erreichen kann. So könnte einerseits vermieden werden,
dass vom Fahrermodell schneller gelenkt wird als es der
reale Fahrer jemals könnte, andererseits könnten über
eine variable maximale Lenkgeschwindigkeit noch
weiter differenzierbare Fahrer modelliert werden.
Neben der Querregelung würde es, besonders für die
Simulation von Extremsituationen, Sinn machen sich
der Geschwindigkeitswahl des Fahrers zu widmen.
Wird die Fahrzeuggeschwindigkeit nur gesteuert, so
drehen sich die Antriebsräder immer so schnell wie es
die vorgegebene Sollgeschwindigkeit erfordert. Eine
S2
P3
La
V=40km/h
-20
S1
S
40
0
P5
N
La=10m
W=0,4
-20
P4
P2
Tk=0,2s
60
20
P0
P1
Sollfahrlinie
100
x
Abbildung 14: Funktionsweise der Zielpunktsuche
Mit Hilfe der Fahrzeugkoordinaten und dem Sollkurs
wird als erstes der Punkt N auf der Strecke bestimmt,
der dem Fahrzeugschwerpunkt S am nahesten ist.
Danach werden alle Punkte Si auf dem Sollkurs
ermittelt, die genau um den Betrag der
Vorausschauentfernung La zum Fahrzeugschwerpunkt
entfernt sind. Nachfolgend wird der Punkt Si als
Vorausschaupunkt gewählt, der im Streckenkennfeld
unmittelbar nach dem nahesten Punkt N kommt. So
wird sichergestellt, dass keine Punkte angefahren
werden, die bereits abgefahren wurden. Anschließend
werden die Koordinaten des Voraus-schaupunktes
ausgegeben, so dass sie vom Fahrermodell verwendet
werden können.
Mit
Hilfe
der
Erweiterung
für
beliebige
Querabweichungen und mit Hilfe der Modellierung
einer Zielpunktsuche, wie sie zuvor beschrieben wurde,
können mit dem Fahrermodell beliebig komplexe
- 59 -
ISSN 1612 - 9040
Möchte man jedoch das menschliche Regelverhalten der
Längsregelung genauer nachbilden, bietet es sich an,
bestehende Längsregler in das Fahrermodell zu
integrieren. Ein Fahrermodell in dem sowohl die Querals auch die Längsregelung des Fahrers abgebildet sind
wird unter andern von Neculau in [4] aufgestellt. Solche
Längsregler ermöglichen es zum Beispiel, dass das
Fahrermodell das Fahrzeug vor einer Kurve auf eine
Kurveneintrittsgeschwindigkeit abbremst, mit der die
Kurve sicher durchfahren werden kann.
Differenz zwischen Soll- und Istgeschwindigkeit würde
also nicht ausgeregelt werden. Wie weit weg eine solche
Modellierung der Längstätigkeit von der Realität
entfernt ist zeigen besonders Simulationen von Fahrten
im physikalischen Grenzbereich. In Abbildung 16 sind
die Ergebnisse einer Fahrt durch eine S-Kurve mit
überhöhter Geschwindigkeit dargestellt.
Sobald das Fahrzeug ausbricht und anfängt zu
schleudern ist es für das Fahrermodell fast nicht mehr
zu kontrollieren. Dies liegt daran, dass sich die
Antriebsräder immer weiter drehen, obwohl sie die
Kraftschlussgrenze schon längst überschritten haben
und sie somit ein ständiges Rutschen des Fahrzeuges
bewirken. In der Realität würde dies einem Fahrer
entsprechen, der trotz wegrutschendem Fahrzeug und
durchdrehender Räder weiter auf das Gaspedal tritt.
75
SCHLUSSFOLGERUNGEN
Die Untersuchungen der Fahrermodelle zeigen, wie gut
Fahrermodelle reale Fahrer abbilden können und wie sie
der Fahrzeugentwicklung behilflich sein können. Das
Fahrzeugmodell von A. Renski bietet hier die
Möglichkeit mit nur drei Parametern eine große
Bandbreite
an
verschiedenen
Fahrerreaktionen
darzustellen. Es ist allerdings zugeschnitten auf
Fahrmanöver, die vorzugsweise nur in eine Richtung zu
fahren sind und bei denen nur geringe
Querabweichungen auftreten. Fahrmanöver, für die das
Vorausschaumodell nach A. Renski geeignet ist, sind
unter anderen der ISO-Spurwechsel oder das
Seitenwindmanöver, bei dem das Fahrzeug durch
Seitenwind minimal von seiner Spur abgebracht wird.
Die Grundgedanken des Modells sind nachvollziehbar
und plausibel und bilden die Erfahrung bei realen
Lenkvorgängen ab.
Damit das Fahrermodell auch für beliebige
Querabweichungen verwendet werden kann, bieten sich
die vorgestellten Erweiterungen in Form von genaueren
Winkel- und Positionsberechnungen an. Um das
Fahrermodell
und
die
dahinter
steckende
Vorausschaustrategie auch auf komplexere Strecken
anwenden zu können, haben sich die Erweiterungen um
eine Zielpunktsuche und um eine angepasste
Berechnung des Vorausschauwinkels als geeignete
Anpassungen herausgestellt.
In
wie
weit
die
weiteren
vorgestellten
Erweiterungsmöglichkeiten zu einer Verbesserung des
Fahrermodells beitragen können, muss jedoch erst in
der Praxis erprobt werden. Die Kopplung zwischen
Fahrermodell und MKS-Fahrzeugmodell hat dabei
gezeigt, wie die Schnittstellen der Programme
untereinander funktionieren und welche Anpassungen
notwendig
sind
um
einen
reibungslosen
Simulationsverlauf zu erhalten.
65
Sollfahrlinie
y-Position [m]
55
45
Tk=0,4s
35
La=10m
25
W=0,6
15
V=100km/h
5
-5 0
50
100
150
x-Position [m]
200
250
300
Abbildung 16: Durchfahrt einer S-Kurve mit überhöhter
Geschwindigkeit
In Abbildung 17 ist der Verlauf des Längsschlupfes
während dieses Fahrmanövers dargestellt. Man erkennt
den großen Schlupf an den Hinterrädern, sobald das
Fahrzeug einmal ausgebrochen ist. Der Kraftaufbau an
den Reifen wird unberechenbar und das Fahrermodell
ist nicht mehr in der Lage das Fahrzeug zu
kontrollieren.
1,2
erweitertes
Fahrermodell
1
Längsschlupf
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
0
5
10
15
20
25
30
-0,4
Zeit [s]
LITERATUR
Abbildung 17: Längsschlupf beim ausbrechenden
Fahrzeug
[1] Irmscher, M.; Jürgensohn, T.; Willumeit, H.-P.
(2000): Driver Models in Vehicle Development. The
dynamics of vehicles on roads and on tracks,
Proceedings of the 16th IAVSD-Symposium, 2000,
S.83-93
[2] Renski, A. (1998): The driver model and
identification of its parameters. SAE Technical
Paper Series No. 980011 (SP-1358), 1998
[3] Renski, A. (2003): Modelling of the driver activity
in the driver-vehicle-road system. Wissenschaftliche
Um das Verhalten von realen Fahrern in solchen
Situationen nachzubilden, das heißt ein Wegnehmen des
Gases zu modellieren, bräuchte man keine komplizierte
Längsregelung. Es würde ausreichen eine Art
Schlupfbegrenzung oder das bereits existierende System
der Antriebs-Schlupf-Regelung, kurz ASR, in das
Fahrermodell zu integrieren.
- 60 -
ISSN 1612 - 9040
Berichte der Fachhochschule Köln 1/2003,
XV.Deutsch-Polnisches Wissenschaftliches Seminar,
Köln, Germany, 2003
[4] Neculau, M. (1992): Modellierung des Fahrerverhal
tens:
Informationsaufnahme,
Regelund
Steuerstrategien in Experiment und Simulation.
Dissertation, TU Berlin 1992
- 61 -
ISSN 1612 - 9040
ANALYSE DES LAGEEINFLUSSES DES FRONTBALLASTES
AUF DIE ZUGKRAFT UND LEISTUNG EINES ACKERSCHLEPPERS
J. ŻEBROWSKI *, Z. ŻEBROWSKI **
*- Fakultät für Technische Wissenschaften
Universität in Olsztyn;
**- Fakultät für Kraftfahrzeuge und Arbeitsmaschinen
Technische Universität Warschau
Geräts (angehackt oder angehoben) auf den Schlepper
wirken [5]. Steigerung der Reaktion von dem
Arbeitsgerät her kann stattfinden nur dann statt finden,
wenn der Ackerschlepper einen schweren Boden
anfährt, d.h. wenn der Boden unterschiedlich ist.
Entlastung der Vorderräder ist begrenzt – die
Radlast der Vorderräder sollte nicht kleiner als 10% der
Summe
aller
Radlasten
sein
um
die
Schlepperbewegung kontrollieren zu können als auch
um eine sichere Lage zu gewährleisten (Kippsicherheit)
[4]. In solch einer Situation, wenn die Vorderräder
zuviel entlastet würden, wäre es möglich sie wieder zu
belasten indem man einen Frontballast nach vorne
verschiebe.
Die höchste Entlastung der Vorderräder
entsteht aber nur bei maximaler Belastung des
Schleppers durch das Gerät. Allerdings sollte der
Ackerschlepper nicht bei solcher maximalen
Zugbelastung arbeiten, weil in diesem Fall der
Zugwirkungsgrad sehr klein ist, die Leistungsfähigkeit
des
Schleppers
verringert
sich,
und
der
Kraftstoffverbrauch steigert.
Um den Einfluss der Lage eines SchiebeFrontballastes auf die Zugkraftwirkungsgrad und die
Leistung eines Ackerschleppers mit Hinterradantrieb zu
ermitteln, wurde die Simulation seiner Arbeit mit Hilfe
eines speziell zu diesem Zweck erarbeiteten
Computerprogramms durchgeführt. Das Programm
wurde vorher aufgrund der Feldmessergebnisse von
Ackerschleppern verifiziert.
Die Simulation wurde unter Annahme von
folgenden Daten des Massey Ferguson MF 235
Ackerschleppers durchgeführt:
SUMMARY: An analysis of the influence of a front
ballast position on the pull effectiveness and
productivity of agriculture tractors has been carried out.
Tractors with a rear and all wheel drive have been
studied. A computer simulation has been carried out,
and its results have been presented.
STRESZCZENIE: W pracy dokonano analizy wpływu
położenia przedniego dociążnika na sprawność uciągu
ciągnika i jego wydajność. Przeanalizowano pracę
zarówno ciągnika z napędem na koła tylne, jak i z
napędem na cztery koła. Dokonano symulacji
komputerowej, a wyniki zaprezentowano w formie
wykresów i tabel.
EINLEITUNG
Gewichtsauswahl eines Ackerschleppers und
die Radlastenverteilung hat einen wesentlichen Einfluss
auf:
- das Erreichen der erforderlichen Zugkraft;
- den Schlepperwirkungsgrad;
- die hohen Leistungsfähigkeit des Ackerschleppers.
Diese
Faktoren
beeinflussen
sowohl
die
Bewegungsmöglichkeit eines Ackerschleppers auf dem
gegebenen Boden als auch seine Sicherheit.
Es ist klar, dass während der Fahrt des
Ackerschleppers sein Gewicht unverändert bleibt außer
der Kraftstoffabnahme. Die Radlastverteilung ändert
sich nur wegen Änderungen der Gerätsreaktionen auf
den Schlepper.
ANALYSE
DER
ARBEIT
EINES
ACKERSCHLEPPERS MIT HINTERRADANTRIEB
-
Um die Zugkraft eines Ackerschleppers mit
dem Hinterradantrieb zu steigern, oder den Radschlupf
der angetriebenen Räder zu verkleinern und zugleich
den Rollwiderstand von Vorderrädern zu verringern,
sollen die Hinterräder belastet werden, und die
Vorderräder zugleich entlastet werden [5].
Entlastung
von
Vorderrädern
entsteht
normalerweise wenn die Reaktionen eines gezogenen
-
- 62 -
Gewicht des Ackerschleppers ohne des SchiebeFrontballastes, 18000 [N];
Gewicht des Schiebe-Frontballastes, 2500 [N];
Radstand des Schleppers, 1926 [mm];
Spurweiten der Vorder- und Hinterräder, 1320 [mm];
Abstand des Schwerpunktes des Schleppers (ohne
des Schiebe-Frontballastes) von der Vorderachse,
1177 [mm];
Standardabstand des Schiebe-Frontballastes von der
Vorderachse, 500 [mm];
Abstand des Schiebe-Frontballastes von der
Vorderachse, 1000 [mm];
ISSN 1612 - 9040
erreicht, bei vorderer Lage des Frontballastes war die
Leistungsfähigkeit des Schleppers kleiner. Werte der
Leistungsfähigkeit bei maximalen Wirkungsgraden sind
in der Tabelle 1 zusammengestellt.
-
Horizontalabstand des Gerätskraft auf den Schlepper
von der Hinterachse, 1100 [mm];
- Vertikalabstand des Gerätskraft auf den Schlepper
- Winkel des Gerätskraft auf den Schlepper von der
Horizontalebene 8 [º] (vom Unten);
- Arbeitstiefe des Geräts 210 [mm];
- dynamischer Reifenhalbmesser der Hinterräder,
595[mm];
- dynamischer Reifenhalbmesser der Vorderräder,
347[mm];
- Getriebeübersetzung, 3,028;
- Übersetzung der Gruppenwahlgetriebe, 4,000;
- Übersetzung der Hauptgetriebe, 6,166
Die Computersimulation wurde für zwei
verschiedene Böden (A und B) durchgeführt. Der
Rollwiderstandsbeiwert (f) für die Böden ist wie folgt:
- für Boden A
f = 0,12;
- für Boden B
f = 0,15.
Die Simulationsergebnisse in Form von
Wirkungsgrads- und Leistungsfähigkeits-Verläufen als
Funktion der Breite des Arbeitsgerätes sind in Bildern 1
und 2 dargestellt.
G1w05
G1w1
G08 w0,5
G08Ww1
G08Ww05
G1Ww1
G1Ww05
W [ha/h]
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7 b [m]
G08 w1
η
Bild 2. Leistungsfähigkeitsverlauf als Funktion der
Breite des Arbeitsgerätes für verschiedene
Arbeitsbedingungen:
- G1w05 – Boden A, Standardlage des Frontballastes;
- G1w1 - Boden A, vordere Lage des Frontballastes;
- G08w05 - Boden B, Standardlage des Frontballastes;
- G08w1 - Boden B, vordere Lage des Frontballastes [3]
0,5
0,4
0,3
0,2
Tabelle 1. Maximale Werte der
des Wirkungsgrades
Arbeitsvariante
b [m]
G1w05
0,595
G1w1
0,593
G08w05
0,475
G08w1
0,438
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
b [m]
Leistungsfähigkeit und
ηmax
0,446
0,428
0,385
0,365
Wηmax [ha/h]
0,291
0,219
0,224
0,207
Änderung der Lage des Frontballastes kompliziert die
Konstruktion des Schleppers, wichtiger jedoch ist, dass
sie einen zusätzlichen Energiebedarf hervorruft. Obwohl
die vordere Lage des Frontballastes höhere Zugkräfte
bei Erhaltung erforderlicher Radlasten ermöglicht,
werden dadurch die betrachteten Parameter reduziert
(siehe Ergebnisse) und der Energieaufwand (Kosten) für
die Arbeit erhöht.
Bild. 1. Wirkungsgradsverlauf als Funktion der Breite
des
Arbeitsgerätes
für
verschiedene
Arbeitsbedingungen:
- G1w05 – Boden A, Standardlage des Frontballastes;
- G1w1 - Boden A, vordere Lage des Frontballastes;
- G08w05 - Boden B, Standardlage des Frontballastes;
- G08w1 - Boden B, vordere Lage des Frontballastes [3]
Die Verläufe zeigen, dass der größte Zugwirkungsgrad
sowohl für den Boden A als auch B, bei der
Standardlage des Frontballastes erreicht wird. Bei
vorderer
Lage
des
Frontballastes
war
der
Zugwirkungsgrad
bei
derselben
Breite
des
Arbeitsgerätes kleiner (Tab. 1).
Analogisch sehen die Simulationsergebnisse für die
Leistungsfähigkeit aus. Die größte Leistungsfähigkeit
für gegebene Breite des Arbeitsgerätes war für die
Böden A und B bei der Standardlage des Frontballastes
ANALYSE
DER
ARBEIT
EINES
ACKERSCHLEPPERS MIT ALLRADANTRIEB
Erhöhung der Antriebskraft eines Ackerschleppers kann
durch den zusätzlichen Antrieb der Vorderräder erreicht
werden.
Beim
Allradantrieb
kann
die
Ballastverschiebung nach vorn nur bei der
gleichzeitigen Berücksichtigung der Radlastverteilung
- 63 -
ISSN 1612 - 9040
von Vorder- und Hinterrädern vorteilhaft sein.
Die
zweckmäßige
Radlastverteilung
eines
Ackerschleppers verringert (beim konstanten Gewicht)
die Maximalwerte des Kontaktflächendruckes. Dadurch
werden die Versenkung der Räder im Boden und die
Stampfung des Bodens kleiner.
Beim Allradantrieb eines Ackerschleppers wird die
Antriebskraft, in gegebenen Bodenbedingungen und bei
gegebenen Radlasten, nur durch kinematische
Bedingungen (d.h. kinematische Umstimmigkeit)
beeinflusst. Bei Ackerschleppern
mit gleichen
Reifendurchmesser von allen Rädern (‚track’) sichern
die gleichen Radlasten auf einem homogenem Boden
und bei gerader Bewegung fast dergleichen Schlupf der
Räder. Unter diesen Umständen kann die größte
Zugkraft
des
Schleppers
und
die
größte
Zugwirkungsgrad (bei optimaler Zugkraft) erreicht
werden [6].
Einen verschiebbaren Frontballast hat die Firma
Schlüter in Eurotrac Ackerschleppern mit 74, 96, 118
und 149 [kW] Leistung, gleichen Reifendurchmesser
und Allradantrieb eingesetzt (Bild 3 bis 5). Der
verschiebbare Frontballast befindet sich über der
Vorderachse [2]. Seine Verschiebung wird mit Hilfe von
Hydraulikzylindern realisiert und ermöglicht eine
Änderung der Radlastenverteilung für beiden Achsen im
Bereich 40 – 60%. [1].
-
-
Werte des λst Beiwerts (Verhältnis des Hinterradlast
zum Schleppergewicht): 0.5; 0.56 (Standartwert);
0.65 und 0.8;
kinematische Umstimmigkeit zwischen Vorder- und
Hinterräder (Verhältnis der Vorderrad- zum
Hinterradgeschwindigkeit
auf
dynamischen
Reifenhalbmesser:
k2 = 0,905;
k1 = 1,000;
k3=1,105;
Arbeit des Schleppers auf horizontalem und
homogenem Boden mit dem Rollwiderstandsbeiwert
f = 0.14;
Radstand des Schleppers, 2695 [mm];
Spurweiten der Vorder- und Hinterräder, 1500 [mm];
Horizontalabstand des Gerätskraft auf den Schlepper
Vertikalabstand des Gerätskraft auf den Schlepper
Winkel des Gerätskraft auf den Schlepper von der
Horizontalebene 8 [º] (vom Unten);
Arbeitstiefe des Gerätes 280 [mm];
Übersetzung der Gruppenwahlgetriebe, 4,153;
Übersetzung der Hinterachse, 25,037
Übersetzung der Vorderradgetriebe, 15,945.
Bild
4. Verschiebbarer Frontballast des Eurotrac
Ackerschleppers [1]
Bild 3. Eurotrac Ackerschlepper mit dem Frontballast
in vorderer Lage [1]
Den Einfluss der Frontballastlage auf die
Zugwirkungsgrad,
Leistungsfähigkeit
und
Kraftstoffverbrauch untersuchte man mit Hilfe des
Simulationsprogramms
für
den
Allradantrieb
Ackerschlepper URSUS 1204. Die Untersuchung wurde
unter Annahme von folgenden Daten des Schleppers
durchgeführt:
- Masse des Ackerschleppers, m = 5000 [kg];
Bild 5. Eurotrac Ackerschlepper bei der Arbeit [1]
In der Tabelle 2 werden Maximalwerte des
Zugwirkungsgrads (ηu) zusammengestellt. Sie wurden
als Ergebnis entsprechend angenommener Breite (b) des
- 64 -
ISSN 1612 - 9040
Arbeitsgerätes,
bei
unterschiedlicher
Massenachsenverteilung (λst Faktor) und kinematischer
Umstimmigkeit (k).
eine Einheit der bearbeiteten Ackerfläche (Gha) in
Abhängigkeit von der kinematischen Umstimmigkeit (k)
werden in Tab. 4 zusammengestellt.
Tabelle 2. Maximalwerte des Zugwirkungsgrads ηu für
verschiedene λst und k Faktoren
ηumax
λst
k1 = 1
k2 = 0,905
k3 = 1,105
0,50
0,5242
0,5168
0,5124
0,56
0,5249
0,5176
0,5137
0,65
0,5260
0,5195
0,5162
0,80
0,5279
0,5248
0,5219
Tabelle 4. Einfluss des Faktors (λst) auf den
Kraftstoffsverbrauch bezogen auf eine Einheit der
bearbeiteten Ackerfläche (Gha) für verschiedene (k)
Werte
Gha [l/ha]
λst
k1 = 1
k2 = 0,905
k3 = 1,105
0,50
23,70
23,84
23,99
0,56
23,67
23,85
23,97
0,65
23,66
23,72
23,93
0,80
23,57
23,52
23,83
Aufgrund der Analyse der Ergebnisse kann man
feststellen, dass der maximale Zugwirkungsgrad (ηu)
erhalten bei optimaler Gerätsbreite (b) und für
gegebenen Boden, vom Wirkungsgrad des Antriebs und
von der kinematischen Umstimmigkeit (k) abhängig ist.
Der Wert des Faktors (λst), bei der kinematischen
Umstimmigkeit (k) beeinflusst den Zugwirkungsgrad
(ηu) nur dann, wenn der Wirkungsgrad des Vorder- und
Hinterachseantriebs unterschiedlich ist.
Einfluss der Achsemaßverteilung (λst) auf die
Leistungsfähigkeit des Aggregates (W) in Abhängigkeit
von der kinematischen Umstimmigkeit (k) ist in Tab. 3
dargestellt.
Tabelle 3. Einfluss des Faktors λst auf die
Leistungsfähigkeit W für verschiedene k
Wmax[ha/h]
λst
k1 = 1
k2 = 0,905
k3 = 1,105
0,50
0,825
0,824
0,811
0,56
0,825
0,828
0,808
0,65
0,825
0,835
0,804
0,80
0,825
0,846
0,799
Die in Tab. 3 zusammengestellten Werte zeigen, dass
die Achsemaßverteilung (λst) für k = 1 keinen Einfluss
auf die Leistungsfähigkeit des Aggregates (W) hat. Für
den Fall k < 1, arbeiten die Hinterräder mit einem
größeren Triebkraftbeiwert (µ) als die Vorderräder,
deshalb bei größerer Belastung steigert ihre
Antriebskraft, was die größere Breite des Arbeitsgerätes
(b) ermöglicht. Wenn k > 1, arbeiten die Vorderräder mit
einem größeren Antriebsfaktor (µ) als die Hinterräder.
Deswegen, die größere Belastung der Hinterräder und
Steigerung ihrer Antriebskraft im betrachteten Fall
kompensiert nicht genügend die Verringerung der
Antriebskraft der Vorderräder wegen ihrer Entlastung.
Dies verursacht die Verringerung der Antriebskraft des
Schleppers und dadurch Verringerung entweder der
Breite
des
Arbeitsgerätes
oder
der
Arbeitsgeschwindigkeit,
was
schließlich
die
Leistungsfähigkeit des Ackerschleppers verkleinert.
Einige Simulationsergebnisse für den Einfluss des
Faktors (λst) auf den Kraftstoffsverbrauch bezogen auf
Die Werte zusammengestellte in Tab. 4 zeigen,
dass, unabhängig vom Wert des Faktors (k), Steigerung
von (λst) den Kraftstoffsverbrauch, bezogen auf eine
Einheit der bearbeiteten Ackerfläche (Gha) verringert.
Die Ursache dafür liegt in der Bauart des Antriebes, wo
die Leistung für die Vorderräder mit kleinerem Verlust
übertragen wird, darüber hinaus werden bei Erhöhung
des Faktors (λst) die Hinterräder be- und die
Vorderräder entlastet. Deshalb wird der Leistungsfluss
für den Boden durch die Hinterräder vergrößert, und
durch die Vorderräder reduziert. Auch der
Kraftstoffsverbrauch, bezogen auf eine Einheit der
bearbeiteten Ackerfläche (Gha) ist deswegen beim
größten Wert des Faktors (λst) und bei k2 < 1 am
kleinsten, und beim kleinsten Wert des Faktors (λst) und
bei k3 > 1 am größten.
SCHLUSSFOLGERUNGEN
Die oben durchgeführte Analyse erlaubt folgende
Schlussfolgerungen:
- Das Verschieben des Frontballastes nach vorn im
Bezug reduziert den Zugwirkungsgrad und
Leistungsfähigkeit eines Ackerschleppers mit
Hinterradantrieb.
- Für Ackerschlepper mit Hinterradantrieb ist
Änderung
der
Lage
des
Frontballastes
unzweckmäßig.
- Für Ackerschlepper mit Allradantrieb beeinflusst die
Änderung der Lage des Frontballastes, und dabei die
Änderung von (λst) im Bereich von 0.5 < λst < 0.8,
folgende Parameter in geringem Ausmaß:
1. die Zugwirkungsgrad kann um 0.7%
steigern,
2. die Leistungsfähigkeit bleibt bei
kinematischen Koinzidenz konstant,
3. die Leistungsfähigkeit steigert bei
kinematischen Umstimmigkeit (k2)
um 2.6%,
4. die Leistungsfähigkeit verringert bei
kinematischen Umstimmigkeit (k3)
um 1.5%,
- 65 -
ISSN 1612 - 9040
5.
Kraftstoffverbrauch im Bezug auf
Hektar verringert im Bereich von 0.6
– 1.2% bei Erhöhung von (λst),
Die angegebenen Ergebnisse zeigen auf, dass
die Änderung der Lage des Frontballastes für
Ackerschlepper sowohl mit Hinterrad- als auch
Allradantrieb unzweckmäßig ist, dabei macht diese
Lösung die Konstruktion der Schlepper komplizierter.
Zum Schluss kann man feststellen, dass sowohl
der Bau als auch Gebrauch von Ackerschleppern mit
Schiebe-Frontballast unzweckmäßig ist. Die neusten
Modelle von Ackerschleppern der Weltbekannten
Firmen werden ohne Schiebe-Frontballast gebaut.
LITERATUR
1. Euro-Trac – ein neues Schlepperkonzept,
Sonderdruck aus dlz Die Landwirtliche Zeitschrift
für Produktion – Technik Management, Heft 5, 7,
9/89.
2. Schlüter: Neuer Trac, neue Zukunft? Profi Magazin
für Agrartechnik Sonderdruck aus 2/1990.
3. Żebrowski Z. i inni: Sprawozdanie z projektu
badawczego 8 T07C 03521 pt.: „Modelowanie i
automatyzacja procesów roboczych agregatu
ciągnikowego” Instytut Maszyn Roboczych
Ciężkich Politechnika Warszawska, Warszawa 2004.
4. Renius, K.T.: Traktoren. Technik und ihre
Anwendung. BLV Verlagsgesellschaft München:
DLG
Verlag
Frankfurt/(Main):
Landwirtschaftsverlag
Münster-Hiltrup:
Österreichischer Agrarverlag Wien: Agrarverlag
Wirz-Grafino-Bern 1987.
5. Żebrowski, J., Żebrowski,. Z.: Mechanika ciągników
kołowych. Wydawnictwo ART. Olsztyn 1997.
6. Żebrowski J.: Metodyka określania efektywności
funkcjonowania ciągnika terenowego. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Prace
naukowe, Mechanika, z. 206, Warszawa 2004.
DANKSAGUNG
Diese Arbeit wurde dank Unterstützung des
Komitees
für
Wissenschaftliche
Forschungen
(Nr. 8TO7C 03521) realisiert.
- 66 -
ISSN 1612 - 9040
VIRTUELLE MITTEL ZUR ENTWICKLUNG STEUERUNGSTECHNISCHER KOMPETENZ
D. Klemenz
Institut für Produktion
[email protected]
Maschinen-Schnittstellen und als Programmiergerät für
SPS eingesetzt.
Durch die gegenüber SPS sehr schnelle Weiterentwicklung von PC bietet sich deren Nutzung als SPS an.
Dabei müssen jedoch die industriellen Anforderungen
an Steuerungen erfüllt werden.
Die einsetzbaren Steuerungs-Programme sind unter
üblichen Betriebssystemen lauffähig. Sie werden als
„Soft-SPS“ oder „Embedded SPS“ bezeichnet. Für ihren
Betriebist es unbedingt erforderlich, dass die SPS
Programme von anderen auf dem PC laufenden
Programmen nicht gestört wird.
ZUSAMMENFASSUNG:
Mit Soft-SPS-Programmen und den beispielsweise in
Leitsystemen oder Mensch-Maschine-Schnittstellen
genutzten Visualisierungsprogrammen lassen sich die
Erstellung und die Erprobung von SPS-Anwenderprogrammen auf einem PC durchführen. Dies eröffnet für
Studierende die Möglichkeit mit „Computer Based
Training“ selbstständig steuerungstechnische Kompetenz zu erwerben.
Mehrere Visualisierungsobjekte mit zu steuernden
Einrichtungen und virtuellen Bedien- und Beobachtungselementen werden vorgestellt. Das Erstellen
und Erproben von Anwenderprogramme mit diesen
Objekten wird beschrieben.
Mit Soft-SPS-Programmen und den zusätzlichen
Programmen zur Programmierung und Visualisierung
lassen sich die Erstellung und die Erprobung von
Steuerungsprogrammen auf einem PC durchführen. Die
Visualisierungs-Programme sind überwiegend für
Darstellungszwecke in Leitsystemen und MenschMaschine-Schnittstellen ausgelegt, aber auch für
Ausbildungszwecke geeignet.
EINLEITUNG
Langfristig kann die wirtschaftliche Produktion von
industriell hergestellten Gütern nur durch ständiges
Rationalisieren unter ökonomischen Gesichtspunkten
abgesichert werden. Eine Grundlage für die Weiterentwicklung und Rationalisierung industrieller Produktionsprozesse ist die Digitale Steuerungstechnik.
Die Steuerungen von Produktionseinrichtungen werden
immer umfangreicher und haben auf die Produktivität
der Produktionsprozesse grossen Einfluss. Die in der
industriellen Produktion tätigen Ingenieurinnen und
Ingenieure benötigen steuerungstechnische Kompetenz.
Nur dann können sie
• mit Mitarbeitern und Lieferanten steuerungstechnische Fragen fachkundig besprechen.
• die Aufgaben
beschreiben.
von
Steuerungen
PC mit Bildschirm, Tastatur und Maus
Betriebssystem
Programmierung
Soft-SPS
Soft-SPS System
Simulation
eindeutig
Visualisierung
• Fehler in produktionstechnischen Einrichtungen
nicht nur technologisch und mechanisch, sondern
auch steuerungstechnisch analysieren und beheben.
Ankopplung Sensoren und Aktoren über Feldbus
• die Rationalisierungs-Potentiale von steuerungstechnischen Mitteln bei der Automatisierung von
Prozessen beurteilen.
Abbildung 1:
In einen PC eingebettetes Soft-SPS System
Diese Kompetenz kann in Lehrveranstaltungen nur teilweise vermittelt werden. Ein grosser Teil muss durch
Selbststudium erworben werden.
Die Standardisierung der SPS Programmierung nach der
IEC 1131-3 [1] ermöglicht eine geräte- und herstellerunabhängige Lösung von Steuerungsaufgaben. SoftSPS-Programmsysteme, welche auf einem üblichem PC
lauffähig sind und die Anforderungen der IEC 1131-3
erfüllen, sind für Ausbildungszwecke gut geeignet. Es
In Steuerungen von produktionstechnischen Einrichtungen werden PC häufig für Leitsysteme, als Mensch-
- 67 -
ISSN 1612 - 9040
In einem Programm der Funktionsplan-Sprache werden
die Variablen A und B als Eingangs- und die Variable Y
als Ausgangsvariable deklariert.
Aus der Schalttabelle in Abb. 2 wird die Schaltung mit
den Operatoren UND, ODER und NICHT entwickelt.
Beim Programmieren werden in das Netzwerk des FUPProgramms die Operatoren entsprechend der Schaltung
eingegeben. Da Rückführungen nicht vorgesehen sind,
wird die Ausgangsvariable Y als Eingangsvariable
verwendet.
lassen sich SPS Anwenderprogramme virtuelle Bedienund Beobachtungsfelder, zu steuernde produktionstechnische Einrichtungen programmieren und deren
Funktion visuell simulieren.
Dies wird beispielhaft mit dem Programmiersystem
CoDeSys der Firma 3S – Smart Software Solutions
GmbH [2] vorgestellt.
In der IEC 1131-3 sind zur Beschreibung von Schaltungen der Kontaktplan (KOP), die FunktionsbausteinSprache (FUP), die Anweisungsliste (AWL), der
Strukturierte Text (ST) und andere Programmiersprachen, wie beispielsweise die Ablaufsprache,
zugelassen.
In der Funktionsbaustein-Sprache werden Operatoren
und Funktionen graphisch, in Anlehnung an DIN 40 900
Teil 12 [3] dargestellt. Damit lassen sich komplexe
Zusammenhänge leichter erfassen. Diese Sprache ist für
das Vertiefen der steuerungstechnischen Kenntnisse im
Rahmen von E-Learning, Blended Learning, Computer
Based Training usw geeignet.
Im Online Simulationsbetrieb können „TRUE“ oder
„FALSE“ als Werte der Eingangsvariablen über die PCMaus durch Anklicken mit der linken Maustaste vorgegeben werden. Diese Werte können aktiviert und der
Wert der Ausgangsvariablen kann beobachtet werden.
Dabei wird eine Variable mit dem Wert 0 schwarz und
eine Variable mit dem Wert 1 blau dargestellt.
Zum Erproben werden die Eingangsbelegungen gemäss
der Schalttabelle vorgegeben. Insbesondere ist der
Übergang von den Eingangsbelegungen AB: 01 oder 10
zur der Eingangsbelegung AB: 00 zu verifizieren.
ERPROBEN VON SCHALTUNGEN
Schalttabelle
VORGABE DER WERTE VON VARIABLEN
Variable
A B
Y
0
0 0
Übergang
von Zeile 1
nach Zeile0
Vorzustand
Übergang
von Zeile 2
nach Zeile0
1
0 1
0
2
1 0
1
3
1 1
0
Zeile
In der Schaltung in Abb. 2 werden die beiden Eingangsvariablen A und B und die rückgeführte Variable Y zu
der Ausgangsvariablen Y verknüpft. Die Variable Y soll
nur dann den Wert 1 haben, wenn die Variable B den
Wert 0 hat und gleichzeitig eine der Variablen A oder Y
den Wert 1 hat oder beide den Wert 1 haben. Bei allen
anderen Eingangsbelegungen soll die Variable X den
Wert 0 haben. Bei der Schaltung handelt es ich um ein
Flipflop bei dem die Variable B, die Rücksetzvariable,
dominiert.
Die Beziehungen zwischen den Variablen A, B und Y
lassen sich in einer Schalttabelle darstellen. Die Ausgangsvariable Y hat den Wert 0 wenn die Variable B
den Wert 1 hat, also bei den Eingangsbelegungen AB:
11 und AB: 01. Die Ausgangsvariable Y hat den Wert 1
bei der Eingangsbelegung AB: 10. Bei der Eingangsbelegung AB: 00 ist der Wert der Variablen Y davon
abhängig, von welcher Eingangsbelegung der Übergang
zu der Eingangsbelegung AB: 00 stattgefunden hat. Bei
dem Übergang von Eingangsbelegung AB: 10 nach AB:
00 bleibt der Wert 1 Variablen Y und bei dem Übergang
von Eingangsbelegung AB: 01 nach AB: 00 bleibt der
Wert 0 Variablen Y erhalten.
Für einen Übergang von Eingangsbelegung AB: 11
nach AB: 00 wäre es erforderlich, dass sich gleichzeitig
die Werte der Variablen A und B ändern. Dies wäre nur
zufällig möglich. Der Übergang findet üblicherweise
über eine der beiden von Eingangsbelegung AB: 01
oder AB: 10 statt. Entsprechend unbestimmt ist der sich
ergebende Wert der Variablen Y.
Netzwerke im
Online-Betrieb
Vorgabe der Variablenwerte
Schreiben der Variablenwerte
Abbildung 2: Erprobung eines Flipflops bei dem die
Rücksetzvariable dominiert
ERPROBEN VON SCHALTUNGEN MIT
VIRTUELLEN TASTERN, SCHALTERN UND
MELDELEUCHTEN
Im Simulationsbetrieb ist die direkte Vorgabe von Werten der Eingangsvariablen in Schaltungen aufwändig
und daher zum Erproben von Schaltungen für Lehr- und
Lernzwecke ungeeignet. Das Verfahren ist zudem nicht
für Schaltungen geeignet, bei denen, wie bei Zählschaltungen, zum Erproben aufeinanderfolgende Eingaben
notwendig sind.
Das Programmieren und Erproben von Übungsschaltungen kann mit bereits deklarierten Ein- und Ausgangsvariablen und virtuellen Darstellungen von Schaltern zur
Vorgabe der Werte der Eingangsvariablen und Meldeleuchten zur Anzeige der Werte der Ausgangsvariablen
wesentlich vereinfacht und beschleunigt werden.
- 68 -
ISSN 1612 - 9040
A
B
C
X, Y, Z
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
&
≥1
&
A
B
C
≥1
A
B
C
≥1
Die Ausgangsvariablen X, Y und Z der von der Schalttabelle beschriebenen Schaltungen haben nur dann den
Wert 1, wenn gleichzeitig nur eine der Eingangsvariablen A, B oder C den Wert 1 hat oder nur zwei der Variablen den Wert 1 haben. Haben alle Eingangsvariablen
gleichzeitig den Wert 1oder den Wert 0 dann haben die
Variablen X, Y und Z den Wert 0.
Aus der Schalttabelle lassen sich die Schaltungen in der
disjunktiven Normalform mit der Ausgangsvariablen X
und der konjunktiven Normalform mit der Ausgangsvariablen Y direkt ableiten. Daneben gibt es weitere, die
Funktion erfüllende Schaltungen, von denen eine mit
der Ausgangsvariablen Z dargestellt ist.
&
Y
Variante
der Schaltung
&
&
Die Schalttabelle in Abb. 3 beschreibt eine Schaltung,
von der die Eingangsvariablen A, B und C zu den Ausgangsvariablen X, Y und Z verknüpft werden.
Konjunktive
Normalform
Disjunktive
Normalform
Schalttabelle
A
C
&
B
C
&
A
B
&
≥1
&
Z
&
Netzwerke im Onlinebetrieb
Das Schreiben des SPS-Anwenderprogramms erfolgt in
einem Programm der Funktionsplan-Sprache, in dem
die Eingangsvariablen A, B und C und die Ausgangsvariablen X, Y und Z bereits deklariert sind.
X
Visualisierung
mit Schaltern zur Vorgabe
der Variablenwerte
im Onlinebetrieb
und Meldeleuchten
zur Anzeige der
Werte der Variablen
In Abb. 3 ist jede dieser 3 Schaltungen in einem eigenen
Netzwerk programmiert. Hierzu wurden die Schaltglieder entsprechend dem Schaltungsentwurf in die Netzwerke eingegeben. Die bei der Eingabe zunächst vorhandenen 2 Eingänge der Schaltglieder wurden auf die
in der Schaltung benötigte Anzahl erhöht.
Über das interaktive Visualisierungsobjekt mit Schaltern und Meldeleuchten können im Simulationsbetrieb
die Schalter durch Anklicken mit der linken Maustaste
betätigt und so die Werte der Eingangsvariablen A, B
und C dauerhaft vorgegeben werden. Die eingestellten
Werte der Ein- und Ausgangsvariablen werden von
Meldeleuchten angezeigt.
Im Simulationsbetrieb werden in den Netzwerken die
Variablen mit dem Wert 0 schwarz und die Variablen
mit dem Wert 1 blau dargestellt.
Zum Erproben werden die Eingangsbelegungen
entsprechend der Schalttabelle vorgegeben und die
Werte der sich ergebenden Ausgangsvariablen mit den
in der Schalttabelle vorgegebenen Werte verglichen.
STRUKTURIERTE SCHALTUNG AM BEISPIEL
...EINES 4-BIT-VERGLEICHERS
Bei dem Erstellen von Anwenderprogrammen für SPS
sollten umfangreiche Steuerungen in sinnvolle Teilsteuerungen gegliedert werden. Diese Teilsteuerungen
können Programme, Funktionsblöcke oder ähnliches
sein. Sie können voneinander hierarchisch abhängig
aber auch unabhängig sein. Meist gibt es in der SPS
mindestens ein Anwenderprogramm das von dem
Systemprogramm der SPS gestartet wird. In diesen
Programmen können Bedingungen für den Aufruf der
weiteren Teilsteuerungen des Anwenderprogramms
festgelegt werden.
Abbildung 3: SPS-Programm mit Visualisierungsobjekt
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ISSN 1612 - 9040
Für die Strukturierung von Steuerungen ist die Funktion
der einzelnen Steuerungsteile und der Signalaustausch
mit den anderen Steuerungsteilen zu beschreiben. Diese
Teilschaltungen lassen sich einfacher als eine komplexe
Steuerungsaufgabe darstellen. Die Teilschaltungen können verteilt gelöst werden. Erprobte Teilschaltungen aus
anderen Programmen können kopiert und verwendet
werden. Die Dokumentation der Steuerung wird übersichtlicher. Die Instandhaltung der Steuerung und der
gesteuerten Einrichtungen wird erleichtert.
Visualisierung für Program Komparator
mit virtuellen Schaltern zur Vorgabe der Variablenwerte im Onlinebetrieb
und Meldeleuchten und Anzeigen zur Darstellung der Werte der Variablen
Als Beispiel einer strukturierten Schaltung wird eine
Vergleicherschaltung für 2 binäre Zahlen mit 4 Ziffern
vorgestellt. Es ist eine Übungsaufgabe, da Vergleichsoperatoren in der SPS-Software nach IEC 1131-3
vorhanden sind.
Program Komparator
mit Instanz Stufe1 von Function_Block Vergleicher_4Bit
Das Ergebnis des Vergleichs zweier Binärzahlen hängt
von dem Ziffernpaar mit der höchsten Stellenwertigkeit
ab, bei dem die Werte der Ziffern unterschiedlich sind.
Ein Vergleich beginnt mit dem Ziffernpaar mit der
höchsten Stellenwertigkeit.
Der Vergleicher wird aus Vergleicherstufen aufgebaut.
In jeder Stufe wird ein Ziffernpaar abhängig von den
Vergleichsergebnissen der Ziffernpaare mit höheren
Stellenwerten verglichen. In jeder Vergleicherstufe für
die Variablen Ai und Bi müssen also die Vergleichsergebnisse der vorhergehenden Stufen die Variablen
A(i+1) > B(i+1); A(i+1) = B(i+1); A(i+1) < B(i+1)
berücksichtigt werden.
Function_Block Vergleicher_4Bit
mit 4 Instanzen von Function_Block Vergleich
Als Vergleicherstufe wurde die in Abb. 4 vorgestellte
Schaltung „Funktion_Block Vergleich“ aus [4] verwendet. Die Darstellung der Schaltung erfolgte mit dem
freigraphischen Funktionsplaneditor im Programm
CoDeSys, bei dem die Schaltung nicht in Netzwerke
gegliedert werden muss. Die Schaltelemente können frei
angeordnet werden.
In dieser Schaltung wird ein Bitpaar nur verglichen,
wenn die höherwertigen Bitpaare gleich sind. Sind
höherwertige Bitpaare ungleich, dann wird das Ergebnis
von der Schaltung übernommen und ausgegeben.
Function_Block Vergleich
Aus vier Instanzen des „Funktion_Block Vergleich“ ist
der „Funktion_Block Vergleicher_4Bit“ aufgebaut. Er
hat neben den Eingängen für die 4 Bitpaare Eingänge
für die Variablen groesser, gleich und kleiner. Über
diese Eingänge lassen sich modular Vergleicher für
mehr als 4 Bit aufbauen.
Abbildung 4:
Strukturierte Schaltung eines 4-Bit-Vergleichers
Im „Program Komparator“ befindet sich als einzige
Schaltung die Instanz Stufe1 des „Funktion_Block
Vergleicher_4Bit“. Für die Funktion der Schaltung sind
die Variablen groesser und kleiner mit dem Wert 0 und
die Variable gleich mit dem Wert 1 belegt. Zum Erproben können über die Drehschalter in der Visualisierung
für das „Program Komparator“ die Werte der einzelnen
Ziffern der digitalen Variablen A und B vorgegeben
werden.
ZEITLICHE REIHENFOLGE DES
ABARBEITENSVON TEILSTEUERUNGEN
Häufig ist die Reihenfolge in der die Teilsteuerungen
von strukturierten Anwenderprogrammen für SPS nacheinander abgearbeitet werden gleichgültig. Ändern sich
bei dem Abarbeiten eines Anwenderprogramms die
Ausgangsvariablen bei konstanten Eingangsvariablen in
- 70 -
ISSN 1612 - 9040
zusammen mit dem Wert der Variablen Zi verknüpft.
Der Wert der Variablen Uex der vorhergehenden Zählstufe würde bereits vor der Bearbeitung der folgenden
Zählstufe vorliegen, also vor der Verarbeitung des
Werts der Variablen Zi in der folgenden Zählstufe. Der
Zähler wäre nicht funktionsfähig.
mehr als einem SPS-Programmablaufzyklus, dann kann
es für die Funktion der Steuerung notwendig sein die
sequentielle Arbeitsweise von SPS zu berücksichtigen.
In dem in Abb. 5 dargestellten Beispiel ist dies der Fall.
Es soll ein Anwenderprogramm für den als Funktionsplan vorliegenden synchron arbeitenden 4Bit Vorwärtszähler aus [4] entwickelt werden. Auch hier handelt es
sich um eine Übungsaufgabe, da Zähler in der SPSSoftware nach IEC 1131-6 vorhanden sind.
Der Zähler hat die Eingangsvariablen Ue für den
Übertrag, Zi als Zählimpuls und Reset zum Rücksetzen
und die Ausgangsvariablen A3, A2, A1, A0 für den
Zählerstand und die Variable AUe für den Übertrag auf
einen weiteren Zähler.
Funktionsplan eines synchron arbeitenden 4Bit Vorwärtszählers
Ue
&
&
&
&
2T
C2
R1 1
Zi
2T
C2
R1 1
A3
A2
2T
C2
R1 1
A1
2T
C2
R1 1
Der Funktionsplan ist so aufgebaut, dass er in vier
gleiche Teilschaltungen, die vier Zählstufen, aufgeteilt
werden kann. Jede der Zählstufen besteht aus einem TFlipflop und einer UND-Verknüpfung.
In dem Steuerungsteil „Funktion_Block Zählstufe“ ist
eine Schaltung für die Zählstufe mit dem freigraphischen Funktionsplaneditor des Programms
CoDeSys dargestellt. In der Schaltung sind die meisten
Signalverzweigungen und die Rückkopplungen durch
Angabe der Variablen ersetzt. Analog zu dem Zähler hat
die Schaltung für die Zählstufe die Eingangsvariablen
Übertrag, Zählimpuls und Rücksetzen und die Ausgangsvariable Ax für den Zählwert und die Variable
Uex für den Übertrag auf die nächste Zählstufe.
Hat die Variable Rücksetzen den Wert 1, dann haben
die Variable Ax und Uex den Wert 0. Hat die Variable
Rücksetzen den Wert 0, dann können die Werte der
Ausgangsvariablen der T-Flipflops sich bei dem Wechsel der Zählimpulsvariablen Zi von dem Wert 0 zu dem
Wert1 nur ändern, wenn die Variable am T Eingang den
Wert 1 hat. Diese Variable ist von der Variablen Ue und
den Ausgangvariablen der vorangegangenen Zählstufen
abhängig.
AUe
A0
Reset
Zaehlstufe Z0
Zaehlstufe Z1
Program Vorwaertszaehler_4Bit
mit 4 Instanzen des
Funktion_Block Zaehlstufe
Zaehlstufe Z2
Zaehlstufe Z3
Visualisierung
mit virtuellen Schaltern zur Vorgabe
der Variablenwerte im Onlinebetrieb
und Meldeleuchten und Anzeigen zur
Darstellung der Werte der Variablen
Function_Block Zaehlstufe
Bei synchron arbeitenden Zählern wird der Zählimpuls
von allen Zählstufen gleichzeitig verarbeitet. Die in dem
Funktionsplan vorgestellte Schaltung ist nur aufgrund
der in den Schaltelementen auftretenden Verzögerungszeiten funktionsfähig. Ein Wechsel des Werts der Variablen Uex von 0 nach 1 muss später als der Wechsel des
Werts der Variablen Zi von 0 nach 1 erfolgen.
In einem SPS-Anwenderprogramm für eine Zählstufe
müssen also zunächst die Steuerungsanweisungen für
das T-Flipflop und danach die der UND-Verknüpfung
bearbeitet werden. Würde diese Reihenfolge umgekehrt,
dann wäre die Zählstufe nicht funktionsfähig.
Abbildung 5: Funktionsbedingte Reihenfolge des
Aufrufs von Teilsteuerungen eines 4-Bit-Zählers
In dem „Program Vorwaertszaehler_4Bit“ sind die
Zählstufen in der umgekehrten Reihenfolge angeordnet.
Es wird also zunächst die Zählstufe 3 und danach die
Zählstufe 2 usw. bearbeitet. Liegt zu Beginn eines SPSProgrammablaufzyklus ein Wechsel des Werts der
Variablen Zi von 0 nach 1 vor, dann werden die Werte
der Variablen Uex, die diese in dem vorhergehenden
Programmablaufzyklus hatten, verknüpft. Die Werte der
Bei einer Programmierung des Zählers in der im Funktionsplan vorgegebenen Reihenfolge von Zählstufe 0
nach Zählstufe 3 würden die Schaltung von Zählstufe 0,
danach die Schaltung von Zählstufe 1 usw. verarbeitet.
Die Werte der Ausgangsvariablen Uex der vorhergehenden Zählstufe würden von der folgenden Zählstufe
- 71 -
ISSN 1612 - 9040
die Variable Akt2 zur Steuerung des Aktors der Vorschubeinheit in vertikaler Richtung. Der Ejektor des
Sauggreifers wird nur mit Druckluft versorgt, wenn die
Variable Akt3 den Wert 1 hat.
Die Ausgabevariablen einer Steuerung für das Handhabungsgerät sind in der Visualisierung bei den Aktoren
angegeben. Auch die Werte der Variablen werden angezeigt. Bei dem Wert 0 ist das Schriftfeld weiss und bei
dem Wert 1 rot.
Variablen Uex können sich erst während der Bearbeitung der jeweiligen Zählstufe ändern. Durch die Reihenfolge der Bearbeitung der Zählstufen erfüllt der Zähler
die gewünschte Funktion.
SCHALTUNGEN MIT VIRTUELLEN
PRODUKTIONSEINRICHTUNGEN UND
BEOBACHTUNGS- UND BEDIENFELDERN
VISUALISIERUNGSOBJEKT:
HANDHABUNGSGERÄT MIT
SIGNAL/WEG-ZEIT-DIAGRAMM UND
BEDIEN- UND BEOBACHTUNGSFELD
Visualisierungsobjekt
Handhabungsgerät
Das in dem Visualisierungsobjekt in Abb. 6 dargestellte
Handhabungsgerät besteht aus zwei Vorschubeinheiten
und einem Sauggreifer. Im Ausgangszustand sind die
Kolbenstangen aller Pneumatikzylinder eingefahren und
der Sauggreifer ist ausgeschaltet.
Die Verfahrachsen der zwei Vorschubeinheiten sind
rechtwinklig zueinander angeordnet. Jede Vorschubeinheit wird von einem pneumatischen Aktor angetrieben. Das Handhabungsgerät kann vier unterschiedliche
Positionen genau anfahren.
Signal/Weg-Zeit-Diagramm
Wird der Taster „Neue Ronde“ mit der linken Maustaste
angeklickt, dann wird durch das Steuerungsprogramm
der Visualisierung eine Ronde in der Pos.1 bereitgestellt. Von dem Sauggreifer des Handhabungsgeräts
kann die Ronde aufgenommen, transportiert und abgegeben werden.
Über den Sauggreifer wird durch einen mit Druckluft
betriebenen Ejektor Luft aus der Umgebung angesaugt.
Ist der Sauggreifer eingeschaltet und wird die Saugfläche des Greifers von einer Ronde verschlossen, dann
bildet sich in dem Greifer ein Druck aus, der unter dem
Luftdruck der Umgebung liegt. Durch den Druckunterschied entsteht zwischen dem Greifer und der Ronde
eine Kraft. Der Greifer „saugt“ sich auf der Ronde fest.
Zeit
Bedien- und Beobachtungsfeld
Die Endlagen der Aktoren werden erfasst. Die Ausgangsvariablen der „Sensoren“ haben, wie bei realen
Anwendungen, den Wert 1 wenn sich der Kolben des
Pneumatikzylinders in der Nähe der Endlage befindet.
Der Druck im Sauggreifer wird überwacht. Die
Ausgangsvariable des „Druckschalters“ hat den Wert 1,
wenn der Druck „0,9 bar“ unterschreitet.
Die Werte der Ausgangssignale der Sensoren und des
Druckschalters wird in der Visualisierung des Handhabungsgeräts angezeigt. Bei dem Wert 0 sind Sensoren
weiss und der Sauggreifer ist rot. Bei dem Wert 1 sind
Sensoren und der Sauggreifer grün.
Abbildung 6:
Handhabungsgerät mit Bedien- und Beobachtungsfeld
und Signal/Weg-Zeit-Diagramm
Die Steuerung des Aktors der Vorschubeinheit in horizontaler Richtung erfolgt über die Variable Akt1. Hat
die Variable Akt1 den Wert 1, dann fährt die Kolbenstange des Pneumatikzylinders aus. Sie fährt ein, wenn
die Variable Akt1 den Wert 0 hat. Dies gilt analog für
In dem Visualisierungsobjekt ist ein Bedien- und
Beobachtungsfeld mit Schaltern, Tastern, Meldeleuchten und einem Zeigerinstrument enthalten. Die
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ISSN 1612 - 9040
Sauggreifer während eines Transportvorgangs beobachtet werden.
Schalter und Taster können durch Anklicken mit der
linken Maustaste betätigt werden.
Über das Bedien- und Beobachtungsfeld kann die
Steuerung und die Versorgung mit Druckluft des
Handhabungsgeräts ein- und ausgeschaltet werden, es
können die Automatikbetriebsarten Automatik, Einzelschritt und Einzelzyklus ausgewählt und gestartet
werden, es kann die Betriebsart Hand eingeschaltet und
jeder Aktor von Hand gesteuert werden.
Über Meldeleuchten lassen sich die Werte bestimmter
Variablen anzeigen. Mit einem Zeigerinstrument kann
der Druck im Sauggreifer beobachtet werden.
Abb. 7 zeigt einen Pneumatikplan und das Schema des
Signalaustausch des Handhabungsgeräts. Bis auf die
Variable Druckein sind bereits in der Visualisierung des
Handhabungsgeräts alle Variablen angegeben, die zur
Entwicklung einer Steuerung für das Handhabungsgerät verwendet werden können. Mit beiden Plänen sollen
Art und Zweck der in dem Visualisierungsobjekt festgelegten Variablen verdeutlicht werden.
Abb. 8 zeigt die mit dem freigraphischen Funktionsplaneditorprogramm erstellte Schaltung „Program
Zeitliche_Ablaufsteuerung“ zur Steuerung des Handhabungsgeräts. Es handelt sich um eine einfache, rein
zeitabhängig arbeitende Steuerung welche die Möglichkeiten des Visualisierungsobjekts nur zu einem kleinen
Teil nutzt. Ein Transportvorgang beginnt, wenn der
Taster „Start“ betätigt wird. Das Handhabungsgerät hebt
in der Pos. 1 bereitgestellte Ronden hoch, transportiert
sie in die Pos. 2 und legt sie dort ab. Die Ronden
werden hochgehoben transportiert.
Pneumatikplan des Handhabungsgeräts
SAkt1ein
Aktor 1
SAkt1aus
SAkt2ein
SAkt2aus
Sauggreifer
Aktor 2
U_Druck
Ejektor
Akt1
Akt2
Akt3
Program Zeitliche_Ablaufsteuerung
Druckein
Filter-Regler-Öler-Einheit
Schema des Signalaustauschs
Bedien-und Beobachtungsfeld
Vorgabesignale:
Statussignale:
T_St_ein, T_Dl_ein
T_Hand
H_Akt1_aus, H_Akt1_ein
T_Auto, T_Schritt, T_Zyklus
T_Start
Ml_St_ein
Ml_Dl_ein
Ml_Hand
Ml_Auto
Ml_Schritt
Ml_Zyklus
Ml_Start
Steuerung des Handhabungsgeräts
Ausgabesignale:
Ereignissignale:
Akt1, Akt2, Akt3
Druckein
S_Akt1_aus, S_Akt1_ein
S_Akt2_aus, S_Akt2_ein
U_Druck
Abbildung 8: Zeitabhängige Steuerung für das
Handhabungsgerät
Handhabungsgerät
Abbildung 7: Pneumatikplan und Schema des
Signalaustauschs
Für das Visualisierungsobjekt „Handhabungsgerät mit
Bedien- und Beobachtungsfeld und Signal/Weg-ZeitDiagramm“ können eine grosse Anzahl von Ablaufsteuerungen mit den unterschiedlichsten Umfängen entwickelt werden. Dabei können die über das Bedien- und
Beobachtungsfeld vorgebbaren Signale in beliebigem
Umfang genutzt werden.
Das Signal/Weg-Zeit-Diagramm wurde mit dem Visualisierungselement „Trend“ des Programms CoDeSys
erstellt. In dem Diagramm kann die zeitliche Folge der
Stellsignale für die Aktoren, die Verfahrwege der Vorschubeinheiten und die Entwicklung des Drucks im
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fahren aus wenn die Variablen den Wert 1 haben. Sie
fahren ein, wenn die Variablen den Wert 0 hat.
Die Variablennamen sind in der Visualisierung bei den
Vorschüben angegeben. Die Werte der Stellsignale
werden angezeigt. Bei dem Wert 0 ist das Schriftfeld
weiss und bei dem Wert 1 rot.
BOHRVORRICHTUNG MIT
BEDIEN- UND BEOBACHTUNGSFELD
Die Bohrvorrichtung in Abb. 9 besteht aus mehreren
Baugruppen. Es sind dies ein Schachtmagazin für zu
bohrende Werkstücke, der Zuteiler, der Ausschieber
und die Bohreinheit.
Der Zuteiler ist eine Vorschubeinheit die von einem
Pneumatikzylinder angetrieben wird. Der Zuteiler ist
ausgerüstet mit einer an das Werkstück angepassten
Aufnahme und einem Gleitblech. Dieses hält während
des Zuteilvorgangs die aus dem Schachtmagazin nachrutschenden Werkstücke zurück. Von dieser Einheit
werden die zu bohrenden Werkstücke aus dem Schachtmagazin für ungebohrte Werkstücke vereinzelt, in die
Bohrposition geschoben und in der Bohrposition
gespannt.
Die Bohreinheit besteht aus dem Bohrvorschub, auf
dem die Bohrspindel montiert ist. Der Bohrvorschub
wird von einem Pneumatikzylinder und die Bohrspindel
von einem Elektromotor angetrieben. In dem Futter auf
der Bohrspindel ist ein Bohrer eingespannt. Von der
Bohreinheit wird die Bohrung in dem Werkstück ausgeführt.
Der Ausschieber ist eine Vorschubeinheit die von einem
Pneumatikzylinder angetrieben wird. Von dieser Einheit
werden gebohrte Werkstücke aus der Bohrpostion
geschoben.
Die beim Bohren eines Werkstücks ausgeführte Folge
von Aktionen ist ein Bohrzyklus. Die Aktionen der
Vorschubeinheiten gliedern den Bohrzyklus in sechs
Schritte. Erst wenn die Aktion einer Vorschubeinheit
und damit der Schritt beendet ist, wird die nächste
Aktion gestartet.
Visualisierungsobjekt
Bohrvorrichtung
Bedien- und Beobachtungsfeld
Schritt Aktion
1
Mit dem Zuteiler ein Werkstück aus dem
Magazin vereinzeln, in die Bohrposition
schieben und in der Bohrposition spannen.
2
Mit dem Bohrvorschub die Bohrspindel
verfahren und dabei das Werkstück bohren.
3
Den Bohrvorschub mit der Bohrspindel in
die Ausgangsposition zurückfahren.
4
Das Werkstück entspannen und den Zuteiler
in die Ausgangsposition zurückfahren.
5
Mit dem Ausschieber das bearbeitete
Werkstück aus der Bohrposition schieben.
6
Den Ausschieber in die Ausgangsposition
zurückfahren.
Die Antriebe der vier Aktoren der Bohrvorrichtung
werden einzeln gesteuert:
Der Bohrmotor wird über die Variable Motorein
gesteuert. Hat diese den Wert 1 dann ist der Motor
eingeschaltet.
Das Aus- und Einfahren der Kolbenstangen der Pneumatikzylinder des Bohrvorschubs, des Zuteilers und des
Ausschiebers wird von den Variablen KVorausf,
KZutausf und KSchiausf gesteuert. Die Kolbenstangen
Abbildung 9: Virtuelle Bohrvorrichtung mit Aktoren
und Endschaltern und Bedien- und Beobachtungsfeld
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Die Endlagen der Vorschubeinheiten werden erfasst.
Die Ausgangsvariablen der „Endschalter“ haben, wie
bei realen Anwendungen üblich, den Wert 1 wenn sich
die Vorschubeinheit in der Nähe der Endlage befindet.
PERSONENAUFZUG MIT BEDIEN- UND BEOBACHTUNGSFELD FÜR VERSUCHSBETRIEB
Die Betätigung und der Wert des Ausgangssignals eines
Endschalters werden in der Visualisierung angezeigt.
Bei dem Wert 0 sind Sensoren weiss. Bei dem Wert 1
sind Sensoren rot.
Visualisierung
Bedien-und Beobachtungsfeld der Bohrvorrichtung
Vorgabesignale:
T_St_ein,
T_Dl_ein,
T_Hand,
H_Motorein, H_Motoraus
H_Vorein, H_Voraus
H_Zutein, H_Zutaus
H_Schiein, H_VSchiaus
T_Auto,
T_Schritt,
T_Zyklus,
T_Dauer,
T_Start,T_Stopp
Statussignale:
Ml_St_ein
Ml_Dl_ein
Ml_Hand
Ml_Auto
Ml_Schritt
Ml_Zyklus
Ml_Dauer
Ml_Start
Steuerung der Bohrvorrichtung
Ausgabesignale:
Motorein,
KVorausf ,
KZutausf,
Kschiausf
Ereignissignale:
SVorein, SVoraus,
SZutein, SZutaus,
SSchiein, SSchiaus
Bohrvorrichtung
Bedien- und Beobachtungsfeld für Versuche
Abbildung 10: Schema des Signalaustauschs für die
virtuelle Bohrvorrichtung
In dem Visualisierungsobjekt ist ein Bedien- und
Beobachtungsfeld mit Schaltern, Tastern, und Meldeleuchten enthalten. Die Schalter und Taster können
durch Anklicken mit der linken Maustaste betätigt
werden.
Über das Bedien- und Beobachtungsfeld kann die
Steuerung und die Versorgung mit Druckluft des Handhabungsgeräts ein- und ausgeschaltet werden, es können
die Automatikbetriebsarten Automatik, Einzelschritt,
Einzelzyklus und Dauerlauf ausgewählt und gestartet
oder gestoppt werden, es kann die Betriebsart Hand eingeschaltet und die Aktoren einzeln von Hand gesteuert
werden.
Über Meldeleuchten lassen sich die Werte bestimmter
Variablen anzeigen.
Abbildung 11: Personenaufzug mit Bedien- und
Beobachtungsfeld für Versuche
Das Visualisierungsobjekt umfasst Elemente mit denen
die Werte von Variablen vorgegeben, mit denen die
Werte von Variablen gesteuert werden können und von
denen ereignisabhängig Werte von Variablen für Steuerungszwecke generiert werden.
In Abb. 10 sind die bereits deklarierten Variablen und
ihre Beziehungen zueinander dargestellt. Das Schema
des Signalaustauschs soll den Entwurf von Anwenderprogrammen erleichtern.
Für das Handhabungsgerät sind mehrere einfache
Steuerungsvarianten in [4] beschrieben.
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aufzugs, Abb. 12 gibt einen Überblick über die in der
Visualisierung verwendeten und bereits deklarierten
Variablen.
In den Stockwerken befinden sich richtungsabhängige
Taster über welche die Aufzugkabine gerufen werden
kann. In der Aufzugkabine befinden sich Taster mit
denen Zielstockwerke vorgegeben werden können. Die
Bezeichnungen der Ausgangsvariablen aller Taster
beginnen mit „T“. Solange wie ein Taster mit der linken
Maustaste angeklickt wird hat seine Ausgangsvariable
den Wert 1.
In dem Bedien- und Beobachtungsfeld für Versuche in
Abb. 11 sind Taster und Meldeleuchten vorhanden mit
denen die Aufzugskabine verfahren und die Kabinenund Stockwerkstüren geöffnet und geschlossen werden
können. Die notwendige Signalverarbeitung erfolgt in
der Visualisierungssteuerung.
Bedien-und Beobachtungselemente des Aufzugs
Vorgabesignale:
T4ab, TE4
T3auf, T3ab, TE3
T2auf, T2ab, TE2
T1auf, TE1
Für die Steuerung des Personenaufzug können Lastenund Pflichtenhefte erstellt und die Realisierung der
aufgestellten Forderungen durch das Programmieren
und Erproben der Schaltungen überprüft werden. Dabei
sind Schaltungen mit grossen kombinatorischen
Anteilen zu entwickeln.
Statussignale:
Ml4ab, MlE4
Ml3auf, Ml3ab, MlE3
Ml2auf, Ml2ab, MlE2
Ml1auf, MlE1
Steuerung des Aufzugs
LITERATUR:
Ereignissignale:
E4auf,E4zu
E3auf,E3zu
E2auf,E2zu
E1auf,E1zu
Ausgabesignale:
Tuer4oeffnen
Tuer3oeffnen
Tuer2oeffnen
Tuer1oeffnen
FkTueroeffnen
[1] DIN EN 61 131-3: Speicherprogrammierbare
Steuerungen. Deutsche Übersetzung
der IEC 1131-3, Beuth Vlg., 1993.
[2] 3S – Smart Software Solutions GmbH: Handbuch
zur Programmentwicklung mit CoDeSys V2.3.3,
Version 3.0, ww.3s-software.com, 2004.
EFkauf, EFkzu
Höhe_750
Höhe_500
Höhe_250
Höhe_0
Fkauf, Fkab
[3] DIN 40 900 Teil 12: Graphische Symbole für
Schaltungsunterlagen. Binäre Elemente IEC 617-12
modifiziert, Beuth Vlg., 1992.
Aufzug
Abbildung 12: Schema des Signalaustausch des
Personenaufzugs
[4] Klemenz, D.: Digitale Steuerungstechnik für
Ingenieure der Produktionstechnik. Norderstedt:
Books on Demand, 2003.
Hat eine der Variablen Fkauf oder Fkab den Wert 1,
dann fährt die Aufzugkabine auf oder abwärts.
Das Öffnen und Schliessen der Kabinen- und Stockwerkstüren wird von den Variablen Tuerxoeffnen und
FkTueroeffnen gesteuert. Hat eine dieser Variablen den
Wert1 dann öffnet die zugeordnete Tür. Bei dem Wert 0
schliesst sie sich.
Die Bezeichnungen der Eingangsvariablen aller Meldeleuchten beginnen mit „Ml“. Eine Meldeleuchte ist im
Zustand „gelb“ wenn ihre Eingangsvariable den Wert 1
hat. Andernfalls befindet sie sich im Zustand „grau“.
Die Auf- und Abwärtsbewegung der Aufzugkabine und
das Öffnen und Schliessen der Kabinen- und Stockwerkstüren wird von der Visualisierungssteuerung
gesteuert. Diese gibt eine Reihe von Variablen vor mit
denen der Aufzug ereignisabhängig gesteuert werden
kann. Zum einen sind dies die Variablen „Hoehe_x“ für
jedes Stockwerk. Diese Variablen haben den Wert 1,
wenn die Aufzugkabine sich in diesem Stockwerk
befindet oder durch dieses Stockwerk fährt. Zum anderen sind es Variablen die melden, dass Türen geschlossen oder geöffnet sind. Die Bezeichnungen dieser Variablen beginnen mit „E“. Die Variablen haben den Wert
1, wenn die zugeordnete Tür geschlossen oder geöffnet
ist. Das Schema des Signalaustausch des Personen-
- 76 -
ISSN 1612 - 9040
SOME ASPECTS OF A SIMULATION OF A MANUFACTURING PLANNING
PROCESS IN VIRTUAL REALITY
K. Okulicz2, J. Wróbel1, P. Laudy 1, 2, A. Suchodolski 1, 2
1
Faculty of Automobiles and Heavy Machinery Engineering
Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland
2
Faculty of Automotive Systems and Production Engineering
University of Applied Science, Cologne, Germany
ABSTRACT
VRML (Virtual Reality Modelling Language)
VRML is a special tool, which allows to
describe objects and simulations on a three-dimensional
scene. There are possibilities of moving among defined
objects (they are displayed in real time), meeting with
other users of a given world (Multi-user World), define
freely amount of a interactive sensors that are able to
change the appearance of the VRML World depending
on a user’s wish. A VRML scene is a hierarchystructure of the shapes, transformations, cameras and
light.
This paper describes a manufacturing planning
process, which takes place in Virtual Reality. It outlines
how manufacturing simulation can improve the
CAD/CAM procedures and structures. Problems of VR
Simulation software are discussed and possible
solutions and necessary developments are presented.
INTRODUCTION
In recent years computer graphic plays
significant role in a manufacturing planning process.
Big companies put emphasis on researches in this way.
Usually in every branch of industry before anything will
be produced or even executed in the form of prototype
are carried out computer simulations. It involves a lot of
benefits where the most important thing is saving of the
cost. The other are: possibility of planning a product
logistics, estimation of manufacturing time and cost, a
safety area, possibility of carrying out a breakdown
simulation, workers’ training and so on. Mistakes,
which have not been detected in the conception, design
and simulation phase – generally in the first stage of a
creating any product – cause huge costs in
manufacturing phase. It is repeatedly bigger than in case
of detecting fault and other shortcomings in the first
stage manufacturing.
Fig. 1. VRML - structure of nodes
Every object's property is a part of this
structure and it is called node. Advantages of VRML
are independence on a computer platform and simplicity
in creating virtual world by exporting 3D models
previously made in CAD programs.
The description shown above can be treated
anything what is connected with an industry and not
only. An object can be a car, a part of car’s body, and
also a factory, its department, a manufacturing line or
even a single production process.
EXPORT
Fig. 2. Creating a Virtual World by exporting 3D
models. 7
In connection with this an essential element of
a production is simulation. A simulation, which allows
to optimize a manufacturing process. Currently there
exist not too many applications on the market, which
enable to execute planning processes that are integrated
with CAD/CAM. One of them which is shortly
described in this article is Virtual Reality Modelling
Language - VRML
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Virtual Worlds made in VRML can include hyperlink
connection with other VRML worlds and web site
(written down in HTML standard. There can be also
music, graphic and film files. VRML is distinguished by
three features, which other three-dimensional graphic
applications do not have. They could show its attractive
part.
• VRML is almost read-only visualization: Although
VRML includes some feature, nodes, which allows
adding interaction to 3D model, these features are
severely restricted. It does not support mechanisms
to report changes in the scene back to the server;
each time the scene is reloaded, it is displayed
again in its original starting state;
• Availability — that is a possibility of visiting
Virtual World via the Internet. That means that it is
available for very wide group of people. It is not
important the moment of connection and the place
where somebody could be at present;
REDUCTION OF VRML FILE SIZE
“The way of reducing file size cause worsening
image quality, which exists in Virtual World. This
method relays on reducing amount of polygons in a
graphic mesh model. To use it, there is need to build the
model with major attention on complexity of the scene.
That means that the designer often needs to work on
two different models, that makes project management
better.
Model created in one of CAD programs is
ready to graphic optimization”4.
• A possibility of moving in Virtual Environment —
all objects on 3D scene can be seen from every side
but not by displaying them in the next projections
only by changing point, where a user watches
individual objects;
• Interaction — basic elements, which give the
world interaction are sensors, but the deeper we go
into techniques of modelling Virtual Environment
the more writing scripts is essential. Especially
when we try to make complicated interactive
nodes.
On the market exist mainly commercial
programs, which are intended to reduce graphics in
VRML world. This chapter presents VisUp program,
which optimizes code by using different algorithms
where parameters are adjusted manually. Thanks to
experienced and efficient control setting there is
opportunity to get a reduction of polygons with small
influence on image quality. An example shown below
presents influence amount of reducing elements like:
very small edges, parallel edges, triangles and also
coplanar triangles.
Although first version of VRML was already
made in 1994, there have not managed to eliminate all
faults, which has VRML until now. Its main
disadvantages are
• VRML browsers: “Due to browsers are based
on different graphic libraries, colours, lighting,
maximum texture sizes and image qualities,
browsers vary one from another. Producers decide
to optimize theirs products as regards speed rather
than for quality of image” 4. Additionally every
browser has a different user interface what can
cause a large confusion among VRML users. The
biggest minus of VRML is not defined standard of
supporting specific scripting languages. Therefore
different browsers support different scripting
languages like: Java, JavaScript or VRMLScript. It
causes that the application written for one exact
browser will be not compatible with freely chosen
browser.
• VRML is too slow: It is caused by a few factors:
Downloading of large files, converting the ASCII
data to the internal representation, actual rendering
(which lacks optimization to deal with large
models efficiently) etc.;
Fig. 3. Model without optimization
• VRML size of files is too big: There is no binary
file format. Most of VRML browsers accept files,
which are compressed with gzip, but it is only a
compromise. With geometrical compression and
binary code both the size of files and the time of
compression will be considerably smaller;
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Environment”5. Most of big companies aim at creating a
flexible application, which allows to create various
combinations of simulations simply and fast. It gives a
possibility of maximum optimizing a manufacturing
process. Application in which designer could make as
many things as it would be possible to bring nearer real
manufacturing process. A goal of that simulation is
possibility of fast liquidation of mistakes, improvement
of production quality, reduction of the time of
production and what is more reduction of the cost of
production.
.
Possibility of moving in Virtual Environment
and availability in WWW gives significant benefits in
case of workers’ cooperation, making easier workers’
training both in range of safety and also production
process. Three-dimensional simulation is conductive to
absorb information, which is passed by application.
That is why it helps with using that kind of simulation
in marketing industry.
Fig. 4. Model with 30%
reduction of VRML file size
“When we join VRML with other languages
we could have large chances to improve and introduce
interaction into created world. Usually there are Java
and JavaScript” 1. Probably it is caused by their
worldwide popularity, simplicity and big abilities.
Scripts written in JavaScript can be used in WWW
pages and can be joined to every HTML documents.
Basic VRML interactive structure is shown in
below chart.
Sensor
Script
e.g.: JavaScrip,
VRMLScript
Fig. 5. Model with 80%
reduction of VRML file size
Timer
Researches executed on many models reveals
that 30% reduction of VRML file size do not influence
significantly on quality of graphic mesh. However over
75% of the model reduction makes these changes
drastic and model is not good enough to use in 3D
scene.
Interpolator
INTERACTIVE SIMULATION
interact
Geometry
“Interactive simulation means that user can
on behaviours of objects in Virtual
Fig. 6 . VRML interactive structure
- 79 -
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Main emphasis was put on optimizing assembly and
manufacturing process.
A user makes an interaction with VRML scene,
affecting Sensor node. Then Sensor node generate
event, which is processed through script and after that it
is sent to TimeSensor node. TimeSensor starts
generating time events Output of Interpolator node is
routed to Geometry or other node. This is a very simple
schema of interaction I VRML world.
GOAL OF RESEARCH
Requirements of object
“When we go deeper into techniques of
Virtual Environment modelling, writing scripts is more
essential, especially when we try to make complicated
interactive nodes” 1.
CREATION CAD MODEL
Tool: CAD
GRAPHICAL USER INTERFACE
Main goal of GUI is to create visual interface
between a user and virtual world. This allows user
changing parameters of simulation, for example:
adding, deleting, moving objects, affecting their
properties. Interface presented in one of our examples
was made by using scripting languages like HTML,
PHP and MySQL database.
EXPORT OF CAD MODEL INTO VRML
ENVIRONMENT
PHP is a way to create dynamic web pages,
which has easy access to server databases while still
maintaining an object- oriented design structure. It is an
Open Source product, which works on server side.
No
MySQL is one of the databases, which
cooperates with PHP well. Very important thing for
database is that it is available via Internet. That means,
that database is very fast and is allowed to get the access
many users. MySQL has all this advantages and
moreover it is an Open Source product, what means that
cooperates with other computer platforms.
Are tasks achieved?
Yes
PRESENTATION RESULTS & THEIR
APPLICATION
SIMULATION
EXAMPLES
OF
A
MANUFACTURING PLANNING PROCESS IN
VIRTUAL REALITY.
Fig. 7. Flow chart of simulation
Main models and their elements were set by
using CAD tools (CADKEY). Then they were exported
to VRML environment, where were put to other
operations, which were essential to build a simulation.
In this part of article two examples will be
presented. The objects of researches are: a power take
off transmission used in a Mazda car and front bonnet
used in VW Polo. A goal of students was carrying out
simulations of assembly and manufacturing in Virtual
Reality (VRML Environment). Researches were
executed in laboratory by students from University of
Applied Science Cologne and Warsaw University of
Technology. These were made in accordance with
block-chart shown below. The first stage of work was to
define an object of research, goals and tasks.
POWER TAKE OFF TRANSMISSION
“Assembly process is realized on assembly
line, which is operated by three workers and it takes 8
assembly stages. Two of them are fully operated by
robots. The whole assembly process consists of 28
operations” 8.
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ISSN 1612 - 9040
Assembly simulation in Virtual Environment
presents possibilities of using this in technique so-called
case manufacturing planning process. In the first phase
of designing, this visualization gives possibilities to
research, estimate and optimize producing planning
process. It shortens significantly the time between
project and manufacturing final product and also
greatly affects manufacturing costs.
BONNET
In this example the emphasis was put much
more on creating an interface, which could manage the
whole producing process. An object to manufacture was
a bonnet. Two parts of the bonnet, which were made in
CAD program, are shown in the pictures at the bottom.
Fig. 11. Bonnet – top part.
Fig. 8, 9. Model PTO
General view of assembly process, hall and
workers is presented in the picture at the bottom.
Fig. 12. Bonnet – bottom part.
Fig. 10. Assembly process.
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Architecture of this application and essential
tools, which were used to build it are presented in the
picture below.
Fig. 13.
Interface
Manufacturing process – Graphical User
CONCLUSIONS
VRML as a tool to computer simulation of
producing planning process shows same aspects of this
language. VRML is well defined and gives lots of
possibilities. This language, by cooperating with other
languages, allows creating various interactive
simulations and developing them. Thanks to VRML’s
cooperation with web environment, gives benefits not
only engineering community but also
student's
environment as the means of education.
Fig. 12. Architecture of web-based application.
”On the side of internet-server, it is possible to
single out three essential elements:
• Managing application (PHP application which
interacts with internet server i.e. Apache Server);
• Relational database (MySQL data management
system);
• Central repository of file.
The application of Virtual Reality technology
in manufacturing is still not yet a fully evolved
capability and needs a several improvements. Most of
current problems with interactive simulations are
connected with two factors:
On the side of the client-computer, they are:
• User interface (HTML documents, interpreted by a
web browser);
• Virtual environment (VRML file placed in HTMLframe, interpreted by VRML plug-in installed in
the web browser).
First of them is: the power of common
computer. They are not jet powerful enough to execute
sophisticated simulation smoothly in real time. This
problem in the near future should be solved because
computer industry develops incredibly fast.
Tasks application like server-client type, which
aids producing planning process, is:
• Cooperation with user interface;
• Exchanging and processing information with the
database;
• Creating virtual environments in VRML files and
VRML applications;
• Managing the repository of files” 2,7.
The second problem is connected with
browsers (plug-in). “VRML as ISO standard exists
about a couple of years and this affects quality of
currently available VRML browsers” 3. There is big
need to support most of scripting languages, which
develop interaction in Virtual World.
The possibility of steering and affecting properties
of main objects of simulation in quiet fast time offers
much more benefits than clear simulation. They are first
of all: creating various variants of manufacturing
process, improving and optimizing producing process
without need to go deep into application's code, change
or even create program from the beginning.
BIBLIOGRAPHY
1. K. Dąbrowski "Third dimension of web - VRML97".
2. Klaus-Peter Beier "Web-Based Virtual in Designing
and Manufacturing Applications", COMPIT'2000,
Potsdam, Germany 2000.
3. International Standard: ISO/IEC 14772-1:1997,
"Information Technology - Computer graphics and
image processing - The Virtual Reality Modelling
Language (VRML) - Part 1: Functional specification
and UTF-8 coding".
- 82 -
ISSN 1612 - 9040
4. Kian-Huat Tan, Tze-Leong Yew and Kurt Gramoll
"Understanding Machine Operations and
Manufacturing using VRML" 1999 Charlotte, NC.
5. Institute for Computer Graphics of Graz “3D
interaction in remote networks”.
6. K. Okulicz "A VR-based Approach to Manufacturing
Process Planning". 17TH International Conference on
Production Research, 2002, Blacksburg, VA, USA.
7. K. Okulicz, J. Wróbel, R. Pieczka, D. Kleine
"Planning a production process in Virtual
Environment". International Conference on Computer
Integrated Manufacturing, Wisla (Poland) 2003.
8. K. Okulicz, J. Wróbel, P. Sycz "Advanced computer
animation: a tool for manufacturing planning process".
International Conference on Computer Integrated
Manufacturing, Wisla (Poland) 2003.
9. Koch R.-J., Okulicz K., J,
Konzept eines
Programmsystems zur Planung und Optimierung von
Produktions- und Montageprozessen,
(pol., engl.
Zusammenfassung) . Przeglad Mechaniczny Nr.7/2000
pp 5-7.
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ISSN 1612 - 9040
HIGH PERFORMANCE SIX SIGMA
M. Schmieder
Institut für Produktion
Fachhochschule Köln / University of Applied Sciences Cologne
50679 Köln, Betzdorfer Str. 2
[email protected]
1
Grundlagen von Six Sigma
1.1
Was ist Six Sigma?
Six Sigma ist ein formalisiertes und systematisches
Managementkonzept, das verschiedene erprobte
Komponenten aus dem Qualitätsmanagement, dem
Projektmanagement und aus anderen Bereichen sinnvoll
verknüpft. Ähnlich wie bei KVP und Kaizen wird bei
Six Sigma die Verbesserung kontinuierlich und
schrittweise in kleineren Projekten vorangetrieben. In
einem eingefahrenen Six Sigma Programm werden
durchgehend neue Projekte gestartet, die laufenden
regelmäßig reviewed und die Ergebnisse der beendeten
Projekte auf Nachhaltigkeit überwacht. Als besondere
Merkmale von Six Sigma Projekten sind ein festes
Ablaufmodell, eine konkrete monetäre Zielvorgabe und
speziell ausgebildete Projektleiter zu nennen.
DMAIC&DFSS
standardisierte
Projekt-
Vorgehensmodelle
management
statistische
Werkzeuge
personelle
Infrastruktur
SIX SIGMA
Promotion durch das
TOP-Management
Training
Abbildung 1 Six Sigma Gesamtkonzept
Die Promotion durch das Top-Management ist
fortwährend ein kritischer Erfolgsfaktor. Bei der
Einführung der Initiative müssen die notwendigen
Ressourcen für Training und Projekte bewilligt werden.
Die Geschäftsleitung muss neben der Gesamtsteuerung,
eine Schlüsselrolle als Initiator und Sponsor von
Projekten einnehmen und stets als Verfechter von Six
Sigma auftreten, um die Akzeptanz innerhalb der
Belegschaft zu sichern.1
Die Umsetzung von Six Sigma benötigt eine eigene
Personalstruktur innerhalb der Organisation. Angestellte
aus dem oberen Management fördern, steuern und
überwachen die ganze Initiative (Champions).
Qualifizierte
Mitarbeiter
aus
dem
mittleren
Management erhalten eine solide Ausbildung und
werden vollständig oder teilweise für Six Sigma
Aufgaben freigestellt (Black Belts, Green Belts).
Zur Lösung komplexer Probleme müssen in den
Projekten neben gängigen Problemlösungsmethoden
auch anspruchsvolle Statistikwerkzeuge herangezogen
werden. Die Anwendung der einzelnen Methoden und
Werkzeuge im Projektablauf erfolgt nicht isoliert,
Der Ursprung von Six Sigma liegt in der in der
Elektroindustrie. In den späten achtziger Jahren
entwickelten und publizierten Mitarbeiter der Fa.
Motorola, unter anderem Dr. Mikel J. Harry das Six
Sigma Konzept. Der vorwiegende Gedanke der NullFehler-Qualität veranlasste die Pioniere dazu, diese
Zielstellung im Namen festzuhalten: Six Sigma bzw. ein
Sigma-Niveau von 6 steht für 3,4 Fehler pro Million
Möglichkeiten (z.B. Einzelteile oder Prozessschritte).
Der Ansatz zur Erfüllung dieses Maßstabs lautet die
Optimierung der Prozesse im gesamten Unternehmen.
1.2
Erfolgsfaktoren von Six Sigma
Bei der Einführung und Umsetzung von Six Sigma gibt
es einen Schlüssel zum Erfolg: die sorgfältige
Integration der einzelnen Aspekte des Gesamtkonzepts,
das im Folgenden dargestellt ist.
1
- 84 -
Magnusson, Kroslid, Bergman 2001, S.36
ISSN 1612 - 9040
der Statistik des Bundeskraftfahramtes von 55 auf 137
mehr als verdoppelt, wobei allein in 2004 von 97 auf
137 um ca. 40 % erhöht.
Nach einer Schätzung von A.T. Kearny summieren sich
die Gewährleistungskosten in den USA auf mehr als 10
Mrd. Euro jährlich, in Europa sind es Milliardenbeträge
mit steigender Tendenz.
Dies sind nur die direkt messbaren Kosten, ganz zu
schweigen vom Imageverlust der Hersteller. In einer
aktuellen Studie wurde ermittelt, dass der Marktwert der
betroffenen Hersteller in den ersten zehn Handelstagen
um durchschnittlich 2,1 % gesunken ist. Bei den 43
untersuchten Fällen handelt es sich hierbei in absoluten
Zahlen um fast 500 Mio. Euro.
sondern ist stets aufeinander und auf das Projektziel
ausgerichtet.
Die Trainings für Black Belts werden in der Regel über
einen Zeitraum von 4-6 Monaten abgehalten. Auf eine
Schulungswoche folgen jeweils drei Wochen
Projektarbeit und das 4 bis 6mal. Die Trainingsinhalte
können somit direkt praktisch unter der externen
Anleitung erprobt werden. Daneben spielt das erste
Projekt die Kosten für die Ausbildung wieder ein.
Trainingsinhalte sind neben den statistischen
Werkzeugen, analytische Methoden, Projektarbeit,
Personaleinsatz und Rahmenkonzept.
Six Sigma steht für hervorragendes Projektmanagement
und intensive Projektarbeit innerhalb der einzelnen
Projekte. Dabei werden ein Ablaufmodell und der dazu
gehörige Werkzeugkasten vorgegeben. Eine strenge
Ausrichtung der einzelnen Projekte auf die
Gesamtstrategie erfolgt durch die Geschäftsleitung.
Die Verbesserung bestehender Prozesse erfolgt nach
dem Vorgehensmodell DMAIC (Define, Measure,
Analyze,
Improve
und
Control).
Wenn
Prozesse/Produkte neu aufgesetzt bzw. entwickelt
werden müssen, verwendet man DFSS. Das Akronym
DFSS steht für den Leitsatz „Design for Six Sigma“.
Als Ablaufmethode für DFSS-Projekte ist DMADV
(Design, Measure, Analyze, Design und Validate)
gängig.
Zukünftig liegen die großen Potenziale im Bereich
DFSS, da die meisten Kosten und Fehler bereits in den
Designphasen festgelegt werden.
1.4
Kosten-Nutzen-Relation von Six Sigma
Die Protagonisten von Six Sigma, wie GE, Honeywell,
u. a. sprechen von jährlichen
Einsparungen in
Milliardenhöhe. Fehlerreduzierungen um das 10 bis 20fache, Kapazitätserweiterungen von 12 % bis 16 %
führen zu signifikanten Kosteneinsparungen und damit
verbunden Gewinnsteigerungen.
Die wichtigsten Kosten fehlender Qualität werden im
Buchführungssystem nicht erfasst. Die Einsparungen
werden - ähnlich wie im Jahresabschluss - auf
Jahreswerte umgerechnet. Lediglich im Anfangsjahr
liegen die Kosten für die Einführung noch über dem
Return on Investment. Unmittelbar danach steigt der
ROI von Six Sigma Projekten stetig - auf bis zu 600 %
nach 5 Jahren.
1.3
Kosten schlechter Qualität
Die direkte Verbindung zwischen schwacher
Prozessleistung, schlechter Qualität und den daraus
folgenden enormen Zusatzkosten ist evident. Diese
Kosten werden „Cost of Poor Quality“ (Kosten
schlechter Qualität) genannt. Während die meisten
Unternehmen auf einem Sigma-Niveau zwischen 3 und
4 operieren, haben die Unternehmen auf den
Spitzenplätzen ein Sigma-Niveau von 6 (also Six
Sigma) auf ihren Fahnen stehen.
Welche enorme Auswirkung das Sigma-Niveau auf das
Ergebnis eines Unternehmens hat, zeigt die folgende
Abbildung:
Sigma- FpMM=
Niveau DPMO
fehlerfrei [%]
2
308537
69
---
Durchschnitt
zwischen 3 und 4
3
66807
93,3
ca. 25 – 40
4
6210
99,38
ca. 15 – 25
5
233
99,977
ca. 5 – 15
6
3,4
99,99966
ca. < 1
1
2
3
4
5
3:1
1:3
1:4
1:5
1:6
Ergebnisverbesserung
Kosten für
Six SigmaProjekte
Kosten-Nutzen
Relation
Abbildung 3 Kosten-Nutzen-Relation von Six Sigma
über 5 Jahre2
Cost of Poor Quality
[in % des Umsatzes]
nicht
wettbewerbsfähig
Weltklasse
laufendes Jahr
Abbildung 2 Auswirkungen der Kosten schlechter
Qualität
Die Diskussion um die Kosten schlechter Qualität ist
durch die Entwicklung der Rückrufaktionen in das
Blickfeld der Öffentlichkeit und der Unternehmen
gerückt: von 1998 bis 2004 hat sich die Anzahl der
Rückrufe (für PKW, LKW, Krafträder und Busse) nach
Grundlage dieses ROI ist eine Projektauswahl nach
überwiegend wirtschaftlichen Gesichtspunkten:
• Potenzial der Projekte im Hinblick auf
Kostenreduzierung und Umsatzsteigerung
• Beziehung der einzelnen Projekte zu den
Schlüsselkennzahlen
des
Unternehmens
(technische,
finanzielle
und
Innovationskennzahlen)
2
Sendelbach, J. und Oppold, B., Prozessoptimierung mit Six Sigma,
ZfK (2002), S.1095-1099
- 85 -
ISSN 1612 - 9040
•
-
Auswirkung auf den EBIT (Earnings Before
Interest and Taxes = Ergebnis vor Zinsen und
Steuern)
-
Um das Interesse an Six Sigma auf Dauer aufrecht zu
erhalten, ist der ständige Nachweis über die einzelnen
Erfolge und im Gesamten eine lohnende KostenNutzen-Relation unerlässlich. Die Investitionen werden
nur gerechtfertigt, wenn sie zu entsprechenden
Ergebnissen führen.
fehlendes
Commitment
durch
die
Projektverantwortlichen (Fehlauswahl des
Champions oder Wechsel der Process Owners)
Wegfall des Problems durch Outsourcing
Prioritätenwechsel oder Prozessänderung durch
den Kunden.
Besonders die Pilotprojekte zu Anfang der Initiative
sind sehr wichtig, da sie den wichtigen „ersten
Eindruck“ liefern und über den Fortgang der Einführung
und die Akzeptanz des Konzepts entscheiden. Aus
diesem Grunde sollten bei den ersten Projekten
einfachere Themen mit eindeutig sichtbarem monetärem
Ergebnis ausgewählt werden.
1.5
Auswahl der Projekte
Wie bereits erwähnt, ergeben die Resultate eines Six
Sigma Programms sich aus den Ergebnissen der
einzelnen Projekte. Aufgrund dessen ist eine sorgfältige
Projektauswahl entscheidend.
1.6
Verbreitung und Anwenderbranchen
In den USA ist Six Sigma durch die Anwendung in
nahezu eintausendfünfhundert Unternehmen bereits fest
etabliert. Ungefähr ein Viertel der 200 größten
amerikanischen Konzerne setzt auf dieses Konzept, vor
allem, wenn es darum geht, Fehler und Kosten zu
senken, Durchlaufzeiten zu verkürzen und die
Kundenzufriedenheit zu erhöhen. Mittelbar mit diesen
Punkten gehen eine signifikante Steigerung der
Produktivität und des Umsatzes einher. Als
Paradebeispiele sind die Erfolge bei GE, Motorola und
Honeywell aufzuführen.
Mittlerweile konzentrieren sich auch deutsche
Unternehmen auf Six Sigma. Nahezu zweihundert
Unternehmen in Deutschland gehören inzwischen zu
der erfolgreichen Anwendergruppe - Tendenz weiter
steigend. Der Autor hat in 2004 eine Befragung der
deutschen Six Sigma Anwender durchgeführt, deren
Ergebnissen unter anderem diese steigende Tendenz
belegen.
Folgende Erfolgsregeln/-faktoren für die Projekte
können genannt werden:
Projektlaufzeit: 3 bis 6 Monate
Projektvolumen: bei
großen
Unternehmen
im
Durchschnitt 250.000 €,
bei
mittelständischen
Unternehmen im Durchschnitt 100.000 €
Projektrahmen: thematisch
und
organisatorisch
abgrenzbar
Aus einer Befragung des Autors geht folgende Rangliste
für die Auswahlkriterien von Six Sigma Projekten
hervor3:
Jährliche Kosteneinsparung
68 %
Prozessfehlerhäufigkeit
66 %
Kundenzufriedenheit
44 %
Wiederholender Ablauf
34 %
Begrenzter Umfang
28 %
(Die Frage lautete „Nach welchen Kriterien wählen Sie
Six Sigma Projekte aus?“)
Wie bereits erwähnt werden die Ergebnisse anhand
kleiner Projekte erzielt. Six Sigma Projekte können in
nahezu sämtlichen Funktionsbereichen durchgeführt
werden. Überall dort, wo Prozesse existieren - von der
Entwicklung, über die Produktion bis hin zur
Verwaltung. Dabei wurde in den letzten Jahren der
Schwerpunkt auf die Produktion gelegt. Nach und nach
werden auch die enormen Potenziale in den anderen
Bereichen angegangen. Zu den Anwenderbranchen
gehören
inzwischen
neben
der
klassischen
Fertigungsindustrie (vorwiegend Automobil- und
Elektroindustrie), ebenso die Finanzbranche (Banken
und
Versicherungen),
das
Gesundheitswesen
(Krankenhäuser), die Chemie-/Pharmaindustrie und die
Dienstleistungsbranche generell.
Aus derselben Befragung geht auch hervor, dass bei der
Vorauswahl der Projekte die üblichen Steuerungs- und
Verbesserungsinstrumente eine wichtige Rolle spielen:
SWOT-Analyse
31 %
Leanmanagement
28 %
Balanced Scorecard
25 %
Benchmarking
22 %
Kundenworkshops
6%
(Die Frage lautete „Welche Analyseinstrumente
verwenden Sie zur Auswahl von Six Sigma Projekten?)
Damit erfolgt eine Verzahnung der strategischen
Instrumente mit den operativen Maßnahmen.
1.7
Six Sigma und andere faktenbasierte
Konzepte
Bei dem Planungs- und Steuerungswerkzeug Balanced
Scorecard werden die strategischen Zielsetzungen in
Aufgaben für das operative Management übersetzt.
Synergien zwischen den 4 Perspektiven der BSC und
Six Sigma sind evident: Über die BSC werden
Maßnahmen über konkrete Kennzahlen abgeleitet und
Die Gründe für fehlgeschlagene Projekte bestätigen die
Erfolgsregeln. Als Gründe für Fehlschläge wurden in
der Befragung vor allem Folgende genannt:
- ungenügende Projektdefinition (-abgrenzung)
3
Schmieder, Matthias: Vergleich von Six Sigma bei FinancialServices-Unternehmen und Produktionsunternehmen, in: Six Sigma in
der Finanzbranche, hrsg. von W. Achenbach u.a., Frankfurt 2005, S.
93 – 112, hier: S. 109
- 86 -
ISSN 1612 - 9040
HPO sind einheitlich. Nach Devane ist5 „an HPO ... a
structure composed principally of high-performance
teams (HPTs) whose members work interdependently to
address specific performance Challenges”. Im
Gegensatz zu HPTs haben Teams in HPOs nicht ständig
die gleichen Mitglieder. HPOs erreichen kurzfristig
dramatische
Verbesserungen,
da
sie
eine
Unternehmenskultur mit hoher Anerkennung von
Performance und hoher Verantwortlichkeit kreieren.
Produktivitätssteigerungen
oder
Durchlaufzeitverkürzungen von über 30 % sind keine
Seltenheit.6
eine konkretere Planung und präzisere Steuerung der
dazu notwendigen Ressourcen ermöglicht. Six Sigma
konzentriert sich in erster Linie auf die Bereiche, die
eine Verbesserung der finanziellen Ergebnisse bedeuten
und besetzt mit den vielen einzelnen Projekten den
direkt aktiven Part.
Benchmarking ermöglicht es, durch den Vergleich mit
dem Wettbewerb eine Stärke-Schwäche-Bilanz für ein
Unternehmen aufzustellen. Die Leistung anderer soll
Denkanstöße geben, um eigene Potenziale zu
identifizieren. Dadurch ist der erste Schritt in Richtung
Verbesserung getan. Als Nächstes benötigt man jetzt
eine Methode mit der man diese einzelnen Schwächen
bzw. Potenziale konkret angehen kann. Das ist der
Punkt an dem die Six Sigma Projekte zum Einsatz
kommen.4 Benchmarking kann zum einen übergeordnet
bei der strategischen Ausrichtung des gesamten
Projektprogramms genutzt werden, und zum anderen als
Werkzeug innerhalb der einzelnen Projekte, um den
„Status quo“ zu ermitteln und alternative Lösungen zu
untersuchen.
Als „Vorzüge“ von Six Sigma gegenüber den bereits
existierenden Ansätzen sind Folgende besonders
hervorzuheben:
- die stärkere Ausrichtung auf monetäre
Kennzahlen und konkret nachweisbare
finanzielle Ergebnisse, welche die ständige
Unterstützung durch das Management sichern
und
- das stringente Projektmanagement, welches
eine konkrete Anleitung und die (statistischen)
Werkzeuge zur Behandlung komplexer
Sachverhalte zur Verfügung stellt.
Diese beiden Aspekte werden Six Sigma auch in
Zukunft einen Stammplatz im Management sehr vieler
Unternehmen sichern.
Abbildung 4: Ergebnisse der High-PerformanceOrganisationen
2.2
Komponenten der HPO
2.2.1
Kriterien für produktive Arbeit7
Untersuchungen von Mitarbeitern in unterschiedlichen
Arbeitssituationen zeigen, dass diese sehr produktiv
sind, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind8:
1. Lokale Autonomie in den Entscheidungen
2. Kontinuierlicher Lernprozess der Beteiligten.
Dieser setzt die Fähigkeit, Ziele zu setzen und
ein genaues und zeitnahes Feedback voraus.
3. Variationsmöglichkeit im Inhalt Rhythmus und
Geschwindigkeit der Arbeit
2
Grundlagen High Performance Organisation
2.1
Was ist High Performance Organisation
HPO zielen darauf ab, die Unternehmenskultur und
Organisationsstruktur so zu verändern, dass die
Mitarbeiter mehr unternehmerische Verantwortung
wahrnehmen.
Der Ursprung der HPO liegt in den High Performance
Teams, die gegenseitige Verantwortung fühlen und
gegenseitigen Druck ausüben die Ziele zu erreichen.
Alle Teammitglieder haben die Möglichkeit bei der
Zielfestlegung mitzuwirken. Sie beteiligen sich an den
ständigen Verbesserungsaktivitäten und entwickeln ihre
eigenen persönlichen Fähigkeiten. HPO sind sowohl in
Produktionsunternehmen,
wie
auch
in
Dienstleistungsunternehmen verbreitet. Es gibt keine
allgemein akzeptierte Definition, nur die Prinzipien der
5
Devane,Tom, Integration lean six sigma and highperformance organizations: Leading the charge towards
dramatic, rapid, and sustainable improvement, San
Francisco 2004, p. 22
6
vgl. Katzenbach, J., and Smith, D.: The Wisdom of
Teams – Creating the High-Performance Organization,
Boston 1998, p. 172, 172 vgl. auch Fisher, K., Leading
selfdirected Workteams,A Guide to Developing New
Team Leadership Skills, New York u.a. 2000, p. 31 f.
4
7
Vgl. Six Sigma; Harry, Schroeder; Campus Verlag,
2001
8
- 87 -
vgl. Devane, Tom (2004), p. 21 f.
ISSN 1612 - 9040
4.
5.
6.
•
gegenseitige Unterstützung und Respekt
Bedeutung der Arbeit; dies setzt voraus etwas
zu tun mit sozialem Wert und das ganze
Produkt oder die Dienstleistung zu sehen
eine wünschenswerte Zukunft
•
Traditionelle
Organisationsformen
mit
vielen
Hierarchieebenen, funktionellen Strukturen und
autoritärem
Managementstil
drücken
die
Arbeitsproduktivität und erhöhen die Frustration der
Mitarbeiter.
•
•
2.2.2
Gemeinsame Verantwortung9
In HPO ist die gemeinsame Verantwortung eines Teams
ein zentraler Baustein des Konzepts. Das gesamte
Team,
nicht
einzelne
Mitglieder
sind
die
Leistungseinheit. Es plant die Ziele gemeinsam und ist
auch gemeinsam für die Erreichung der Ziele
verantwortlich. Dies hilft, das gesamte Team in eine
High-Performance Einheit zu verwandeln. Dies wird
durch finanzielle Anreize für das gesamte Team noch
verstärkt. Dabei fungieren die Teammitglieder als
Coach und motivieren, disziplinieren sich gegenseitig
die gemeinsam gesetzten Ziele zu erreichen. Diese
Mechanismen bewirken gleichzeitig die extrinsische
Motivation durch das Anreizsystem bei Erreichung der
Ziele einen Bonus zu erhalten sowie die intrinsische
Motivation, um die selbst gesetzten Ziele zu erreichen.
Dazu erhalten sie die Möglichkeit, die örtlichen
Arbeitsbedingungen zu verbessern. Gemeinsame
Verantwortung schließt nicht die individuelle
Verantwortung der einzelnen Teammitglieder aus, denn
sie sind natürlich verantwortlich für den Bereich, der bei
der Planung ihnen zugeordnet wurde und dem sie
zugestimmt haben. Dabei wirkt die intrinsische
Motivation
des
einzelnen
Teammitglieds.
Teamverantwortung schafft zusätzlich die extrinsische
Motivation durch die Teammitglieder und führt deshalb
zu einem hohen Commitment.
Die Autonomie der Teams erhöht dramatisch die
intrinsische Motivation der Mitglieder, da sie selbst
planen und die Ziele mitbestimmen.
2.2.4
Strukturelle
Unterschiede
zwischen
traditioneller Organisation und HPO11
Zwischen der traditionellen Organisation und der HPO
bestehen
gravierende
Unterschiede,
welche
sicherstellen, dass die Verantwortung auf das Team
delegiert wird, wie
• Leistungseinheit ist nicht ein Mitarbeiter,
sondern das Team, das mit dem Manager die
Ziele aushandelt.
• Es gibt nur wenige Managementebenen, ein
Manager kann bis zu 12 Teams mit jeweils 12
Teammitgliedern führen, also 144 Mitarbeiter
als Kontrollspanne haben.
• Die Kontrolle erfolgt durch die Ebene, die die
Arbeit ausführt, nicht durch die übergeordnete
Ebene.
• Die Ziele werden vom Team selbst festgelegt,
nicht von der übergeordneten Ebene.
• Für die Qualität der Ergebnisse ist das Team
selbst und nicht der Vorgesetzte oder die
Qualitätsabteilung verantwortlich.
• Das Team ist verantwortlich für die
Gruppenaufgaben, die Gruppe entscheidet
gemeinsam, wer für welche Teilaufgabe
verantwortlich ist.
• Finanzielle Anreize werden dem Team für die
Erreichung der Teamziele gewährt, die mit der
Strategie abgestimmt sind.
• Mitglieder
von
HPO-Teams
sind
zusammengesetzt
aus
verschieden
Fachgebieten,
vor
allem
bei
Entwicklungsteams
ist
es
notwendig
Mitglieder aus der Entwicklung, Beschaffung,
Produktion, dem Service und Marketing
zusammenzubringen.
2.2.3
Ausgleich zwischen Selbstbestimmung und
Kontrolle10
Bei HPOs sind sowohl die technische als auch die
Managementverantwortung auf die unteren Ebenen der
Organisation
delegiert.
Die
einfacheren
Managementaufgaben, wie Ziele festlegen, planen und
Kontrolle der Arbeitsqualität werden in der Regel
bereits sehr früh delegiert. Komplexe Aufgaben, wie
Budgetierung, Rekrutierung von Mitarbeitern und
disziplinarische Verantwortung für die Mitarbeiter
setzen entsprechendes Training voraus.
Hier hat sich vor allem das Managementprinzip
„Management by Exception“ bewährt; es wird nur im
Ausnahmefall eingegriffen, wenn die Ziele stark
verfehlt werden. Wichtig ist, dass
9
das Topmanagement die Rahmenbedingungen
fixiert innerhalb derer sich das Team bewegen
muss.
Vereinbarung der Ziele des Teams, um die
Übereinstimmung
mit
der
Strategie
sicherzustellen, vor allem die gemeinsame
Festlegung der Key-Performance Kennzahlen
ist bedeutsam (Balanced Scorecards).
Monitoring durch das Team selbst durch
gegenseitige
Peer-Reviews
und
Korrekturmaßnahmen
Regelmäßige
Managementreviews
der
Teamkennzahlen
vgl. Devane, Tom (2004), p. 27
10
11
- 88 -
ISSN 1612 - 9040
2.2.5
Veränderungsprozess zu High Performance
Teams12
Der Veränderungsprozess sollte Bottom-up erfolgen,
beginnend
mit dem untersten Level. Nach der
Teambildung auf dem untersten Level, folgt das
Mittelmanagement mit der Bildung von Teams. Durch
den Bottom-up Ansatz werden sehr viele zeitintensive
Tätigkeiten vom Mittelmanagement auf das Team
verlagert. Das Mittelmanagement erhält dadurch
Freiraum
für
Aufgaben,
die
bisher
vom
Topmanagement
wahrgenommen
wurden.
Das
Topmanagement erhält mehr Zeit für strategische
Aufgaben.
Durch die Kombination von Six Sigma und HPO
werden die Vorteile beider Methoden erreicht. Daneben
sind durch die Kombination weitere zusätzliche Vorteile
möglich, denn
• Veränderungen werden schneller angegangen
als bei Six Sigma alleine, da HPO selbst den
kulturellen Wechsel vorantreibt
• HP-Teams setzen sich ihre Ziele selbst und
haben deshalb Einstellungen, die ständige
Verbesserungen vorantreiben
• Umgekehrt erhalten HP-Teams mit Six Sigma
Werkzeuge, die ihnen helfen sich erfolgreich
zu verbessern.
2.2.6
Breite Qualifikation13
Es vorteilhaft, wenn die Teammitglieder mehrere
Fähigkeiten haben. Dies erhöht die Flexibilität im
Team; einzelne Teammitglieder können die Aufgaben
von anderen übernehmen, wenn deren Arbeitsvolumen
zu groß ist. Teilt man die Fähigkeiten in
• Technische Fähigkeiten
• Managementfähigkeiten (Planung,
Budgetierung etc.)
• Soziale Fähigkeiten (Verhandeln,
Konfliktmanagement etc.)
• Analytische Fähigkeiten (Problemlösung,
Analyse etc.)
ein, so ist es sicher nicht möglich spezielle technische
Fähigkeiten von allen Teammitgliedern zu erwarten,
während es bei den anderen drei Fähigkeiten möglich
ist.
Vor allem die intrinsische Motivation der HPOMitglieder und das hohe Commitment wirken sich
entscheidend auf den Erfolg von Six Sigma-Projekten
aus.
Die personelle Ausstattung für HPOs und Six Sigma hat
deutliche Überschneidungen. Beide Konzepte benötigen
eine starke Unterstützung durch das Top-Management.
Beide haben so genannte Change-Agents. Bei Six
Sigma nennt man sie Black Belts bei HPOs, Initial
Recruiting Team. Die Teams sind bei beiden Konzepten
sehr bedeutsam, während bei Six Sigma speziell Green
Belts ausgebildet werden, arbeiten bei HPO WorkTeams16.
2.2.7
Schneller Wechsel der Teamzusammensetzung bei Wechsel der Bedingungen14
HPO-Teams müssen schnell an die externen
Bedingungen angepasst werden können15. Wird eine
neue Marktnische bedient, müssen das Vertriebsteam
und
das
Produktionsteam
eventuell
neu
zusammengesetzt werden. Das Team setzt sich selbst
neu zusammen und verabschiedet sich von bestimmten
Mitgliedern bzw. ergänzt sich um andere Mitglieder.
Die Teams werden bei ihrer Einsetzung entsprechend
instruiert und ermächtigt die Zusammensetzung zu
ändern und sich schnell anzupassen. Dies ist allerdings
nur mit zwei Einschränkungen möglich: die Teams, aus
denen Mitglieder aufgenommen werden, müssen dies
vorher genehmigen und die neue Struktur muss mit der
Unternehmensstrategie harmonieren. Die Möglichkeit
der schnellen Anpassung der Teams bringt einen
enormen Wettbewerbsvorteil.
3
12
Abbildung 5 Schlüsselpersonen der Six Sigma/HPOTransformation
4
Integration von Six Sigma und HPO
Literaturhinweise
- Devane, Tom: Integration lean six sigma and
high-performance organizations: Leading the
charge towards dramatic, rapid, and sustainable
improvement. San Francisco, 2004
13
vgl. Devane, Tom (2004), p. 34 f
15
vgl. Holman, P. and Devane, T., The change
handbook: Group methods for shaping the future, San
Francisco, 1999, p. 91
14
16
- 89 -
vgl. Devane, Tom (2004), p. 57.
ISSN 1612 - 9040
-
-
-
-
-
-
-
Fisher, K., Leading selfdirected Workteams,A
Guide to Developing New Team Leadership
Skills, New York u.a. 2000
Harry, Mikel; Schröder, Richard: SIX SIGMA:
Prozesse optimieren, Null-Fehler-Qualität
schaffen, Rendite radikal steigern. 1.Auflage,
Frankfurt u.a., 2000
Holman, P.; Devane, T.: The change
handbook: Group methods for shaping the
future. San Francisco, 1999
Katzenbach, J.; Smith, D.: The Wisdom of
Teams – Creating the High-Performance
Organization. Boston, 1998
Magnusson; Kroslid; Bergman: Six Sigma
umsetzen. 1.Auflage, München-Wien, 2001
Pande, Peter; u.a.: The Six Sigma Way: How
GE, Motorola and other Top companies are
honing their Performance. 1.Auflage, New
York u.a., 2000
Pande, Peter; u.a.: Six Sigma erfolgreich
einsetzen:
Marktanteile
gewinnen,
Produktivität steigern, Kosten reduzieren.
Landsberg/Lech, 2001
Pyzdek, Thomas: The Six Sigma Handbook: A
Complete Guide to Six Sigma. 1.Auflage, New
York u.a., 2001
Rath & Strong´s SIX SIGMA Pocket Guide:
34 Werkzeuge zur Prozessverbesserung. Köln,
2002
Reichfeld F.F.; Sasser W.E.: Zero-defections:
quality comes to services. In: Harvard Business
Review, Sep./Okt. 1990, S.105-111
Schmieder, Matthias: Vorsichtige Annäherung,
Studie: Anwendung von Six Sigma in
Deutschland. In: QZ 8/2003, S.698-700
Schmieder,
Matthias:
Six
Sigma
in
mittelständischen Unternehmen. Bericht in:
QM-infocenter.de, Six Sigma Spezial: S.1-7
Schmieder, Matthias: Studie: Six Sigma
Anwender in Deutschland, unveröffentlichte
Studie, 2005
Schmieder, Matthias: Bessere Prozesse. In:
Automobil-Produktion, April 2003, S. 28-29
Schmieder, Matthias: Six Sigma - Neues
Managementkonzept mit neuen Aufgaben für
Controller? In: Controller Magazin, 29. Jg.,
6/04, S. 558-563
Schmieder, Matthias: KVP und Six Sigma in
mittelständischen
Unternehmen.
Im
Tagungsband zur Veranstaltung „Business
Excellence im Mittelstand“, veranstaltet von
der Fachhochschule Köln und IHK Köln am
04.11.2004
Schmieder, Matthias: Vergleich von Six Sigma
bei Financial- Services-Unternehmen und
Produktionsunternehmen. In: Six Sigma in der
Finanzbranche, Hrsg. W. Achenbach u.a.,
Frankfurt, 2005, S. 93 - 112
-
- 90 -
Sendelbach,
J.;
Oppold,
B.:
Prozessoptimierung mit Six Sigma. In: ZfK
(2002), S.1095-1099
Snee, Ronald D.: Dealing with the Achilles
heel of Six Sigma Initiatives. In: Quality
Progress 34 (2001) März, S.66-72
Töpfer, Armin: Six Sigma: Projektmanagement
für
Null-Fehler-Qualität
in
der
Automobilindustrie. In: ZfAW 2/2004, S.13-24
Töpfer, Armin: Six Sigma Konzeption und
Erfolgsbeispiele. 3.Auflage, Berlin, u.a., 2004
ISSN 1612 - 9040
VISUAL AIDS FOR MECHANICS TEACHING
W. Kurnik1, K. Okulicz2, J. P. Orłowski1,2
1) Faculty of Automobiles and Heavy Machinery Engineering,
Warsaw University of Technology, Poland
2) Faculty of Automotive Systems and Production Engineering,
University of Applied Sciences Cologne, Germany
very simplified descriptions of reality, and that we can
use a wide variety of models to solve the same problem.
CONTENTS
Description of a visual aid created for teaching the
first course mechanical engineering students. It’s
purpose is helping to understand that learning technical
mechanics is useful and essential to understand and
perform mechanical design and research.
The main idea of this aid is based on showing one
real machine’s element that is loaded in many varied
ways, depending on the situation in it’s work cycle. The
element should be shown with other parts of system. In
order to create a clear explanation of the mathematical
model’s application, the aid consist of animations
showing the working element and its deformation
caused by changing loads. In the same time students see
this element’s model that is animated, too. So they can
watch a model that describes something real, and assure
what is the meaning of different drawing symbols like
constraints: bearing, rigid connection, and so on.
WHAT IS THE REASON OF CREATING SUCH A
PRESENTATION?
A lot of students have a very weak motivation to
learn the basic issues needed to perform mechanical
engineering: mechanics, vibrations theory, and so on.
The main problem is, that they often do not realize that
the mathematical equations and symbols are used to
solve the real problems. The theory we learn, is often
seen as something required only for passing the exams
and finishing the study successful. Such a point of view
that is representative for many students, is a reason of
creating a special teaching aid, that will show the
connection between the basic mechanical sciences and
the applied technology.
EXCAVATOR’S ARM AS AN EXAMPLE OF
DIFFERENTLY LOADED PART
An excavator’s arm is a part that works being
loaded in a very complex and varied way. It is possible
to show many different kinds of loads using an example
of this part.
Therefore presentation contain animations showing
excavator in following situations:
a) Bucket cuts out a piece of soil or rock – arm is
bent (fig. 2.),
Fig. 1. Excavator’s arm
The other question worth to upon is the explanation
what model is and introduction the students to model
identify. The aid is addressed to the first course
students, that may not realize in fact that models are
Fig. 2. Bending
- 91 -
ISSN 1612 - 9040
b) Excavator lifts winning and carries it over –
arm is stretched, and becomes bent (fig. 3.),
showing the forces and torques, that change as it fits to
the animation of excavator. The Excavator is shown in
normal colours and shapes, but the arm deformation is
exaggerated in order to focus the students’ attention on
kind of deform. Moreover, displaying the arm coloured
in an animated stress map creates a more expressive and
easy to understand image of shown physical
phenomenon.
MODELS – EXPLAINING WHAT THEY ARE
AND HOW WE USE THEM
Presentation of arm’s load and calculating stress in
critical sections is a very good moment to explain the
purpose of models. The beginner students may often
think that they are a few certain equations describing
appropriate physical phenomenon, and we should just
use them when we want to calculate something like
load, stress, velocity, etc. It is worth to show an
example of different degrees of simplification the same
part’s model in order to explain the main differences
between different models. Students should realize that
understanding the physical principles is essential for
ability of building models that will be useful for
effective solving certain problems. Pointing out the use
of motivate students to learn.
Fig. 3.Bending and stretching
c) Excavator shakes off the soil – oscillating force
occurs at the end of arm (fig. 4.),
The presentation shows what is simplified in such
kinds of models like bars, rods and rigid bodies. It
explains what do the equations look like, what kinds of
findings are possible to achieve, and problems and
miscounts that may occur.
Fig. 4. Oscillating force at excavator
The students can also see two different rod models
of the same arm – in order to explain a possibility of
creating widely varied models – no of them are better or
worse, but that may give different miscounts in different
calculations.
d) Bucket cuts out next piece of soil using less
than half of its wideness – arm is twisted (fig.5.).
Example: cutting out a winning, as it is shown in
picture b: we may model the arm as a rod with two
fixed points, or as a rod with clamped end. Moreover,
we may take the squeezing force into account, or
calculate the stress coming from bending only.
Fig. 5. Twisting
While the excavator is digging, a simplified model
of arm is being shown beside as a rod. There are graphs
Fig. 6. Two different models of the same arm
- 92 -
ISSN 1612 - 9040
When the excavator drives, cabin turns, and only
one joint rotates (e.g. boom-arm joint) the bucket moves
with complex motion acceleration ac, which is a vector
sum of excavator’s driving acceleration abody, cross
product of angular acceleration
and radius
,
centripetal acceleration, Coriolis acceleration and the
relative acceleration. (Any of them can be equal 0)
We can count the stress in rod from figure 6.
according to following equations:
σy
Fr
I
⋅y⋅x −
Fa
σs
S
Fr
I
⋅y⋅x +
Fa
S
Fr – the transversal force
Fa – the axial force
σy – the yield stress
DESCRIPTION OF USED 3D STUDIO MAX
ANIMATION METHODS
σs – the squeeze stress
I – the second moment of area for the cross section
about the axis giving the lowest value
This animated help is prepared to display during
the introduction lecture. The most realistic looking films
are rendered and saved as .avi files. But there is a
possibility of control the animation – it requires opening
the .max model in 3D Studio.
S – the cross section area
y – the distance from the neutral axis to the extreme
fiber
x – distance from the force attaching point
The working excavator mechanism parts are
defined as rigid bodies. The degrees of freedom are
defined by constraints – the most of them are
coincidences of appropriate pivot points. It is easy to
manipulate them using a “Rotate” or “Move” tool.
But in the fall of marginal axial force influence on
the result, we can simplify our model removing the
second elements.
Moreover: for proper stress calculation we need to
consider I as a function of x, because the cross section
dimensions are not equal along whole arm length. But
for some displacement counts we can use mean value as
constant.
It is worth to say students at the very beginning of
their mechanics education, that we should know what
we want to calculate exactly, in order to decide how to
build a proper model. The very simple example may be
helpful in explaining, especially if the students will see
connection of this example with reality and their future
work.
Many beginner students think that they do not need
to know any ways of manual force and stress estimation
because they will do it with computers’ help. An
example of the same arm’s different models shows that
a human need to know something about these
computation, because he defines a task to do.
EXCAVATOR
MOTION
–
EXAMPLE
OF
COMPLEX
Not only material strength issues can be explained
by help of excavator’s virtual model. Many students
have problems to imagine the complex motion: the
relations between different reference standards and
coordinate systems.
We can give an example of following equation:
ac
abody + ε × ρ + ω × ( ω × ρ ) + 2ω × v body + ar
Fig. 7. Moving the excavator’s arm
- 93 -
ISSN 1612 - 9040
tools, to help students understand this way of findings
presentation.
Manipulating the excavator’s arm is shown in the
figure 7. – the other part’s positions adapt automatically
to the current arm position. It is possible to use any of
the parts as control input, because of motion constraints
definition. So we can watch arm’s move moving a
piston as well.
This model’s purpose is not computing any
physical values, but only phenomenon visualization as a
help for students’ –
to understand essence of
mechanics. It can be used for teaching 3D Studio
modelling, animation and rendering as well.
In the teaching film displayed excavator elements
are not only rigid bodies: some of them deform
excessively to show discussed phenomenon. These
deformations are results of applying 3DSMax
parametric modifiers, such as “Bend” or “Twist”. It is
possible to create animations showing new cases of
loads easily, just changing the values of appropriate
parameters, like angle of torsion and axis location.
SUMMARY
There are a lot of physical phenomena that are not
shown in described presentation, but it will be worth to
create visual aids helping students to understand for
example: radial vibrations damping of sleeve bearing,
influence of tyres deformation on vehicle’s motion,
sliding and friction between rails and train wheel sets.
The animated plots showing loads and stress in
some parts are specially prepared for the certain falls.
For their generation other software were used. Finally
the animated graphics from 3d Studio was mounted
with plots together, to show what they present and what
is their purpose.
Showing students that they need a basic mechanical
knowledge to perform industrial engineering or
scientific research, is more effective way to reach good
teaching results than showing only the need of passing
exams. Students will achieve more when they will do a
work that interests them. This aid is to show mechanical
engineering as an interesting concern.
In the presentation students see examples of
experiments findings plots, like shown on figure 8. By
this plot animated deformed working elements are
displayed.
1400
1200
BIBLIOGRAPHY
1000
800
600
1) Kelly L. Murdock “3ds max 4 modelling techniques
– Bible”
400
200
2) www.3dnuts.com
0
0
1
2
3
4
5
6
3) www.tutorialized.com
7
Fig. 8. How changed a value of transversal force at the
bucket teeth while scraping a stripe of asphalt layer.
4) www.liebherr.com
5) www.cat.com
FUTURE MODEL DEVELOPEMENT
e-mails:
[email protected]
The excavator modelled in 3D Studio can be used
to create more tutorials, lecture aids, and other teaching
materials. It is possible to use it as a group of objects
(parts and constraints) in programming interactive
Virtual Reality scenes, real-time modifiable directly by
user. Their creation requires using advanced
programming tools.
[email protected]
The programmes based on this model can also
calculate actual velocities and accelerations of certain
working elements points: in order to explain the
relations between geometry an kinematics.
It is possible to visualize the colour display of
stress and displacement used in Finite Elements Method
- 94 -
ISSN 1612 - 9040
PC GESTÜTZTE BELEUCHTUNGSVISUALISIERUNG
DER KÖLNER RHEINMESSEHALLEN
F. Müller1,3 und 4, W. Gornik1,3 und 4, W. Żagan2,5
1
Institut für Angewandte Optik und Elektronik
2
Institut der Energietechnik
3
Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik
4
Fachhochschule Köln und 5Technische Universität Warschau
because the illumination of these historical halls and the
tower is now unsatisfying.
ZUSAMMENFASSUNG:
Im Beitrag werden die Ergebnisse der Master-Thesis
„PC gestützte Beleuchtungsvisualisierung der Kölner
Rheinmessehallen“ vorgestellt. Dazu wurden verschiedene Illuminationsdesigns entwickelt, um eine bessere
Akzentuierung in den Abend- und Nachtstunden des
Erscheinungsbilds der Kölner Rheinmessehallen und
des Messe- oder auch Pressa-Turms, anno 1928 zu
erzielen, da die gegenwärtige Gebäudeillumination als
unbefriedigend bezeichnet werden darf.
During the work on the Master-Thesis there had to be
solved several serious and complex problems e.g.:
For developing the 3D-CAD model, which was build
with AutoDesk VIZ 4.0®, there had to be specially first
to identify geometrical object dimensions of the building. The 3D-CAD model was so complex, that rendering by AutoDesk VIZ 4.0® was only possible by using
the “4GT-RAM operating system tuning” at Windows
XP® and using the more memory economical “advanced
ray trace shadow” technology, for the reason that the
model exceed without tuning methods the operating
systems and application limits. Although the advanced
ray trace shadow technology requires more CPU time
for rendering than the standard “ray trace shadow” technology by AutoDesk VIZ 4.0® which is firstly recommended by AutoDesk for photo realistic rendered pictures. For rendering the several illuminations designs of
the 3D-CAD model there had to be first to define
• the surface parameters for the 3D-CAD model
mainly based on literature values, for instance one
very important value the reflection-index,
• the planed rated illuminance values
• and the places of the spotlights.
The article presents a selection of the results as photo
realistic pictures.
Als Voraussetzung für die zu bearbeitende Aufgabenstellung mußten die Objektmaße eigens ermittelt werden. Es folgte die Konstruktion, Entwicklung und Modellierung eines 3D-CAD Modells, das mit dem Tool
AutoDesk VIZ 4.0® auf einem PC-System entworfen
wurde. Beim „Rendern“ der maßstäblichen Konstruktion des 3D-CAD Modells stieß man dabei an die Leistungsgrenzen des Betriebssystems Windows XP® und
der Applikation AutoDesk VIZ 4.0®. Die fotorealistische Bildberechnung war nur durch aufwendige Tuningmaßnahmen am Betriebssystem Stichwort „4GT RAM
Tuning“ und dem Einsatz der speicherökonomischeren
„Advanced Ray Trace Shadow“ Technologie, die allerdings wieder mehr CPU-Leistung erfordert, möglich.
Nach Feststellung der Oberflächenparameter aus Erfahrungswerten für die Materialreflexionseigenschaften
und Festlegung des anzustrebenden Leuchtdichteniveaus wurden nach Aufnahme der Montageorte für die
Lampeninstallation in die CAD-Konstruktion die
Leuchtdichteverteilung und schließlich das Illuminationsdesign der Rheinmessehallen in verschiedenen
Varianten modelliert. Eine Auswahl der erreichten Ergebnisse wird in Form von fotorealistischen Illustrationen präsentiert.
EINLEITUNG
Im Rahmen der Master-Thesis „PC gestützte Beleuchtungsvisualisierung der Kölner Rheinmessehallen“ wurden verschiedene Illuminationsdesigns entwickelt, um
eine bessere Akzentuierung in den Abend- und Nachtstunden des Erscheinungsbilds der Kölner Rheinmessehallen und des Messe- oder auch Pressa-Turms, anno
1928 zu erzielen, da die gegenwärtige Gebäudeillumination als unbefriedigend bezeichnet werden darf.
SUMMARY:
The article presents the results of the Master-Thesis „PC
aided illumination visualisation of colognes exhibition
halls at the Rhine river”. For this there had to be to
develop several illumination designs for a proper accentuation of the appearance in the evening and night hours
of the colognes exhibition halls at the Rhine river and
the belonging Messe- or Pressa-Tower, build in 1928,
Bei der Bearbeitung dieser Master-Thesis mußte als
Voraussetzung für die verschiedenen, präsentierten
Illuminationsdesigns zunächst für die Konstruktion,
Entwicklung und Modellierung des 3D-CAD Modells,
das mit dem Werkzeug AutoDesk VIZ 4.0® auf einem
- 95 -
ISSN 1612 - 9040
Köner Rheinmessehallen – Konrad-Adenaueruferperspektive – Abb. 1
PC-System entworfen wurde, die Objektmaße ermittelt
werden. Dieser Teil war einer der Kernprobleme neben
den zu lösenden Softwareproblemen im Umgang mit
der Software AutoDesk VIZ 4.0®, da trotz intensiven
Bemühungen beim Vertragsarchitekten der Kölner
Messe AG leider keine Konstruktionsskizzen, Lagepläne usw. zur Verfügung gestellt wurden. Daher wurde
das Objekt soweit dies möglich war, durch den Verfasser selbst vermessen. Bei Objektteilen, die dem Verfasser nicht mehr ohne weiteres zugänglich waren, dienten
zur Auswertung selbst angefertigte digitale Photographien. Aus den Objektverhältnissen wurden dann die
geometrischen Ausmaße ermittelt.
Während der Ausführung der Master-Thesis waren
einige Recherchen über die Bedeutung, die Chronik und
die künftige Entwicklung der Kölner Messe Rheinhallen
notwendig. Hierbei stellte sich heraus, daß der heute
sichtbare Ziegelsteinbau eigentlich nur ein Ummantelungsbau darstellt.
Rheinhallensegment mit Bemaßung - Abb. 2
- 96 -
ISSN 1612 - 9040
nannte „Omnilights“ implementiert.
Kölner Messehallen anno 1926 – Abb. 3
Weiterhin mußten für ein photorealistisches Visualisierungsergebnis bei der Erstellung des 3D-CAD Simulationsmodells die entsprechenden realitätsnahen Reflexionsfaktoren und das derzeitige Leuchtdichteniveau in
der Software AutoDesk VIZ 4.0® eingegeben werden.
Die eingesetzten Reflexionsfaktoren wurden, soweit
dies möglich war, meßtechnisch ermittelt, zum anderen
wurden Literaturwerte für die Objektteile verwendet,
die nicht ohne weiteres zugänglich sind. Hierbei kamen
aufgrund des allgemeinen Fassadenzustands regelmäßig
die unteren Reflexionswerte in AutoDesk VIZ 4.0® zur
Anwendung (vgl. Tabelle 1 unten).
Materialien (Auszug)
Ziegelstein Messeziegel,
Beton, dunkel (Arkadengangdecke)
Für die diversen hier vorgestellten Illuminationsentwürfe wurde zunächst das derzeitige Beleuchtungsniveau analysiert und aus den derzeitig erkennbaren Defiziten diverse alternative Illuminationsdesigns zur Optimierung entwickelt (vgl. hierzu Abb. 4 rechts oben).
(11,35 ± 3,7) meßtechnisch
am Objekt ermittelt
15-25
(Literaturwert vgl.
BEGA 2, DIALux,
Hentschel)
15-25
(Literaturwert vgl.
BEGA 2, DIALux,
Hentschel)
Dunkelgrau, (Fensterrahmen)
10-20
(Literaturwert vgl.
BEGA 2)
Drahtglas (-6 mm), Kennedyufer, Arkadengang
Erkennbar
ist
hier
die
falsch angebrachte
Fassadenflutlichtbelechtung, die statt das Gebäude, die
Baumkronen anstrahlt. Weiterhin widerspricht die
Fassadenillumination der natürlichen Seherfahrung, bei
der weiter entfernte Objekte spektral blau verschoben
erscheinen müssen. Bei dieser Beleuchtung wurde
hingegen der untere Teil, der Arkadengang neutralweiß
und die Fassade warmgelb mit Natriumdampflampen
illuminiert. Ferner sind die Laternen nicht ins
Lichtdesign mit einbezogen worden.
Reflexionsgrad in %
Granit, (Granitplatte des
Fensterbands)
Klarglas Stärke (1-4) mm
Südfassade der Rheinhallen links vom Haupteingang - Abb. 4
6-8
(Literaturwert vgl.
Hentschel
15-27
(Literaturwert vgl.
Hentschel)
Die geforderten Leuchtdichten gemäß dem vorgestellten
Illuminationskonzept am Objekt (vgl. Abb. 5 nächste
Seite) sind grundsätzlich nur mit Gasentladungslampen
aufgrund der höheren Lichtausbeute ή gegenüber Temperaturstrahlern (Xenon-Lampe max. ~ 25 lm/W) erzielbar.
Die Analyse der derzeitigen Beleuchtungssituation am
Messeturm zeigt, daß das erkennbare rote hell/dunkel
Ziegelsteinmuster mit einer neutralweißen Beleuchtung
besser für den Betrachter betont und sichtbar wird (vgl.
Abb. 6 nächste Seite), als bei der gegenwärtigen Illumination mit gelblichen Licht von Natriumdampflampen wie an der Südseite der Rheinhallen beim Haupteingang (vgl. Abb. 4 oben). Das Lichtkonzept sieht daher
eine möglichst farbtreue Wiedergabe (Farbwiedergabestufe 2B, Farbwiedegabeindex Ra 60-69) des roten Fassadenziegels vor, der hierbei nur mittels Halogen-Metalldampflampen (ca. 80 lm/W) aufgrund der farbtreuen
Wiedergabe und der hohen Lichtausbeute erzielt werden
kann. Da alle Scheinwerfer außen montiert und betrieben werden, müssen alle eingesetzten Scheinwerfer
gemäß der Norm EN-DIN VDE 0100 der Schutzklasse I
oder II und der Schutzart IP 64 Ausführung entsprechen.
Tabelle 1
Das derzeitige Leuchtdichteniveau wurde mittels zwei
Leuchtdichtemeßgeräten, der Firmen Konica-Minolta®,
dem LS-100 und dem Leuchtdichtemeßgerät der Firma
LMT® Lichtmeßtechnik Berlin LMT L 1009 ermittelt,
hierbei wurde eine durchschnittliche Abweichung der
Meßergebnisse zueinander von 25 % festgestellt. Zur
Simulation dieser Grundleuchtdichte, die hauptsächlich
durch das Streulicht der Straßenbeleuchtung bedingt ist,
wurden im ausreichenden Abstand zum Objekt
(~ 300 m) vier diffus strahlende Lichtquellen soge-
- 97 -
ISSN 1612 - 9040
Grundsätzlicher Entwurf mit Definition der künftigen Leuchtdichteabstufungen, zur Akzentuierung der unterschiedlichen
Gebäudeteile der Kölner Rheinmessehallen. - Abb. 5
Bei der Durchführung der Aufgabenstellung mußte sich
mit Problemen im Zusammenhang mit dem Werkzeug
AutoDesk VIZ 4.0® beschäftigt werden, da aufgrund der
Größe und der Komplexität des Messekomplex bestehend aus den Rheinhallenfassadenfronten Südseite
(Messeplatz) und Westseite (Kennedy-Ufer) und dem
Messeturm mittlerweile das 3D-Modell so groß wurde,
daß ohne Tuningeingriffe in das Betriebssystem Windows XP® keine Bilder produzierbar waren, d.h. gerendert werden konnten. Die Software AutoDesk VIZ 4.0®
stürzte regelmäßig bei diesem 3D-Modell ohne 4GTRAM Speichertuning ab. Man bewegte sich also schon
an den Leistungsgrenzen des Betriebssystems Windows
XP® und der Applikation AutoDesk VIZ 4.0®. Die Berechnung einzelner Bilder betrug auf einem Pentium
4 HT 3 GHz Prozessor mit 2,5 GB RAM Arbeitsspeicher zwischen 5,5 h für die Tageslichtsimulation, 21,5 h
für den Arkadengang bis zu 107 h für das Rheinpanorama.
Ferner wurde festgestellt, daß einige IES-Scheinwerferbeschreibungsdatensätze der Fa. Meyer+Sohn die Software AutoDesk VIZ 4.0® ebenfalls zum Absturz brachten. Als Lösung wurde hierbei nach mehreren Tagen
intensiver Internetrecherche ein Konvertierungs-Tool
gefunden, mit dem europäische Lampendatensätze im
EULUMDAT-Format in das amerikanische IES-Format
übersetzt werden können, da die Software AutoDesk
VIZ 4.0® aufgrund der Herkunft vornehmlich nur amerikanische Beschreibungssätze interpretiert. Weiterhin
Messeturm der Kölner Messe, deutlich ist hell-dunkel Struktur
bei den Ziegeln erkennbar, das auf unglasierte und glasierte
Ziegel zurückzuführen ist.- Abb. 6
- 98 -
ISSN 1612 - 9040
Ermittlung der Objektmaße, der Lösung der Speicher-,
der Probleme mit dem Import der Scheinwerferbeschreibungsdatensätze und der Darstellung der Fensterflächen beim Werkzeug AutoDesk VIZ 4.0® sind durchweg gute Ergebnisse erzielt worden. Mit der Auswahl
der nachfolgenden Abbildungen wird dies illustriert.
wurde sich mit dem Farbmanagement des Betriebssystems und der Bildverarbeitungsprogramme wie z.B.:
Photoshop 6.0® beschäftigt, da dem Farbraum für eine
farbkorrekte Präsentation der Ergebnisse eine zentrale
und essentielle Bedeutung zukommt. Mit dem relativ
hohen zeitintensiven Arbeitsaufwands in Bezug auf die
GEGENÜBERSTELLUNG REALBILD - TAGESLICHTSIMULATIONSERGEBNIS
Realaufnahme - Abb. 7
Visualisierungsergebnis Abb. 8
Fotomontage des Simulationsergebnisses, das unter der selben Sonnenstandsbedingung berechnet
wurde und der Einbindung des Vorder- und Hintergrundes der Realaufnahme von oben
- 99 -
ISSN 1612 - 9040
PRÄSENTATION VON MODELLIERTEN ILLUMINATIONSDESIGNS (AUSWAHL)
Leuchtdichteverteilung Haupteingang der Rheinmessehallen Abb. 9
Grundsätzlicher Entwurf mit Definition der künftigen Leuchtdichteabstufungen, zur Akzentuierung der unterschiedlichen Gebäudeteile
der Kölner Rheinmessehallen Abb. 10
- 100 -
ISSN 1612 - 9040
Arkadengang Südseite der Rheinhallen – Abb. 16
Akzentbeleuchtung der Rheinhallenfassade, Perspektive: Konrad-Adenauerufer Abb. 17
- 101 -
ISSN 1612 - 9040
Daten stehen einer umgehenden Weiterverarbeitung,
sprich Entwurf eines Illuminationsprojekts zur Verfügung.
AUSBLICK
Für die Verbesserung der Ergebnisse müßte geprüft
werden, inwieweit die Darstellung von Fenstergläsern in
AutoDesk VIZ 4.0® optimiert werden kann, da die Arbeit mit diesem Werkzeug an diesem Punkt Schwächen
offenbarte. Ferner müßte geprüft werden, ob mit Hilfe
von einem Netzwerkverbund erstens schneller Ergebnisse bei der selben Komplexität erzielbar sind bzw.
sich noch höhere Renderingauflösungen benutzen lassen. Die maximale Auflösung bei der vorgenommen
Modellierung lag bei (4096 x 3003) Pixeln.
SCHRIFTTUM (AUSZUG):
[Żagan 1] WOJCIECH ŻAGAN
Iluminacja Obiektów
ISBN: 83-7207-360-0
Entwicklung der Simulationsmöglichkeiten von
Anstrahlungsobjekten XV. Deutsch-Polnisches Wissenschaftliches Seminar 17.-21. Nov. 2003 Proceedings
Für die Realisierung eines der vorgestellten Entwürfe
müßte man sich intensivst mit den örtlichen Energieversorgern, in diesem Fall der GEW RheinEnergie® in Verbindung setzen, um Auskunft über existierende Netzunterverteilungen oder Hauptverteilungen zu erlangen,
da nur so eine kostengünstige Realisierung des Projekts
möglich ist. Ferner müßte vor einer Realisierung die
Objektmaße des 3D-CAD Modells mit der Realität
abgeglichen werden, da nicht ausgeschlossen werden
kann, daß einige Maße differieren.
"Computer Visualisierung in der Gebäudeanstrahlung"
Fachvortrag für die Lichttechnische Gesellschaft Köln
(LiTGR Köln) an der FH-Köln am 18.11.04 übernommen am 18.Nov. 2004
ILUMINACJA – synteza swiatla i architektury (Iluminacja – symbioza swiatla i architektury)
Powerpoint-Präsentation von Herrn Prof. Dr. Żagan im
Rahmen seiner Vorlesung an der Politechnika
Warszawa – TU Warschau
übernommen am 18.Nov. 2004
Während der Bearbeitung der Master-Thesis sind folgende Neuerungen auf dem Markt erschienen, die im
Hinblick auf eine effizientere und zügigere Erstellung
des 3D-Modells für die Visualisierungsstudien eingehender untersucht werden sollten:
1.Während der Master-Thesis ist Nachfolger-Software
VIZ 2005 auf den Markt gekommen.
Hier wäre
eine Überprüfung wünschenswert, ob die ShadowModelle ihres in der Version 4.0 exzessiven virtuellen
RAM-Bedarfs optimiert wurden und ob neue Prozes
sor-Architekturen wie beispielsweise die HyperThreading Technologie (HT-Technologie) von Intels
Pentium 4® Prozessoren unterstützt wird oder die
neulich vor wenigen Monaten von Intel und AMD
vorgestellten
Doppelkernprozessoren
„Pentium
Extreme Edition 840®“ von Intel und „Athlon 64
X2®“ von AMD. Ferner wäre interessant, ob neben
den neuen Programmfeatures auch die Stabilität der
Software verbessert wurde.
2.Photogrammetrie – Körper aus 2D-Bildern Software
„PhotoModeler“http://www.photomodeler.com oder
http://www.rsi.gmbh.de/ . Photogrammetrie ist die
wissenschaftliche Disziplin mit Hilfe von zwei-di
mensionalen Bilddaten, 3D-Modelle zu berechnen.
Das Hauptfeature der Software „PhotoModeler“ ist, aus
2D-Fotografien dreidimensionale Modelle mit Hilfe der
ermittelten Standortdaten der Realkamera zu berechnen.
Anhand eines einfachen und eines komplexen Gebäudes
müßte in einer weiteren Arbeit der Aufwand evaluiert
werden, ob sich durch den Einsatz der Photogrammetrie
nicht erhebliche Arbeitszeit und damit Kosteneinsparungen für die Vermessung und Erstellung des 3D-Modells
zur Illuminationsanalyse erzielt werden können, da
diese letztlich in dieser Master-Thesis den Hauptteil der
Bearbeitungszeit ausmachte. Die so gewonnenen 3D-
[CIE] CIE-TECHNICAL REPORT CIE 94
Guide for Floodlighting
1st Edition 1993
ISBN: 3-900-734-31-3
[Monheim] Veronika Monheim
Lichtplanung und Lichtsimulation im Außenraum –
Diplomarbeit: FH-Coburg, April 2002
http://www.innenarchitekturcoburg.de/download/diplom_monheim.pdf
übernommen am 03.10.2004
[Roos] PETER J. ROOS
Kreative Außenbeleuchtung ohne Lichtsmog
Fachzeitschrift Licht Ausgabe: Mai 2004
ISSN 0024/2861
[Ris] RIS, HANS R
Beleuchtungstechnik für Praktiker
ISBN: 3-8007-2163-5 (VDE Verlag)
ISBN: 3-905214-31-8 (AZ-Verlag)
[Baer 1] BAER, ROLAND
Beleuchtungstechnik – Grundlagen Band 1
1. Auflage 1993
Verlag Technik
ISBN: 3-341-00966-3
[Baer 2] BAER, ROLAND
Beleuchtungstechnik – Anwendungen Band 2
- 102 -
ISSN 1612 - 9040
Katalog Teil 2 Jahrgang 2004
1. Auflage 1993
Verlag Technik
ISBN. 3-341-00966-3
[Bega 1] BEGA Leuchtenkatalog 28 - Teil 1
Jahrgang 2004 - 2006
[Hentschel] HANS-JÜRGEN HENTSCHEL
Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik
4. Auflage 1994 Hüthig-Verlag
ISBN: 3-7785-2184-5
[Bega 2] BEGA Leuchtenkatalog 28 - Teil 2
[Bega 3] BEGA Leuchtenkatalog 28
Kurzübersicht
[Siteco] Siteco-Lampenhersteller
http://www.siteco.de
[Licht] Fördergemeinschaft Gutes Licht
Heft 16 – Stadtmarketing mit Licht
http://www.licht.de
[Frielingsd.] VOLKER FRIELINGSDORF
Auf den Spuren Konrad Adenauers durch Köln
Gedenkschrift der Stadt Köln
zum 125. Geburtstag ihres Ehrenbürgers
ISBN: 3-906129-02-0
[Hoffmeister] Hoffmeister Leuchten GmbH
http://www.hoffmeister.de
[VIZ 1] AutoDesk Viz Anwenderforen
http://discussion.autodesk.com/forum.jspa?forumID=10
6
[Taepper] H. J. TAEPPER
Die Kölner Messe 1924 – 1949
1. Auflage 1949
M. DuMont Schauberg Verlag
[VIZ 2] VB-Visual - Renderingvorlagen für Bäume
http://www.vb-visual.de/
[VIZ 3] AutoDesk Viz Tutorial
http://www.ksgfx.com\tutorials.htm
Download am 30.10.2004
[Hall] HERIBERT HALL, ARCHITEKTEN- UND
INGENIEURVEREIN KÖLN E.V.VON 1875
Köln - seine Bauten 1928-1988,
Köln 1991
Bachem-Verlag, Köln
ISBN: 3-7616-1074-2
[VIZ 4] AutoDesk Viz 4.0
Online-Hilfe und Tutorial-Helpfile
[3.CAD]CAD Anwenderforum
http://ww3.cad.de/foren
[Kierdorf] ALEXANDER KIERDORF
Köln, Ein Architekturführer,
Berlin 1999
Dietrich Reimer Verlag, Berlin
ISBN: 3-496-01181-5
[Helios32] Helios32 Resources Anwenderforum
http://www.helios32.com
[Omura] GEORGE OMURA
Mastering Autodesk VIZ 4
SYBEX-Verlag
ISBN: 0-7821-4132-3
[MS-TechNet] Microsoft TechNet
http://www.technet.com
• Q171793 Information on Application Use of 4GT
RAM Tuning
• Q291988 A description of the 4 GB RAM tuning
feature and the Physical Address Extension switch
• Q833721 Available switch options for the
Windows XP and the Windows Server 2003
Boot.ini files
• Q328269 Windows XP SP1 May Not Start with the
/3GB or /USERVA Switch
[DIALux 3.1]
DIALux 3.1 Softwaredokumentation
http://www.dial.de
[3 Sinn] 3Sinn Homepage und Anwenderforum
http://www.3sinn.de/home.html
[Meyer 1] WILLY MEYER+SOHN GmbH+Co. KG
Technische Leuchten - Bildpreisliste 2004/2005
[Memtest86]
Memtest86 Memory Diagnostic Page
http://www.memtest86.com
Katalog Teil 1 Jahrgang 2004
[Memtest86+] Memtest86+ Advanced Memory Diagnostic Tool http://www.memtest86.org
[Klein] KLEIN-MEYNEN, DIETER U.A. (HRSG.)
Kölner Wirtschaftsarchitektur,
Von der Gründerzeit bis zum Wiederaufbau,
Wienand-Verlag, Köln 1996
ISBN: 3-87909-413-6
- 103 -
ISSN 1612 - 9040
A THEORETICAL DESCRIPTION OF THE BLINK REFLEX BEHAVIOUR
AS A FUNCTION OF WAVELENGTH AND OPTICAL POWER BASED ON
PSYCHOPHYSICAL CONSIDERATIONS
H.-D. Reidenbach
Research Laboratory Medical Technology
Institute of Applied Optics and Electronics
Betzdorfer Str. 2, 50679 Koeln
[email protected]
viewing, including the use of optical instruments. It is
assumed that eye-protection, which is important in the
visible part of the optical spectrum covered by class-2
lasers i.e., between 400 nm and 700 nm, is normally
afforded by aversion responses, including the blink
reflex.
As the blink reflex has been regarded for many years as
the most important property of the human eye to close
the lid in response to an intensive bright-light stimulus
within 0.25 s (not only in a European Standard [2], but it
has also been chosen as the dominant physiological
protection in most safety recommendations concerning
class-2 lasers worldwide), there was a firm belief in its
existence with regard to laser sources, mainly due to
their high brightness, which should normally stimulate a
blink reflex. In the meantime, however, it has been
found that only about 20 % show this natural reaction,
when they became irradiated from a laser beam.
The reason for this somewhat surprising result is still
not totally understood, but some interesting relationships have been found which obey fundamental laws in
psychophysics.
SUMMARY: Since 2001 we have investigated about
2,250 persons in lab and field trials concerning aversion
responses including the blink reflex using lasers and
LEDs as optical sources.
The experimentally obtained results of 788 measurements at 670 nm, 635 nm and 532 nm concerning the
frequency of the blink reflex as a function of
wavelength might be explained by the well-known
fundamental WEBER-FECHNER law of psychophysics
and will be given as a blink reflex function in
accordance with the STEVENS power law.
In another study 191 volunteers have been irradiated
with an LED array. The results show again a
relationship which is in accordance with the STEVENS
power law as far as the blink reflex frequency is
concerned as a function of the emitted optical power.
ZUSAMMENFASSUNG: Seit 2001 wurden etwa 2.250
Personen in Labor- und Feldversuchen im Hinblick auf
Abwendungsreaktionen einschließlich des Lidschlussreflexes unter Verwendung von Lasern und LEDs als
optische Quellen untersucht.
Die experimentell erzielten Ergebnisse von 788
Messungen bei 670 nm, 635 nm und 532 nm bezüglich
des Lidschlussreflexes als Funktion der Wellenlänge
können durch ein wohlbekanntes Gesetz der
Psychophysik von WEBER-FECHNER erklärt werden
und lassen sich als Lidschlussreflexfunktion in
Übereinstimmung
mit
einem
STEVENSschen
Potenzgesetz darstellen.
In einer anderen Studie wurden 191 Freiwillige mit
einem LED Array bestrahlt. Die Ergebnisse zeigen auch
hier eine Übereinstimmung mit dem STEVENSschen
Potenzgesetz für die Lidschlussreflexfunktion als
Funktion der emittierten optischen Leistung.
MATERIALS AND METHODS
In a first research project the blink reflex alone has
been investigated in lab and field trials under controlled
laser class 2 exposure conditions. As optical sources,
not only lasers but also LEDs were used, since these
devices are included in the scope of the IEC-Standard
since 1993, although physically they are clearly not
lasers and will be removed from this standard in future.
A modular set-up has been realized for the blinkreflex investigations that could be used with different
lasers and light-emitting diodes (LEDs). This apparatus
has been described in a paper given at the XVth
German-Polish Scientific Seminar [3] in more detail.
Especially laser wavelengths at 532 nm, 635 nm and
670 nm have been used either from a frequency doubled
solid state laser or with laser diodes at power levels of
0.8 mW, which is 20 % below the maximum permissible
power for the human eye, and the exposure duration
was 250 ms, which is the time base for the classification
INTRODUCTION
The safety philosophy of low-power lasers
belonging to class 2, according to the international
product standard IEC 60825-1 [1], is based on
momentary exposure in the case of so-called intrabeam
- 104 -
ISSN 1612 - 9040
of laser belonging to class 2.
Since there was some criticism concerning the fact that
the volunteer’s head was restrained in a chin and
forehead rest and since in addition the safety philosophy
for laser belonging to class 2 according to the
international laser safety standard is actually based on
the existence of aversion responses including the blink
reflex, the spectrum and frequency of the natural
behaviour as a whole has been investigated in a second
research project in the case of an unexpected laser
irradiation. In order to perform the respective
investigations three different methods were applied
where the head was unrestrained and intrabeam viewing
conditions could be achieved.
The various methods used
• a scanning laser line,
• a laser beam on an optical bench,
• a single high power LED (HB-LED) or
• an LED array.
In the case of the laser scanner 532 nm were used,
whereas the targeting system incorporated a red laser at
635 nm. The LED array consisted of 80 so-called high
brightness LEDs where white light is the result of
conversion of blue emission in a specially doped
phosphor.
Although it was not the main purpose of the second
research project the blink reflex could be observed in
addition to aversion responses like head and gross eye
movements. Therefore the results could be used to be
compared with the ones achieved in the special situation
where the volunteer’s head has been fixed and all
persons have been fully informed on the purpose of the
investigations before the respective irradiation trial.
Since all measurements were recorded with a CCDvideo camera with a frame rate of 40 frames per second
and memorized digitally, the evaluation could resolve
head, lid and eye movements with accuracy of about
± 20 ms, i.e. squinting, blinking, blink reflex and
voluntary lid closure could be separated in a detailed
analysis of the recorded trials. In fig. 1 the test
procedure with a “free beam” system is shown where
the volunteer had to adjust three small apertures
positioned on an optical bench. The laser was hidden
behind the third aperture in a star target and the beam
was released when the volunteer’s eye was adjusted to
the center of the target. The situation of a test procedure
is shown in fig. 2 with a volunteer sitting in front of the
test system and performing the required adjustment of
the three apertures positioned on the optical bench.
In this assembly the first aperture has been modified as
can be seen by comparison with fig. 1. Instead of only
one hole there have been used two in order to allow the
test persons to look through both. The video camera was
attached to this part too, since it was the goal to take
pictures of both eyes in an enlarged version where even
small details and movements of the eyes and the eye lid
could be observed simultaneously. In addition this test
procedure was chosen to clarify whether there is a
difference in reaction if one eye is closed tightly or not
during the adjustment.
Figure 1: Adjustment system: 1, 2: small apertures,
3: video camera, 4: star target with hidden
laser source
Figure 2: Volunteer in front of the adjustment system
In fig. 3 the situation can be seen where the laser beam
appears as a small spot on the cornea.
- 105 -
ISSN 1612 - 9040
like it is shown in fig. 5. The exposure durations were
125 ms and 250 ms, respectively.
Like in the case of laser irradiation all test procedures
were recorded on video and the evaluation performed
on the basis of a computer assisted picture analysis
based on “Virtual Dub” and “Excel”-calculations.
Figure 5: Irradiation with an LED array; total power:
4.87 mW, exposure duration: 250 ms
Figure 3: Test situation; positioning of the eye (top),
laser spot during irradiation seen on the
cornea (bottom)
RESULTS
An overview of the results concerning the frequency of
the blink reflex achieved is given in tab. 1
In addition to laser irradiation trials white light LEDs
have been used as optical sources like in the case of a
photoflash light where 80 high brightness LEDs have
been arranged in a rectangular shape shown in fig. 4.
Table 1: Results of lab and field trials with various laser
and LED test procedures
Blink reflex/Lid closure
Wavelength
nm
40
Arrangement/
System
268
246
41
38
15.3
15.4
Laser: 635
collimated beam,
unrestrained head
200
34
17.0
Laser: 635 or
632.8
divergent beam
405
67
16.5
Laser: 635
Laser: 532
Parafoveal
collimated beam,
circular
collimated, line
shaped
316
274
62
58
7.0
21.2
75
14
18.7
1,784
274
15.36
14
222
25
191
452
2
53
5
73
133
14.3
23.9
20
38.2
29.42
2,236
407
18.2
LED: 615
LED: 468
LED: white
LED: white
Σ LED
Σ all sources
The emitted power was measured to be 1.39 mW,
2.46 mW, or 4.87 mW at a distance of 300 mm in front
of the LED array in a 7-mm aperture, where the
volunteer’s both eyes were irradiated simultaneously
%
collimated beam
collimated beam,
restrained head
Σ Laser
Figure 4: LED array with 80 pc HB-LEDs,
dimensions: 40 cm x 60 cm
n
Laser: 670
Laser: 635
Laser: 532
60
Number of
volunteers
Single
Single
Single
Array
From a total of 1,784 volunteers not more than 15.36 %
showed a blink reflex when they were irradiated by a
- 106 -
ISSN 1612 - 9040
As can be seen from tab. 1 the number of persons who
performed a blink reflex in the case of LED irradiation
is larger compared to laser irradiation. This might be
explained by the enlarged area which is illuminated on
the retina concerning extended optical sources like LED
arrays. Therefore much more photoreceptors are stimulated in the retina thus contributing to an increased
generation of a photo current which is transformed into
a reaction like the blink reflex or other aversion responses. In addition the irradiation from an LED array affected both eyes simultaneously and not a single one like
for intrabeam viewing of a laser beam. It might not be
excluded that the different optical spectrum in the case
of an LED contributes to the larger amount of reactions
as well.
Since the tests were performed at various occasions
there exists a range of results, but due to statistics
mainly the average value has been used for further
analysis concerning wavelength and power dependence.
But it should be clearly stated that the specification by a
single number of the blink reflex or other natural
behaviour could be misinterpreted due to the fact that
the reactions can not be described as an individually
permanent characteristics.
The spectral visibility function or standard photometric
visibility curve, which is well-known in photometry as
V(λ), is relevant to many phenomena dependent on the
brightness of an optical source. Therefore it was
obvious that psychological reactions like the eye blink
reflex might be characterized either directly by V(λ) or
related to this function one way or another.
Since the respective investigations have been done at
different wavelengths we were able to search for a
relationship between brightness of radiation and
frequency of the blink reflex. If the results for the 3
different wavelengths are illustrated in the same
diagram together with the V(λ)-curve (fig. 6) it might be
seen that the relation of the blink reflex frequency to the
photometric action spectrum of visibility is much
weaker.
laser beam. In a subgroup of 591 volunteers (not shown
in tab. 1) we found that only 4.06 % averted when they
became irradiated by a low power laser beam.
The aversion response investigations will be summarized in a final research report. Some of the preliminary
results have been reported in international publications
already [4 - 7].
If the results are differentiated concerning the wavelength of the applied laser system a wavelength
dependence can be clearly seen. In tab. 2 the average
numbers of the blink reflex frequency are given and in
addition the range of values belonging to several tests
from various trials is shown in brackets.
Table 2: Blink reflex frequency achieved in various tests
in the laboratory and during field trials
Trial
Wavelength
nm
Lab
Lab
Lab
Field
670
635
532
670
Number
of test
persons
7
31
60
261
Blink reflex
Num%
ber
0
0
1
3.2
10
16.7
41
15.7
(15.5...15.9)
Field
635
215
37
17.2
(13.4...22)
Field
532
214
48
22.4
(20.3...31)
With the LED array the following results have been
achieved in laboratory investigations mainly with
students at the University of Applied Sciences in
Cologne (tab. 3).
Table 3: Blink reflex results after irradiation with an
LED array (cf. fig. 4)
Exposure
duration
ms
Number
of
volunteers
1.39
250
2.46
Power
mW
Blink reflex
N
%
48
11
22.9
125
31
7
22.6
2.46
250
25
10
40.0
4.87
250
87
45
51.7
In the case of a white light LED array the rate of the
blink reflex frequency amounts to even more than 50 %
as a function of optical power (cf. tab. 3).
DISCUSSION
Figure 6: Blink reflex function L(λ) in comparison to
the spectral visibility as a function of
wavelength
The results achieved with LEDs are surprising in the
first moment since the applied devices belonged only to
the upper limit of the class 1 according to IEC 60825-1.
- 107 -
ISSN 1612 - 9040
frequency of the blink reflex (blink-reflex function
L(P)) and the applied optical power P holds
Since the visibility implies a perception and as such
quantity psychophysical and psychophysiological
relations come into play, i.e., the question is whether
there exists a just noticeable difference (jnd) which is
related to the stimulation intensity, e.g. the brightness L,
in accordance with
jnd = kW ⋅ L = L − L0
 P − Pth 
L( P )

≈ 0.34 ⋅ 
L0
 P0 
0.33
(4)
(1)
where kW is the so-called Weber constant, named after
WEBER, who is one of the fathers of psychophysics,
and L0 is the starting stimulation or threshold value of
the brightness. Eq. (1) implies that jnd is a linear
function of L according to Weber’s law. In the case of
effects depending on brightness kW = 0.016, i.e., the
relative just noticeable difference is constant and 1.6 %,
but the absolute just noticeable difference increases with
the brightness and this is valid for medium and not too
large stimuli. Therefore the eye might be regarded as a
measuring instrument with an automatic sensitivity
setting.
STEVENS introduced in 1957 – 1961 a power function,
where the respective perception intensity PI is given by
PI = k S ⋅ ( L − L0 )n
Figure 7: Blink reflex function L as a function of optical
power P in an LED array
(2)
where kS is a constant and n depends on the respective
sense modality.
In the case of the blink reflex as a function of
wavelength it can be shown that the blink reflex
function L(λ) which describes the frequency of the blink
reflex corresponds to a STEVENS’s law where the
physiological quantity V(λ) is transformed into a
psychophysiological quantity, i.e. the blink reflex
function L:
where L0 = 1 and P0 = 1 mW are constants in order to
meet the dimensions and Pth is the (up to now unknown)
threshold power for the blink reflex in the applied
special test arrangement with the LED array. The value
has been estimated experimentally extrapolating the
results obtained at values of 1.39 mW, 2.46 mW, and
4.87mW to be about 1 mW (cf. fig. 7).
The results obtained up to now clearly show that they
obey the well-known STEVENS power law in
psychophysics, in which the physical, observable
quantity, i.e., the optical power here, has to be taken to a
power between 0.3 and 0.4 to describe the respective
perception, i.e., the blink reflex function. A more
detailed description is given in [4 – 5, 9].
The experimentally achieved results show that another
law of psychophysics is obeyed, namely the one given
by PLATEAU-TALBOT, which states that the same
perception is obtained, either with an intensity B during
a time duration ∆t of the stimulating effect or with an
intensity B/k during a time duration k·∆t. Therefore the
blink-reflex function L/L0 is determined by the incident
optical energy in the investigated range of optical power
P and time ∆t, and is given by the relation
L( λ ) = k ⋅ V n ( λ )
(3)
The constant k comes to 0.17 for the lab trials and 0.23
for the field trials and determines the maximum
frequency of the blink reflex whereas the exponent is
given by n = 0.1 for lab and 0.12 for field measurements
(cf. tab. 2).
Based on well-known psychophysical laws it can be
stated that the blink reflex depends on photometric
quantities, but has a much weaker dependence than the
spectral visibility function on the applied wavelength
(cf. fig. 6).
Since this results are based on 3 wavelengths only it is
necessary that the theoretical model is checked with
additional wavelengths, especially in the blue, bluegreen and dark red part of the spectrum in order to
prove the validity of this relation.
Fig. 7 shows the results of the blink reflex trials as a
function of optical power delivered from the LED array
for the power range between 1.39 mW and 4.87 mW
and exposure duration of 250 ms (cf. tab. 3).
In the study with 80 high-brightness phosphor-converted (pc) white LEDs arranged in an array consisting of 8
rows and 10 columns the following relation between the
L
≈ 0.75 ⋅ P ⋅ ∆t
L0
(5)
where P is given in mW and ∆t in s. The optical energy
in this case was about 0.3075 mJ and the threshold
energy might be derived from both studies described
- 108 -
ISSN 1612 - 9040
[4] Reidenbach, H.-D., Dollinger, K., Hofmann, J.:
Results from two research projects concerning
aversion responses including the blink reflex, SPIE
Vol. 5688B Ophthalmic Technologies XV, Manns,
F.; Söderberg, P. G.; Ho, A.; Stuck, B. E.; Belkin, M.
(eds.), 2005, 429 – 439
above to be about 0.250 mJ for this special optical
source of an LED-array.
Anyhow a clear psychophysical relationship according
to the STEVENS power law has been achieved and it
can be stated that the human eyes are much more
protected against radiation emitted from LEDs than
from lasers.
[5] Reidenbach, H.-D., Dollinger, K., Hofmann, J.:
Results of lab and field trials regarding the eye blink
reflex as a safety means for LEDs, Proceedings of
the CIE symposium ’04: LED light sources, Tokyo
7-8 June 2004, CIE x026:2004, 67 – 70
CONCLUSIONS
The results achieved in the various test situations
have shown that the blink reflex does not exist in a
sufficient frequency in order to justify the safety
philosophy used up to now together with the applied
time base of 0.25 s for visible laser or LED radiation.
In order to ensure safety, in spite of the missing blinkreflex and aversion responses, users of low-power lasers
should be instructed to perform active protective
reactions, e.g., to close the eyes voluntarily and
simultaneously move the head away from the beam, in
the case of an unintentional exposure.
The influence of information given in advance of a test
irradiation and the instruction to perform active
protection reactions are currently investigated and the
results will be reported in a future publication.
[6] Reidenbach, H.-D.: Psychophysiologische Betrachtung des Lidschlussreflexes als Funktion der Wellenlänge, (in German; Psychophysiological considerations of the blink reflex as a function of wavelength), In: Reidenbach, H.-D., Dollinger, K.,
Hofmann, J. (Eds.) Nichtionisierende Strahlung
NIR2004, Publ. Ser. Progress in Radiation Protection FS-04-128-T, Bd. II, Köln 2004, 643 – 655
[7] Reidenbach, H.-D.: Some psychological considerations on the behaviour of the human eye in the case
of an irradiation from a monochromatic optical
device; SPIE Vol. 5688B Ophthalmic Technologies
XV, Manns, F.; Söderberg, P. G.; Ho, A.; Stuck, B.
E.; Belkin, M. (eds.), 2005, 448 – 457
ACKNOWLEDGEMENT
[8] Reidenbach, H.-D.: Aversion responses including the
Blink reflex: Psychophysical behaviour and active
protection reactions as an additional safety concept
for the application of low power lasers in the visible
spectrum, ILSC 2005, Proc., 818 (paper 107)
The funding of two research projects by the Federal
Institute of Occupational Safety and Health (FIOSH) in
Germany under the project numbers F 1775 and F 1984
in order to examine the safety philosophy for laser
classes 2 and 2M according to the international laser
standard IEC 60825-1, which is based on the existence
of aversion responses including the blink reflex, is
gratefully acknowledged.
The support given by the assistants Dipl.-Ing. J.
Hofmann, MSc and Dipl.-Ing. K. Dollinger, especially
in developing the basic test apparatus and supervising
the laboratory work, and the contribution from many
diploma and master thesis students has been of great
value during the last five years.
[9] Reidenbach, H.-D.: Investigations Concerning
Aversion Responses Including the Eye Blink Reflex
Using High Brightness LEDs – Is there a Difference
Compared with Lasers?; Proceedings of the XVI
Polish-German Seminar, Development Trends in
Design of Machines and Vehicles, Warsaw, June
2004, accepted for publication
REFERENCES
[1] IEC 60825-1: 1993 + A1:1997 + A2:2001, Safety of
laser products – Part 1: Equipment classification,
requirements and user’s guide
[2] EN 165:1995, Personal eye protection – dictionary
[3] Reidenbach, H.-D.; Hofmann, J.; Dollinger, K.: Five
years of blink reflex research – What are the
results?; Proc. 1/2003, XV. German-Pol. Scient.
Sem., 17. – 21. Nov. 2003, ISSN 1612 -9040, p. 14 –
18
- 109 -
ISSN 1612 - 9040
ANTENNAS FOR DIVERSITY OPERATION IN MOBILE
COMMUNICATION TERMINALS
R. Kronberger
Faculty of Media, Information and Electrical Engineering
techniques, polarization diversity, pattern diversity or
maximum ratio combining, increases the carrier to
interference ratio (CIR) and reduces the bit error rate
(BER) of digital radio signals [1]. Diversity reception
employs multiple antennas at the receiver and can
therefore be classified as single-input multiple-output
(SIMO) communication schemes. Using adaptive
beamforming techniques (see Fig. 1) in combination
SUMMARY: The use of multiple antennas for
improving the communication link is not a new idea.
Cellular base stations use these techniques successfully
to increase the signal quality as well as the channel
capacity. However, the application of diversity
techniques in mobile terminals is very restricted, also
mainly due to antenna problems. In this paper, basic
simulations are shown, which show the general need of
diversity antennas for different kind of communication
systems (i.e. GSM, UMTS, WLAN). Furthermore, the
challenges in antenna design are explained and a design
method, especially under consideration of the
interactions of the antennas is shown. The evaluation of
the diversity efficiency is included in the design process
and performance simulations are given.
INTRODUCTION
The currently upcoming 3G wireless communication
system as well as wireless communication networks for
next generation have stringent requirements to satisfy:
high data rate capacities over a large variety of
environments under limited resources of bandwidth and
signal power. Channel capacity is related to bandwidth
and signal power, given by Shannon´s equation. With
standard communication systems (single-input singleoutput, SISO) the channel capacity is the most limiting
factor. New techniques based on multi-antenna schemes
have been investigated to overcome this limitation.
There are well known diversity techniques for reception
that are used to improve the signal quality and the
capacity at the base station. Usually, the received signal
from the mobile station is highly influenced by
multipath fading. Using any of the following diversity
Fig. 1: Smart base station antenna principle
with direction finding and signal tracking will increase
the channel capacity significantly compared to single
antenna base station systems. In contrast, other
techniques exploit the multipath phenomena. They are
known as transmitting diversity schemes and they are
based on MISO and MIMO (Multiple input multiple
output) schemes (see Fig. 2). They use space-time codes
to exploit the multipath phenomena and overcome the
limitation in capacity experienced by SISO schemes.
output
input
Channel
Receiver
n channels Æ n-times capacity
Fig. 2: MIMO (Multiple In – Multiple Out) communication principle
- 110 -
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MIMO systems use several transmit and several receive
antennas to exploit the channel properties of multipath
propagation channels and thereby reach higher
capacities compared to systems with only one antenna
on each side of the communication link [2]. For the
application of MIMO in mobile communications
systems it is essential, that several antennas can be
integrated in small handheld devices. Of course, multi
receiver and transmitter architectures are required as
well. At present, due to this high technical efforts,
MIMO techniques are mainly used in demonstrators
only, but the ongoing successful integration and
miniaturization of electronic circuits will soon lead to
mass production.
DIVERSITY AND MIMO TECHNIQUES IN MOBILE
TERMINALS
In order to demonstrate the typical urban mobile
communication spatial level distribution a simulation
has been performed. The simulation will later be used
for the antenna design process. A homogeneous wave
incident to a mobile handset or a wireless terminal is
assumed. The incident wave is typically reflected at N
obstacles. Each object is arranged randomly around the
handset with an azimuthal angle ϕν between vehicle and
scattering object. In this case the phase constant in xdirection with (2 π/λc)cosϕν has to be considered. Thus
the received resulting antenna voltage Vres reads as:
N
V res ( x0 + ∆x ) = ∑V ν ⋅ e
−j
2π
⋅ f c ⋅( x0 + ∆x )⋅cosϕν
c0
Fig. 3: Received signal power at the antenna of a mobile
terminal for 3 different frequencies
ANTENNA DESIGN
(1)
ν =1
Main challenge in the design of terminal antennas is the
efficiency of such antennas for a MIMO system. In the
following, a design and validation principle for terminal
antennas, based on multi element phased array
technique, is presented. Especially with very closely
spaced antennas, great care has to be taken of the
mutual couplings and interactions between the antennas.
First simulations of the antennas on the handset show
the general characteristics of the arrangement. Simple
wire grid models of the terminal can be used to find out
general radiation characteristics and main radiation
with Vν describing the complex amplitude of the ν-th
reflected wave.
In Fig. 3 the resulting signal voltage at the antenna of a
mobile wireless communication terminal is displayed in
x direction over the distance of 1m. This has been
evaluated for 3 different frequencies at 950 MHz (GSM
handset receive frequency), at 2150 MHz, which is
related to the UMTS receive band of the terminal and
also for 5.1GHz, as example for WLAN 802.11a. The
curves show clearly the influences of multipath
propagation on the signal level, generally known as
fading. Differences of appr. 30 to 40 dB occur between
maximum and minimum received signal, depending on
the location of the terminal. Under real conditions
additional other effects like frequency shift, delay
spread etc. have to be considered as well. However, the
simulation shows, that within such an environment the
communication link quality between the base station
and the mobile user is influenced by the position of the
mobile user. Especially at frequencies above 2GHz,
only a few centimeters of distance play a decisive role.
Therefore research is mainly focused on the integration
of multiple antennas in handhelds to overcome this
effect and to provide optimum antenna performance for
diversity and MIMO systems.
Fig. 4: Simulation of the antennas (f=2.1GHz)
- 111 -
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Fig. 5
a) Arrangement of antenna array with far field test antenna
b) (n+1)-port, expressed with S-parameters
antenna measurement system. The design for
optimization of the array antenna pattern requires the
exact amplitude and phase distribution of the different
antenna elements on the terminal. This can either be
achieved by a variable feeding network being connected
to the antenna ports or by digital pre-adjustment in the
baseband path. Thus by variation of the port waves A
and B, the antenna gain function G(ϕ,ϑ) of the array can
be influenced in an appropriate method (eqn. 3). Using
variation calculus techniques, the optimum set of waves
A and B for a desired pattern has to be found. Fig 6
shows a terminal model with 3 antennas, which has
been used for first measurements and to prove the
method.
directions of the antennas and the overall coupling
behavior (Fig. 4). To achieve more precise results for
the final design highly sophisticated and time
consuming simulation techniques would be necessary.
Detailed data of the exact structure, the composition and
the material of the real terminal is required for the
simulations. Finally, the results have to be compared to
the measurements.
To overcome simulation challenges, a combined method
of highly accurate measurement and mathematical
optimization has been chosen for diversity
configurations and diagram synthesis of array antennas
on handheld devices. This method has been successfully
applied to vehicle antennas [3]. The electrical
characteristics of the arrangement of n antenna elements
on the terminal and an additional test antenna with
given polarization in the far field of the terminal is
described as (n+1)-port, using scattering parameters
(Fig. 5). By means of pattern measurement of each
antenna element in its position on the terminal in
amplitude and phase and measurement of the mutual
coupling of the antenna elements the complete equation
system for the arrangement can be given with eqn. (1)
 b1   s A11
  
 M   M
b  =  s
 n   A1n
b   s (ϕ)
 F   F1
s F1 ( ϕ )  a1 
 
M  M  (1)
L s Ann
s Fn ( ϕ )  a n 
 
L s Fn ( ϕ )
s FA  a F 
s A1n
M
L
O
Fig. 6: Antenna model of a handset with 3 antennas
(size W 40 x L 20 x H 100 mm)
or in matrix form with eqn. (2).
 B  SA
  = T
 BF  S F
S F  A 
 
S FA   A F 
(3)
2
G (ϕ ) =
BF
A −B
2
Based upon the described method, further research has
been concentrated on the question whether those
antennas could basically be used as directive antennas
and whether the quality of the antenna pattern is
sufficient for adaptive beamforming or diversity
applications at the terminal. In practice, the performance
of a MIMO system is influenced by the presence of
mutual coupling that occurs between the elements of
transmitting/receiving arrays. Especially with closely
spaced elements on a terminal this effect can be used to
(2)
2
By means of a network analyzer the scattering
parameters are measured in steps of the azimuth and
elevation angle of the terminal being placed on a
- 112 -
ISSN 1612 - 9040
increase the MIMO or diversity performance. Therefore
two main optimization goals are important in the
general design process: firstly, to create different
antenna pattern for each single element - then the
received antenna signals will all be different, and it is
very unlikely that there is a fading dip simultaneously
on all of them. To prove this statement almost the same
method can be used which has been applied for the
evaluation of the diversity effectiveness of FM and TV
diversity systems. Based on the measured or simulated
antenna characteristics of the array arrangement on the
handheld, a computer simulation of a virtual movement
in a Rayleigh multipath scenario has been used to
evaluate the diversity effectiveness of the antenna
system. By comparison of the signal quality obtained
with only one single antenna on the terminal and the
signal quality obtained with the diversity system under
test an improvement factor Di of the diversity system
can be given. With p representing the likelihood of a
signal level not exceeding a certain threshold during a
certain time, the signal quality q in dB is defined as
q = 20 log (1/p). In a theoretical optimum case of all N
antennas on the terminal being decorrelated and each
antenna performing equal likelihood of distortions
which results in an equal signal quality qs, the likelihood
of distortions in the diversity mode is reduced to
pd = psN. Thus the optimum available diversity factor Di
of improvement in dB is defined as Di = qd - qs = (N-1)
qs. Fig. 7 shows a simulation of the diversity efficiency
of the handset model shown in Fig 4 - 6 with 3 different
antennas. Compared to an average single antenna with
combinations of 2 antennas a diversity improvement
factor of 3 - 7 dB can be seen. It also shows that
significant differences in the efficiency can result,
depending on the configuration of the 2 antennas. With
all 3 antennas an efficiency of almost 11 dB results.
This shows that such antenna configuration would be
well suited for diversity in the reception mode.
Fig. 8: Antenna pattern of the array (red) and the
monopole (blue) in the azimuth plane (2.1 GHz,
vertical polarization)
The second main criterion is the beamforming
performance of the antenna array on the terminal. By
means of the array principle, the characteristic of the
overall antenna pattern can be controlled. In reality this
principle is used at base stations to track the mobile
station with the antenna beam. The beamforming
process will be controlled digitally by weighting factors
in each antenna path. Fig. 8 shows a simulation of a
possible antenna pattern, achieved with the antenna
configuration in Fig. 4-6. The radiation characteristic
can be changed from the original omnidirectional
pattern, provided by the monopole on top, into a
directive array pattern. Next steps will be further
measurements and simulations on real handsets with
integrated antennas to achieve adjustable smain lobes
towards all directions in the azimuth plane. Then this
principles may successfully be applied for MIMO
terminals.
CONCLUSIONS
12,00
It has been shown, that even with small configurations
of antennas on terminals diversity operation and
beamforming is possible. This will improve the
communication performance and increase channel
capacity. Future research will focus on such promising
techniques to overcome present limitations in
communications and to prepare next generation
communication systems.
10,00
8,00
6,00
REFERENCES
[1] W. C. Jakes: Microwave Mobile Communications.
Wiley & Sons, New York, 1974.
4,00
2,00
[2] Jungnickel et al: Capacity of MIMO systems with
closely spaced antennas, IEEE Communications Letters
Vol 7, IEEE, 2003.
0,00
Ant 1 + 2
Ant 1 + 3
Ant 2+3
Ant 1+2+3
Fig. 7: Diversity improvement in dB with different
combinations of antennas in the UMTS band
[3] Kronberger et al.: Cellular Radio Car Antenna Array
for Smart Antenna Transmission and Diversity
Reception, SAE Technical Paper Series 2000,
Detroit, March 2000.
- 113 -
ISSN 1612 - 9040
- 114 -

Wissenschaftliche Berichte der Fachhochschule Köln Scientific

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