Analytische und experimentelle Untersuchung der Mensch-Maschine-Schnittstellen von Pkw-Bremsanlagen

Trutschel, Ralf

Moderne Pkw zeichnen sich durch einen hohen technischen Stand aus und sind für den Kunden technologisch immer weniger differenzierbar. Deshalb sind Eigenschaften, die in der unmittelbaren Interaktion mit dem Fahrzeug erlebt werden, bedeutende Differenzierungsmerkmale. Der Betriebsbremse kommt hierbei besondere Bedeutung zu, weil sie den Fahrprozess und damit die aktive Fahrzeugsicherheit unmittelbar betrifft. Da es der Fahrzeugforschung bisher nicht gelungen ist, zuverlässige Methoden zur zielgerichteten Entwicklung des „Bremspedalgefühls“ bereitzustellen, wird die kritische Auseinandersetzung mit der bisherigen Methodik und den erarbeiteten Ergebnissen zunehmend gefordert. Die vorliegende Arbeit greift diese Forderung auf und verfolgt sie systematisch. Zunächst wird der veröffentlichte Stand kritisch analysiert. Nach der grundsätzlichen Auseinandersetzung mit der mechanischen Mensch-Maschine-Interaktion folgt die Charakterisierung der Teilsysteme „Fahrer“ und „Fahrzeug“ sowie der Fahrer- Fahrzeug-Interaktion beim Abbremsen. Auf dieser Grundlage werden drei Schwerpunkte verfolgt. Zunächst wird eine objektive Methode zur Beschreibung der Pedalund Bremscharakteristik moderner Mittelklasse-Pkw entwickelt. Resultat sind u. a. eine Pedalbetätigungsautomatik zur experimentellen Identifikation sowie ein parametrisches Modell, das die Pedal- und Bremscharakteristik bei Komfortbremsungen umfassend beschreibt. Den zweiten Schwerpunkt bilden Subjektiv-Objektiv- Untersuchungen. Eingesetzt wird das Forschungsfahrzeug PEGASYS, dessen besonderes Merkmal die Fähigkeit zur modellbasierten Veränderung der Pedal- und Bremscharakteristik ist. Nach der Beschreibung wesentlicher Anforderungen an eine authentische Haptiksimulation und deren technische Umsetzung in PEGASYS werden Probandenfahrversuche vorgestellt, die Auskunft über das Betätigungsverhalten des Normalfahrers, die subjektive Wirkung objektiver Parameter und das Potenzial neuartiger Konzepte für die Pedal- und Bremscharakteristik geben. Aus den Ergebnissen werden Gestaltungsrichtlinien für komfortoptimale Pedal- und Bremscharakteristiken abgeleitet. Der dritte Schwerpunkt ist schließlich die Benennung konstruktiver Einflussgrößen auf die Pedal- und Bremscharakteristik. Zu diesem Zweck wird ein detailliertes physikalisches Modell der Bremsanlage eines Mittelklasse-Pkw entwickelt. Anhand von Messungen und Simulationsrechnungen werden die Merkmale der Schnittstellencharakteristik bis zur Einzelkomponente zurückverfolgt. Die Arbeit schließt mit Vorschlägen für Schwerpunkte zukünftiger Forschungstätigkeit zur Mensch-Maschine-Interaktion beim Abbremsen.

Investigation of the human-machine interface in the case of car braking systems, by analysis and experiment Modern cars are always highly technological and it is ever more difficult for the customer to tell the types of technology apart. The qualities that are experienced by the driver in direct interaction with the car mechanics have thus come to be significant distinguishing features. The brake system is particularly important because it belongs to the essence of driving and of keeping the vehicle under control. Because automotive research has failed so far to find reliable ways of developing the technology of a particular braking sensation, there is a need to view previous methodology and its outcomes with a critical eye. The present work rises to the challenge in a systematic manner. There is first a critical analysis of the status quo in published research. After discussion of the mechanical issues in the driver-vehicle interaction when the brakes are applied, “driver” and “vehicle” are presented as elements of a system in which these two elements interact during braking. There are then three foci. First, a means of objective representation of the brake and pedal characteristic for a middle-sized family car is developed. Results are a brake pedal robot to help with experimental characterisation and a parametric model which constitutes a full description regarding normal traffic conditions. Secondly, there are investigations focussing on both the subjective and the objective. The PEGASYS research vehicle is employed. It is capable of being modified to give different (model-based) varieties of brake and pedal feel. The challenges to the production of an authentic simulation of the feel, and how they were overcome in the PEGASYS vehicle, are described. There follows an account of drive tests which provide information on drivers’ normal braking behaviour and the subjective effect of certain objective parameters, and on what might have innovative design potential as far as the pedal and braking characteristics are concerned. From the results, guidelines are derived by which braking and pedal feel characteristics which are associated with optimum comfort may be configured. Thirdly, the dimensions which will at the design stage be vital to the eventual brake and pedal feel are listed. A detailed physical model of the brake system in a middlesized car is developed for the purpose. From actual measurements and calculations from simulation, the cause of the feel at the human-machine interface is traced to the individual car parts or components. Finally, suggestions are made as to potentially productive future research on human-machine interaction during braking.

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Trutschel, Ralf: Analytische und experimentelle Untersuchung der Mensch-Maschine-Schnittstellen von Pkw-Bremsanlagen. Ilmenau 2007. Universitätsverlag Ilmenau.

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