In September 2000 the DAfStb issued a technical recommendation for the experimental assessment of structural safety and usability of concrete structures. By now, the influence of pavement or floor layers and of other factors on the load carrying capacity is not known exactly. In this thesis, it has been investigated how road pavements, the geometry and bridge caps reduce the actions on concrete bridge structures and how these influences should be taken into account in the experimental evaluation of the bending capacity by an additional test load increment. In co-operation with a local authority in Stralsund, Germany, comprehensive loading test could be performed at an abandoned concrete bridge with prefabricated girders. Between loading cycles, the pavement has been stepwise disassembled. In addition, the ultimate load of the structure as well as of an individual girder has been determined in fracture tests. By means of a hybrid analysis, i.e. a numerical simulation supported by experimental data, the influences of the pavement layers have been determined. These results were verified by experimental observations obtained in past bridge tests. The influence of the pavement layers on the load carrying capacity appeared to be as high as 28% at the maximum for the bridges investigated. Since the loading vehicle BELFA has been completed in March 2001, test loads can be applied now self-securing to bridges in the so-called large load circuit, i.e. the structure is loaded including supports and foundation. The technical concept, the principle and possible applications of the BELFA are described. The results presented will allow to determine the additional test load increment for compensating the influence of pavement layers, structural geometry and bridge caps in future experimental safety evaluations. For this analysis, the exact geometry of the structure, the thickness of the pavement layers as well as their material properties, especially the modulus of elasticity, have to be known. Guidelines for the analysis procedure as well as for simplifying assumptions are given. / Experimentelle Nachweise der Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Betonbauwerken sind seit September 2000 in einer DAfStb-Richtlinie geregelt. Der Einfluss mittragender Aufbauschichten und anderer Faktoren war bisher quantitativ unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie Straßenbeläge, Bauwerksgeometrie und Kappen die Beanspruchung der Tragkonstruktion von Massivbrücken mindern und im experimentellen Nachweis der Biegetragsicherheit durch eine Überlast zu berücksichtigen sind. In Zusammenarbeit mit dem Straßenbauamt Stralsund konnten an einer Fertigteilträgerbrücke Belastungsversuche mit sukzessivem Rückbau des Fahrbahnaufbaus sowie Bruchversuche am Gesamtsystem und an ausgebauten Fertigteilträgern mit Ortbetonergänzung erfolgen. Mit Hilfe der hybriden Statik, also der Modifikation und Evaluation von Rechnungen anhand experimentell erlangter Messwerte, wurden die Einflüsse der Aufbauschichten quantifiziert und durch Auswertung weiterer Brückenbelastungsversuche verifiziert. Der Einfluss der Aufbauschichten betrug bei den untersuchten Brücken bis zu 28%. Seit der Inbetriebnahme des Belastungsfahrzeuges BELFA im März 2001 können Versuchlasten auch im großen Kräftekreislauf, d.h. am Gesamtsystem einschließlich Auflager- und Gründungssituation, selbstsichernd aufgebracht werden. Die Entwicklung des BELFA, seine Funktionsweise und seine Einsatzmöglichkeiten werden erläutert. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit ist es zukünftig möglich, die notwendige Überlast bei Belastungsversuchen zur Kompensation der Einflüsse aus Straßenbelag, Bauwerksgeometrie und Kappen mit genauem Aufmaß der Bauwerksgeometrie und der Schichtdicken sowie mit ingenieurmäßigem Abschätzen der Materialkennwerte (E-Moduli) hinreichend genau zu bestimmen. Handlungsempfehlungen geben Hinweise zur generellen Vorgehensweise sowie für vereinfachte Rechenannahmen.

Zur Verminderung der Kosten und zur Erhöhung der Zuverlässigkeit ist es zukünftig erforderlich, den Verkabelungsaufwand bei Sensoren im Kraftfahrzeug zu senken. Ein Ansatz ist der so genannte autarke Sensor, der seine Hilfsenergie drahtlos aus dem Umfeld gewinnt und seine gewonnen Messdaten ebenfalls drahtlos an einen Kommunikationspunkt überträgt. In der vorliegenden Dissertation wurde die autarke Energiegewinnung für Sensoren anhand mechanisch / elektrischer Energiewandlersysteme untersucht, die eine von Kabelverbindungen unabhängige Energieversorgung des Sensors ermöglichen sollen. Für ein System, welches aus einem translatorischen Schwinger mit magnetischer Federung und einer Anordnung von Induktionsspulen ohne Eisenkreis besteht, wurden theoretische und praktische Untersuchungen durchgeführt. Ausgehend von der, die Bewegung des Systems beschreibenden Differentialgleichung wurden die Einflüsse verschiedener Federungs- und Dämpfungskräfte untersucht. Daraus wurde eine effektive Schwingungsgleichung abgeleitet und hinsichtlich der Amplitude und der Phase gelöst. Die umgesetzte elektrische Leistung des Wandlers wurde aus dem Realteil des Stromflusses abgeleitet. Mit einem realen Fahrzeug wurden Testfahrten durchgeführt, um verschiedene signifikante Fahrbahndaten zu erhalten. Mit diesen Prozessparametern erfolgten später Messungen im Labor. Dafür wurde ein Schwingprüfstand aufgebaut und mehrere Funktionsmuster von Energiewandlersystemen untersucht. / In the future a decrease in sensor cabling inside vehicles becomes of greater importance to reduce cost and increase reliability. One approach is the so called autarkic sensor that generates energy wireless from the sensor's environment and transmits the derived measuring data also wireless to a communication node. Purpose of this dissertation is to discuss the autarkic energy recovery sensors based on a mechanical to electrical conversion which should allow a cable less energy supply. Theoretical and practical tests where made for a system which consists out of a translatory vibration with magnetic suspension and coreless coils. Starting from the differential equations describing the movement of the system, the influence of different ways of suspension and damping forces where investigated. As a result, the actual equation of oscillation was derived and solved with respect to amplitude and phase. The gained electrical power was derived from the real part of the current. Multiple test runs inside a car where performed to obtain some realistic measurement values. Based on those measurements, a test stand was set up inside the laboratory which should simulate normal road conditions. Using this test stand, multiple functional models of energy converting systems were investigated.

In den letzten Jahren ist ein immer größerer Anstieg automatisierter Fahrfunktionen zu verzeichnen. Mit der Einführung von automatisierten Fahrzeugen (AF) gehen allerdings nicht nur Vorteile, sondern auch potentielle Herausforderungen hinsichtlich der Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmenden einher. Beispielsweise werden ein potentiell abweichender Fahrstil von AF, sowie die Veränderung der FahrerInnenrolle und daraus resultierende veränderte Interaktionen mit umgebenden Verkehrsteilnehmenden in der Literatur diskutiert. Besonders in Shared Spaces, wie auf Parkplätzen, in denen verschiedene Verkehrsteilnehmende auf beschränktem Raum miteinander agieren, es allerdings nur begrenzte gesetzliche Regelungen gibt, sind Interaktionen und die Koordination von Manövern notwendig. Hierfür setzen Verkehrsteilnehmende verschiedene Kommunikationssignale ein. Gegeben der genannten Herausforderungen ergibt sich für AF der Forschungsbedarf, wie zukünftige Interaktionen mit umgebenden Verkehrsteilnehmenden intuitiv und vorhersehbar gestaltet werden können. Das Ziel dieser Dissertation war es deshalb, wissenschaftliche Erkenntnisse zur Gestaltung solcher potentiellen Interaktionen beizutragen. Die Arbeit besteht aus drei wissenschaftlichen Artikeln, sowie einer vorangestellten Synopse, in der theoretische Grundlage dargelegt, wesentliche Ergebnisse der Artikel aufgegriffen und diskutiert, theoretische und praktische Implikationen abgeleitet werden. Interaktionen im Straßenverkehr werden häufig durch räumliche und zeitliche Lücken im Verkehrsfluss koordiniert. Spezifische Fahrparameter manueller Fahrzeuge (MF) könnten quantifiziert und als Orientierung für intuitive und vorhersehbare AF-Fahrfunktionen genutzt werden. Deshalb beschäftigte sich der erste Artikel mit akzeptierten Lücken im Verkehrsfluss als spezifischer Fahrparameter. In einer Laborstudie wurde die Lückenwahl für das Manöver vorwärts Einparken auf einem Parkplatz mit verschiedenen heranfahrenden Interaktionspartnern aus FahrerInnenperspektive untersucht. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass MF nicht die eine zeitliche Lücke für die Initiierung eines Parkmanövers im Verkehrsfluss wählten, sondern verschiedene Faktoren wie die Größe und Geschwindigkeit eines heranfahrenden Interaktionspartners diese Entscheidung beeinflussten. Zur Unterstützung von intuitiven und vorhersehbaren Interaktionen sollten solche spezifische Einflussfaktoren zukünftig auch in AF-Fahrfunktionen implementiert werden. Diese könnten eine verbesserte Antizipation von AF-Fahrverhalten durch umgebende Verkehrsteilnehmende ermöglichen. Außerdem könnten AF dadurch bevorstehende Manöver von MF verbessert antizipieren. Um potentiellen Interaktionsherausforderungen zu begegnen, beschäftigt sich die Forschung außerdem mit LED-Lichtleisten, die perspektivisch zusätzliche Kommunikationssignale in AF präsentieren könnten. Da diese Lichtleisten abstrakte Signale präsentieren, beschäftigt sich der zweite Artikel der Arbeit mit der Bewertung solcher Signale als zusätzliches Kommunikationsmittel in AF. Es wurde eine Feldstudie durchgeführt, in der ein AF simuliert wurde. Auf dem Dach des Testfahrzeuges war eine LED-Lichtleiste angebracht, die umgebenden FußgängerInnen verschiedene Kommunikationssignale präsentierte. Die ProbandInnen beurteilten die untersuchten Lichtsignale generell als unverständlich, wodurch diese Signale ohne bereitgestelltes Vorwissen keinen Mehrwert zur Vorhersehbarkeit der Verkehrssituation lieferten. Allerdings konnten die Ergebnisse der Studie ein allgemeines Potential für Lichtsignale als Kommunikationsmittel in AF aufzeigen, da die ProbandInnen deren generellen Einsatz in AF als nützlich bewerteten. Der dritte Artikel beschäftige sich mit dem Einfluss von Interaktionserfahrung und den Auswirkungen von Fehlfunktionen zusätzlicher Lichtsignale als potentielles Kommunikationsmittel in AF (d.h. ein Widerspruch zwischen den eingesetzten Lichtsignalen und den Fahrzeugbewegungen als Kommunikationssignal) auf deren Bewertung. In einer Laborstudie bewerteten die ProbandInnen die untersuchten Signale aus FußgängerInnenperspektive in einem Parkplatzsetting. Die Bewertungen des Systems stiegen nach kurzen Interaktionssequenzen an, nach erlebten Systemfehlern sanken diese ab. Die Ergebnisse verdeutlichen die Relevanz einer adäquaten Systembeurteilung. Einerseits sollte die Bewertung des Systems dessen Nutzung ermöglichen, um potentielle Vorteile auszuschöpfen. Andererseits sollten aber auch andere Kommunikationssignale, wie Fahrzeugbewegungen, weiterhin als Informationsquelle in Interaktionen berücksichtigt werden, um potentiell sicherheitskritischen Situationen im Fall von Systemfehlfunktionen vorzubeugen. Da FußgängerInnen über 65 Jahren im Straßenverkehr durch altersbedingte Beeinträchtigungen besonders gefährdet sind, untersuchte die Studie außerdem Unterschiede in der Bewertung des Systems zwischen jüngeren (18 – 40 Jahren) und älteren ProbandInnen (≥ 65 Jahren). Generell bewerteten ältere ProbandInnen das System positiver als Jüngere. Allerdings passten Ältere ihre Systembewertung im Fall von erlebten Fehlfunktion auch weniger an, was besonders hohe sicherheitskritische Auswirkungen haben könnte, z.B. hinsichtlich längerer Reaktionszeiten auf nicht erwartete Fahrzeugbewegungen bei fehlerhaften Lichtsignalen. Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse der Dissertation die Notwendigkeit einer menschzentrierten Produktenwicklung in Bezug auf die Implementierung spezifischer Fahrparameter, sowie potentieller zusätzlicher Lichtkommunikationssignale in AF. Konkret zeigen die Ergebnisse, dass verschiedene Einflussfaktoren für vorhersehbare und intuitive AF-Fahrparameter berücksichtigt werden sollten. Außerdem konnte gezeigt werden, dass zusätzliche Lichtsignale in AF ein generelles Potential zur Unterstützung zukünftiger Interaktionen im Straßenverkehr haben. Nachfolgende Forschung sollte weitere Verkehrsszenarien und Einflussfaktoren auf Interaktionen im Straßenverkehr und AF untersuchen, sowie die Bedürfnisse spezifischer NutzerInnengruppen genauer beleuchten. Insgesamt kann die Arbeit dazu beitragen, Anforderungen und Voraussetzungen für vorhersehbare und intuitive Interaktionen in AF besser zu verstehen. Verschiedene theoretische Konzepte und Annahmen der Mensch-Maschine-Interaktion im Allgemeinen können auch auf AF und Lichtsignale als potentielles zusätzliches Kommunikationsmittel angewendet werden. Weiterhin können aus den Ergebnissen der Dissertation verschiedene Strategien und praktische Maßnahmen für die Gestaltung von vorhersehbaren und intuitiven AF-Interaktionsverhalten mit manuellen Verkehrsteilnehmenden abgeleitet werden, welche sich positiv auf die Nutzung und Akzeptanz von AF auswirken könnten.:Danksagung Zusammenfassung Summary Table of contents Synopsis 1 Introduction 2 Interactions in road traffic 2.1 Defining interactions in road traffic 2.2 Joint activities in road traffic 2.3 Situation awareness in road traffic 2.4 Shared spaces as interactional space for different traffic participants 3 Communication in road traffic 3.1 Models for describing communication in road traffic 3.2 Implicit communication in road traffic 3.3 Explicit communication in road traffic 4 Vehicle automation 4.1 Levels of vehicle automation 4.2 Challenges in automated driving 5 Enabeling AVs for predictable interactions in mixed road traffic 5.1 HMI framework in AVs 5.2 Dynamic human-machine interfaces (dHMIs) 5.3 External human-machine interfaces (eHMIs) 6 Research objectives of the dissertation 6.1 Research objective 1: Examining and deriving manual drivers’ gap acceptance parameters when initiating parking actions as a basic orientation for intuitively initiating parking maneuvers in AVs 6.2 Research objective 2: Assessing abstract eHMI signals as additional means of communication in AVs by incidental users in a shared space setting 6.3 Research objective 3: Investigating participants’ eHMI assessment considering interaction experience with the system and multiple malfunctions of the system 6.4 Research objective 4: Examining differences in eHMI assessment between younger and elderly pedestrians 6.5 Integration of conducted studies of the thesis into the HMI framework by Bengler et al. (2020) 7 Overview of the applied methodology 7.1 Laboratory studies 7.2 Wizard-of-Oz study 8 Main results and discussion 8.1 Main findings and discussion regarding gaps in traffic flow for coordinating encounters 8.2 Main findings and discussion regarding eHMIs as potential additional means of communication in AVs 9 Implications 9.1 Theoretical considerations 9.2 Practical implications 10 Conclusion 11 References Paper I Paper II Paper III Curriculum Vitae Publications

In dieser Arbeit wurden nutzbringende Anwendungsmöglichkeiten für monoskopische und (auto)stereoskopische 3D-Anzeigen in Fahrzeugen theoretisch hergeleitet und empirisch überprüft. Zur Ableitung der Hypothesen wurde für jede Teilaufgabe anhand eines Fragenkatalogs zu den Vor- und Nachteilen von 3D-Anzeigen untersucht, inwieweit deren Bearbeitung davon profitiert, dass Informationen räumlich abgebildet werden. Die erwiesenen 3D-Vorteile wurden zu fünf Kategorien zusammengefasst: Integration, räumliche Kompatibilität, Aufmerksamkeitslenkung, Bildhaftigkeit und Attraktivität. Da der wesentliche 3D-Vorteil für Anzeigen in Fahrzeugen in einer räumlich kompatiblen Informationsdarstellung aus der Fahrerperspektive gesehen wurde, lag der Schwerpunkt der empirischen Arbeit auf 3D-Anzeigen für Fahrerassistenzsysteme (FAS). Am Beispiel einer 3D-Anzeige des Abstandsregeltempomaten (ART) wurde nachgewiesen, dass die Vorteile von 3D-Anzeigen für FAS in einer Erhöhung der Attraktivität und Akzeptanz sowie in einer Verbesserung des unmittelbaren Verständnisses im Vergleich zu 2D-Anzeigen liegen. Gleichzeitig wurden mit optimal gestalteten 3D-Anzeigen keine Nachteile in der Wahrnehmungssicherheit und Ablenkungswirkung festgestellt. Anhand der Literaturanalyse und der empirischen Ergebnisse wurden Gestaltungshinweise für 3D-Anzeigen in Fahrzeugen formuliert. Der erwartete 3D-Vorteil einer kompatiblen Darstellung stellte sich bei einer konstanten Anordnung der Informationen nicht ein, bleibt aber für Aufgaben mit einem kontinuierlichen Abgleich (z.B. Navigation) zu überprüfen. Die stereoskopische Darbietung erbrachte keinen besonderen Nutzen. Das fahrzeugtaugliche ASD erhöhte sogar die Reaktionszeiten. Insgesamt sprechen die Ergebnisse für eine gezielte Verwendung bildhafter monoskopischer 3D-Anzeigen für FAS und ausgewählte räumliche Funktionen, welche sich anhand von Begriffen und abstrakten Symbolen nur schwer erläutern lassen. / This thesis consists of the theoretical deduction and empirical evaluation of useful applications for monoscopic and (auto)stereoscopic 3D-displays in vehicles. For deducting hypotheses concerning the benefits and limits of 3D-displays, each subtask was tested for its potential benefits from a 3D-information presentation using a catalogue of confirmed advantages and disadvantages of 3D-displays. The proven 3D-advantages were summarized in five categories: integration, spatial compatibility, direction of attention, concreteness and attractiveness. Because it was presumed, that 3D-displays in vehicles are especially favorable for representing information about the vehicle surrounding in a 3D-perspective compatible to the drivers view, the empirical part was mainly focused on the application of 3D-displays for driver assistance systems. Using a 3D-display for adaptive cruise control (ACC), a general increase of attractiveness, acceptance and immediate comprehension for 3D-displays in comparison to conventional 2D-displays was confirmed. Simultaneously, well designed 3D-displays did not compromise perceptional safety and driver distraction. Design guidelines for 3D-displays in vehicles were concluded from the evaluation results and from literature analysis. Even though the expected 3D-benefit of spatially compatible information displays from the driver’s perspective was not confirmed for driver assistance systems like ACC with a constant layout of information, it still remains to be tested for continuous matching tasks like navigational checking in cars. The stereoscopic presentation of 3D-displays did not show advantages. On the contrary, an in-vehicle ASD even increased reaction times. In summery, the results suggest a distinctive application of well designed concrete and monoscopic 3D-displays for driver assistance systems and selected spatial functions which are difficult to explain using abstract notions or symbols.

To measure the speed of a vehicle, the revolution of a wheel or a rigid axle is traditionally used. Therefore non corrigible systematic errors occur which are caused by slip, spin and by the change of wheel diameter due to fretting. Train control and traction systems require new robust as well as precise methods of speed measurement. Because of their physical properties, Doppler-radar-sensors attached to the vehicle and measuring ground speed are first choice for this range of applications. Currently used sensors cannot fulfil the high demands under all operating conditions, because they are unable to completely compensate the various interferences and systematic deviations. This is the starting point of this dissertation. Two independent diverse methods with optimised reliability and accuracy must be used to meet all requirements. Limited resources of the embedded digital signal processor system under real-time conditions have to be taken into account. According to the boundary conditions, the introductory chapters critically discuss the frequency analysis methods currently used and describe starting points for further development. This leads to the design of a new, robust, wide-band spectral analysis which combines techniques of the dyadic wavelet transformation with the fast Fourier transformation. At the same time a new frame procedure and general model for the estimation of motion parameters is developed which features short delays. The disadvantages of the block-based discrete spectral analysis applied over continuous approaches are extensively compensated. The block structure of spectral data enables the selective use of new knowledge-based spectral filters for the compensation of the remaining intense interferences which are typical of this kind of application. / Die Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung über die Drehzahl eines Rades weist in Schlupf- und Schleuderzuständen erhebliche systematische Abweichungen auf. Deshalb erfordern Zugbeeinflussungs- und Antriebssysteme neue gleichzeitig robuste und präzise Geschwindigkeitsmessmethoden. Die Mikrowellensensorik unter Nutzung des Dopplereffekts zwischen Fahrzeug und Gleisbett wird wegen ihrer physikalischen Eigenschaften für dieses Einsatzgebiet favorisiert. Bisherige Sensorapplikationen erfüllen aber die hohen Ansprüche nicht in allen Betriebszuständen. Hier setzt die in dieser Arbeit beschriebene Sensorentwicklung auf. Zwei getrennt hergeleitete und nach Zuverlässigkeit und Genauigkeit optimierte neue Verfahren können bei gleichzeitiger Anwendung die gestellten Anforderungen erfüllen. Dabei müssen auch die beschränkten Ressourcen des eingebetteten digitalen Signalverarbeitungssystems unter Echtzeitbedingungen berücksichtigt werden. Entsprechend dieser Randbedingungen findet einleitend eine kritische Betrachtung bestehender Frequenzanalysemethoden statt und Ansätze für die Weiterentwicklung werden herausgearbeitet. Einerseits führt dies zur Konstruktion einer neuen störunempfindlichen Weitbereichsspektralzerlegung, welche Ansätze der dyadischen Wavelettransformation mit der Diskreten Fourier-Transformation verbindet. Andererseits wird ein neues Rahmenverfahren für die verzögerungsarme Schätzung der Bewegungsparameter des Fahrzeuges aufgrund seines physikalischen Bewegungsmodells hergeleitet und mit einem hochgenauen Frequenzauswerteverfahren kombiniert. Beide Verfahren basieren auf blockweisen diskreten Spektralzerlegungen, deren prinzipielle Nachteile gegenüber kontinuierlichen Ansätzen weitgehend kompensiert werden können. Durch die Blockorganisation lassen sich neuartige wissensbasierte Spektralfilter selektiv zur Unterdrückung starker bahnanwendungstypischer Störeinflüsse einsetzen.

Das Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ist zu einem konventionellen Fügeverfahren geworden. Dies gilt unabhängig von der Art der Strahlquelle, der Strahlführung und für die gesamte Sicherheits-, Steuerungs-, Automatisierungs- und Vorrichtungstechnik. Mehr und mehr Baugruppen sind speziell für die Laserverfahren konstruiert, nutzen deren spezifischen Eigenschaften gezielt aus und können nicht mehr mit anderen Fügeverfahren hergestellt werden. Unterschiedliche Schweißnaht-Merkmale sind nicht durch die Lasertechnik verursacht, sondern zumeist in ungünstigen Spannbedingungen oder Bauteil-, Werkstoff- oder Beschichtungsabweichungen begründet. Trotz der hohen Präzision aller Fertigungskomponenten treten durch die Sensibilität des Fügeprozesses bedingte systematische und stochastische Nahtunregelmäßigkeiten auf. Systematisch erkennbare Ursachen sind die wenigen hundertstel bis zehntel Millimeter Bauteilgeometrie-, Positions- oder Beschichtungsabweichungen bzw. Toleranzen, deren umfassende Beherrschung noch aussteht. Unabhängig davon treten scheinbar zufällige Unregelmäßig-keiten trotz allseits optimaler Bedingungen auf. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um aus Prozesssignalen mit einer erstaunlich einfachen Vorgehensweise entstandene Schweißnahtmerkmale zu prognostizieren. Die Merkmalseinteilung lehnt sich an der maßgeblichen Prüfvorschrift an und erreicht schon in dieser frühen Entwicklungsphase einen guten bis sehr guten Bewertungsgrad. Begründet und untermauert wird diese Methode mit der Erweiterung der bestehenden Modellvorstellung zur Laserstrahl-(Stahl)Werkstoff-Wechselwirkung vom Einschweißen zum Ver-schweißen der Nahtform I-Naht am 2-Blech Überlappstoß verzinkter Bleche. Die Vorgänge im Schweißprozess für jedes prognostizierbare Nahtmerkmal sind skizziert, begründet und mit den Prozessemissionen in Zusammenhang gebracht. / The laser welding in the car body shop has become a conventional joining process. This is independent from the type of the laser beam source, the course of the radiation and for the complete safety-, control-, automation- and equipment-technology. More and more modules are especially designed for the laser procedure, use their specific characteristics and cannot be produced by any other joining processes. Different characteristics of welds are not caused by the laser technique, but mostly due to unfavourable clamping conditions or because of tolerances of parts, material or coating. Despite the big precision of all production components, systematic and stochastic welding imperfections appear due to the sensibility of the joining process. Systematically identifiable causes are the deviations or tolerances of a few hundredths to tenths of a millimetre concerning the component’s geometry, positions and coatings, whose complete control is still due. Independent from that appear seemingly random irregularities, despite the well-optimal conditions. In result to this work, a method for pre-calculating welding characteristics through an amazingly simple approach was developed. The classification is based on the test specification and achieved even at this early stage of development a good or very good rating level. This method is justified and supported through the addition of the already existing image of the model to the laser/material interaction; from weld-in to the weld-together of square butt form- seams on 2 zinc coated sheets lap joint. The transactions within the welding process for each pre-calculated seam-characteristic are outlined, justified and related to the process emissions in context.

The thesis with the title “Designing and simulating a Car2X communication system using the example of an intelligent traffic sign” has been done in Chemnitz University of Technology in the faculty of Computer Science. The purpose of this thesis is to define a layered architecture for Infrastructure to Vehicle (I2V) communication and the implementation of a sample intelligent traffic sign (variable speed limit) application for a Car2X communication system. The layered architecture of this thesis is defined based on three related projects. The application is implemented using the defined layered architecture. Considering the availability of hardware, the implementation is done using the network simulator OMNET++. To check the feasibility of the application three scenarios are created and integrated with the application. The evaluation is done based on the result log files of the simulation which show that the achieved results conform with the expected results, except some minor limitations.

To measure the speed of a vehicle, the revolution of a wheel or a rigid axle is traditionally used. Therefore non corrigible systematic errors occur which are caused by slip, spin and by the change of wheel diameter due to fretting. Train control and traction systems require new robust as well as precise methods of speed measurement. Because of their physical properties, Doppler-radar-sensors attached to the vehicle and measuring ground speed are first choice for this range of applications. Currently used sensors cannot fulfil the high demands under all operating conditions, because they are unable to completely compensate the various interferences and systematic deviations. This is the starting point of this dissertation. Two independent diverse methods with optimised reliability and accuracy must be used to meet all requirements. Limited resources of the embedded digital signal processor system under real-time conditions have to be taken into account. According to the boundary conditions, the introductory chapters critically discuss the frequency analysis methods currently used and describe starting points for further development. This leads to the design of a new, robust, wide-band spectral analysis which combines techniques of the dyadic wavelet transformation with the fast Fourier transformation. At the same time a new frame procedure and general model for the estimation of motion parameters is developed which features short delays. The disadvantages of the block-based discrete spectral analysis applied over continuous approaches are extensively compensated. The block structure of spectral data enables the selective use of new knowledge-based spectral filters for the compensation of the remaining intense interferences which are typical of this kind of application. / Die Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung über die Drehzahl eines Rades weist in Schlupf- und Schleuderzuständen erhebliche systematische Abweichungen auf. Deshalb erfordern Zugbeeinflussungs- und Antriebssysteme neue gleichzeitig robuste und präzise Geschwindigkeitsmessmethoden. Die Mikrowellensensorik unter Nutzung des Dopplereffekts zwischen Fahrzeug und Gleisbett wird wegen ihrer physikalischen Eigenschaften für dieses Einsatzgebiet favorisiert. Bisherige Sensorapplikationen erfüllen aber die hohen Ansprüche nicht in allen Betriebszuständen. Hier setzt die in dieser Arbeit beschriebene Sensorentwicklung auf. Zwei getrennt hergeleitete und nach Zuverlässigkeit und Genauigkeit optimierte neue Verfahren können bei gleichzeitiger Anwendung die gestellten Anforderungen erfüllen. Dabei müssen auch die beschränkten Ressourcen des eingebetteten digitalen Signalverarbeitungssystems unter Echtzeitbedingungen berücksichtigt werden. Entsprechend dieser Randbedingungen findet einleitend eine kritische Betrachtung bestehender Frequenzanalysemethoden statt und Ansätze für die Weiterentwicklung werden herausgearbeitet. Einerseits führt dies zur Konstruktion einer neuen störunempfindlichen Weitbereichsspektralzerlegung, welche Ansätze der dyadischen Wavelettransformation mit der Diskreten Fourier-Transformation verbindet. Andererseits wird ein neues Rahmenverfahren für die verzögerungsarme Schätzung der Bewegungsparameter des Fahrzeuges aufgrund seines physikalischen Bewegungsmodells hergeleitet und mit einem hochgenauen Frequenzauswerteverfahren kombiniert. Beide Verfahren basieren auf blockweisen diskreten Spektralzerlegungen, deren prinzipielle Nachteile gegenüber kontinuierlichen Ansätzen weitgehend kompensiert werden können. Durch die Blockorganisation lassen sich neuartige wissensbasierte Spektralfilter selektiv zur Unterdrückung starker bahnanwendungstypischer Störeinflüsse einsetzen.

Das Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ist zu einem konventionellen Fügeverfahren geworden. Dies gilt unabhängig von der Art der Strahlquelle, der Strahlführung und für die gesamte Sicherheits-, Steuerungs-, Automatisierungs- und Vorrichtungstechnik. Mehr und mehr Baugruppen sind speziell für die Laserverfahren konstruiert, nutzen deren spezifischen Eigenschaften gezielt aus und können nicht mehr mit anderen Fügeverfahren hergestellt werden. Unterschiedliche Schweißnaht-Merkmale sind nicht durch die Lasertechnik verursacht, sondern zumeist in ungünstigen Spannbedingungen oder Bauteil-, Werkstoff- oder Beschichtungsabweichungen begründet. Trotz der hohen Präzision aller Fertigungskomponenten treten durch die Sensibilität des Fügeprozesses bedingte systematische und stochastische Nahtunregelmäßigkeiten auf. Systematisch erkennbare Ursachen sind die wenigen hundertstel bis zehntel Millimeter Bauteilgeometrie-, Positions- oder Beschichtungsabweichungen bzw. Toleranzen, deren umfassende Beherrschung noch aussteht. Unabhängig davon treten scheinbar zufällige Unregelmäßig-keiten trotz allseits optimaler Bedingungen auf. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um aus Prozesssignalen mit einer erstaunlich einfachen Vorgehensweise entstandene Schweißnahtmerkmale zu prognostizieren. Die Merkmalseinteilung lehnt sich an der maßgeblichen Prüfvorschrift an und erreicht schon in dieser frühen Entwicklungsphase einen guten bis sehr guten Bewertungsgrad. Begründet und untermauert wird diese Methode mit der Erweiterung der bestehenden Modellvorstellung zur Laserstrahl-(Stahl)Werkstoff-Wechselwirkung vom Einschweißen zum Ver-schweißen der Nahtform I-Naht am 2-Blech Überlappstoß verzinkter Bleche. Die Vorgänge im Schweißprozess für jedes prognostizierbare Nahtmerkmal sind skizziert, begründet und mit den Prozessemissionen in Zusammenhang gebracht.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141 / The laser welding in the car body shop has become a conventional joining process. This is independent from the type of the laser beam source, the course of the radiation and for the complete safety-, control-, automation- and equipment-technology. More and more modules are especially designed for the laser procedure, use their specific characteristics and cannot be produced by any other joining processes. Different characteristics of welds are not caused by the laser technique, but mostly due to unfavourable clamping conditions or because of tolerances of parts, material or coating. Despite the big precision of all production components, systematic and stochastic welding imperfections appear due to the sensibility of the joining process. Systematically identifiable causes are the deviations or tolerances of a few hundredths to tenths of a millimetre concerning the component’s geometry, positions and coatings, whose complete control is still due. Independent from that appear seemingly random irregularities, despite the well-optimal conditions. In result to this work, a method for pre-calculating welding characteristics through an amazingly simple approach was developed. The classification is based on the test specification and achieved even at this early stage of development a good or very good rating level. This method is justified and supported through the addition of the already existing image of the model to the laser/material interaction; from weld-in to the weld-together of square butt form- seams on 2 zinc coated sheets lap joint. The transactions within the welding process for each pre-calculated seam-characteristic are outlined, justified and related to the process emissions in context.:1 Einleitung .............................................................................................................................. 1 2 Stand der Technik .................................................................................................................. 3 2.1 Laserstrahlen im Karosseriebau...........................................................................................3 2.1.1 Laseranwendungen im Karosseriebau bei Volkswagen ................................................... 5 2.1.2 Golf, Passat, Phaeton und Bentley Fertigung bei Volkswagen Sachsen ........................... 6 2.1.3 Prozessbesonderheiten beim Laserstrahlschweißen im Karosseriebau ........................... 9 2.1.4 Entwicklungstendenzen der Laseranwendung im Karosseriebau ................................... 11 2.2 Qualitätssicherungsmethoden für Laserfügeverbindungen im Karosseriebau ................. 14 2.2.1 Offline Prüfung .............................................................................................................. 14 2.2.2 Inline Prüfung................................................................................................................ 19 2.2.3 Prozessüberwachung beim Laserstrahlschweißen ....................................................... 23 3 Nahteigenschaften ............................................................................................................. 27 3.1 Übersicht der Nahtunregelmäßigkeiten ........................................................................... 27 3.2 Einflüsse auf Nahteigenschaften ......................................................................................27 3.3 Thermische Verformung, Schrumpfung, Eigenspannungen, Verzug ................................. 30 4 Problemstellung, Zielsetzung und Systematik zur Lösungsfindung .................................. 32 4.1 Problemstellung............................................................................................................... 32 4.2 Zielsetzung ..................................................................................................................... 33 4.3 Systematik zur Lösungsfindung ........................................................................................33 5 Durchgeführte Untersuchungen ......................................................................................... 34 5.1 Basistechnik .....................................................................................................................34 5.1.1 Laserstrahlquelle .......................................................................................................... 34 5.1.2 Bearbeitungswerkzeug und Sensoren ...........................................................................34 5.1.3 Kamera ...........................................................................................................................36 5.1.4 Spektrale Einordnung und Sichtbereiche der Sensoren ..................................................38 5.1.5 Laserzelle und Roboter.....................................................................................................40 5.2 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Photodetektoren ........................................... 40 5.2.1 Analyse Toleranzbandmethode ........................................................................................ 40 5.2.2 Statistische Analyse von Einflussgrößen............................................................................................. 43 5.2.3 Einzelanalyse der Einflussgröße Spalt ................................................................................................ 49 5.2.4 Spaltverträglichkeit dünner Strukturbleche ......................................................................................... 52 5.2.5 Einführung der MILLIMETERPEGEL ..................................................................................................... 54 5.3 Inprozess Untersuchungen – Schwerpunkt Prozessbildbewertung .................................... 58 5.3.1 Analyse LWM-C ................................................................................................................................. 58 5.3.2 Messung der Dampfkapillare und der Schmelzbadlänge ..................................................................... 70 5.3.3 Off-axis Prozessbeobachtung ............................................................................................................... 71 5.3.4 Charakterisierung der Durchschweißung ............................................................................................. 72 5.3.5 Auslegung geeigneter Schweißprozessbeleuchtung ............................................................................. 75 5.3.6 Koaxiale und off-axis Beobachtungen ................................................................................................. 79 6 Nahteigenschafts-Bewertungsmethode ............................................................................... 86 6.1 Vorgehensweise ........................................................................................................................86 6.2 Durchgangslöcher, Poren, Endkrater ....................................................................................95 6.3 Aussagesicherheit .....................................................................................................................95 7 Modellbildung ...................................................................................................................... 97 7.1 Anfang und Ende der Schweißnaht ........................................................................................98 7.2 Nahtmerkmal „Spritzer“ (0-Spaltschweißen) .......................................................................99 7.3 Nahtmerkmal „In Ordnung“ ................................................................................................102 7.4 Nahtmerkmal „Geringer Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ .................................................104 7.5 Nahtmerkmal „Starker Nahtein- bzw. Wurzelrückfall“ ....................................................106 7.6 Nahtmerkmal „Oben geschnitten“ .......................................................................................108 7.7 Nahtmerkmal „Falscher Freund“ (nicht verschweißt) .......................................................110 8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 112 9 Verzeichnisse ...................................................................................................................... 115 9.1 Literatur .................................................................................................................................115 9.2 Normen ...................................................................................................................................124 9.3 Abkürzungen ..........................................................................................................................125 9.4 Formelzeichen .........................................................................................................................127 9.5 Abbildungen ...........................................................................................................................127 10 Anlagen ............................................................................................................................... 132 10.1 Nahtunregelmäßigkeiten an Laserschweißnähten ..............................................................132 10.2 Sensor-Fehler-Übersicht ........................................................................................................137 10.3 Fehler-Ursachen-Parameter ..................................................................................................139 10.4 Arbeitsplan – Versuchsabfolge und Resultate .....................................................................141

Ein wichtiger Aspekt bei der Beurteilung und Gegenüberstellung von Fahrzeugantriebskonzepten sind Prognosen zu deren zukünftigen Entwicklung hinsichtlich gesellschaftlicher, ökonomischer und technischer Kriterien. Zukünftige technologische Potenziale von Fahrzeugantriebskonzepten und damit verbundene technologische Begleitaspekte nehmen hierbei eine wichtige Rolle im Rahmen der Antriebskonzipierung der frühen Konzeptphase ein. In dieser Arbeit wird eine in weiten Teilen simulationsbasierte Methodik für die Ermittlung und Analyse entsprechender Potenziale entwickelt. Die Methodik bildet dabei eine Kombination aus Expertenbefragungen und einer Metaanalyse für die Identifikation von Prognosen zu Antriebsstrangkomponenten sowie Verfahren der Modellierung und Simulation für die Ermittlung von Prognosen zu Fahrzeugantriebskonzepten. Die Praxistauglichkeit sowie der Nutzen der Methodik werden anhand von zwei exemplarischen Anwendungen präsentiert. Die erste Anwendung umfasst die Analyse eines beispielhaften PHEVs hinsichtlich der zukünftigen Potenziale im Bereich des Kraftstoffverbrauchs und der rein elektrischen Reichweite. Die zweite Analyse stellt ein exemplarisches BEV und ein FCHEV in Bezug auf die zukünftigen Potenziale hinsichtlich der Reichweite und der Antriebsstrangherstellkosten gegenüber. Darüber hinaus erfolgen in beiden Anwendungen Analysen zu Grenzpotenzialen, technologischen Ursachen, Fehlereinflüssen und weiteren technologischen Fragestellungen.:1 Einleitung 2 Forschungsumfeld, Handlungsbedarf und Vorgehensweise 3 Grundlagen, technischer Stand und Perspektiven der Fahrzeugantriebstechnologien 4 Methodisches Vorgehen und Methodikaufbau 5 Anforderungsspezifische Modellierung im Simulationsmodell 6 Prognosen zu Antriebsstrangkomponenten 7 Systematische Analyse der zukünftigen Potenziale von Antriebskonzepten 8 Anwendung und Ergebnisdiskussion 9 Zusammenfassung und Ausblick A Programmiertechnische Umsetzung B Bewertung von Antriebskonzepten C Datenbasis und Ergebnisse der Methodikanwendung / An important aspect in the assessment and comparison of vehicle powertrain concepts are forecasts with respect to the future development of these concepts regarding societal, economical as well as technological criteria. In this context, future technological potentials of vehicle powertrain concepts and related technological issues and effects play an important role, especially within the early powertrain conception phase. This work presents a mainly simulation-based methodology for the evaluation und analysis of respective technological potentials. The methodology comprises a combination of expert surveys and a meta-analysis for the identification of powertrain component forecasts and methods in the field of modelling and simulation for the evaluation of powertrain concept forecasts. Two exemplary applications are conducted to present the practicability and utility of the methodology. The first one comprises the analysis of an exemplary PHEV regarding its future potentials with respect to the fuel consumption and the purely electric range. Within the second one, an exemplary BEV and an exemplary FCHEV are compared with regard to future range and powertrain costs potentials. In addition to that, within both methodology applications, analyses with respect to technological limits, technological reasons, fault effects and further technological issues are conducted.:1 Einleitung 2 Forschungsumfeld, Handlungsbedarf und Vorgehensweise 3 Grundlagen, technischer Stand und Perspektiven der Fahrzeugantriebstechnologien 4 Methodisches Vorgehen und Methodikaufbau 5 Anforderungsspezifische Modellierung im Simulationsmodell 6 Prognosen zu Antriebsstrangkomponenten 7 Systematische Analyse der zukünftigen Potenziale von Antriebskonzepten 8 Anwendung und Ergebnisdiskussion 9 Zusammenfassung und Ausblick A Programmiertechnische Umsetzung B Bewertung von Antriebskonzepten C Datenbasis und Ergebnisse der Methodikanwendung