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Valerio Castelli
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Alfa Romeo Q2
1. Einleitung Das Q2-System geht aus der Erfahrung von Alfa Romeo im Bereich des Allradantriebs
hervor und versieht die Fahrzeuge mit Frontantrieb mit einigen Features des Vierradantriebs. Der Name „Q2“ steht für die Kombination der Doppelquerlenker-Vorderradaufhängung mit dem Torsen-Sperrdifferenzial.
2. Zielstellungen Der Alfa 147 und der Alfa GT sind, aufgrund des markentypischen Fahrvergnügens, in
Bezug auf das Fahrverhalten und das Lenkgefühl Referenzmodelle in ihrem Segment. Um diesen Pluspunkt zu betonen, wurden die technischen Details mit den folgenden
Resultaten weiterentwickelt: - Verringerung des Untersteuerns im Grenzbereich und Steigerung der maximalen
Querbeschleunigung; - Steigerung der Traktion bei Kurvenfahrt und Verringerung der Empfindlichkeit
gegenüber dem Antriebsmoment, ähnlich einem Fahrzeug mit Allradantrieb; - Verringerung der Eingriffe der elektronischen Systeme für die
Fahrstabilitätskontrolle (VDC) und die Traktionskontrolle (ASR), um das Fahrvergnügen bei sportlicher Fahrweise zu steigern;
- Steigerung der Traktion auf Fahruntergründen mit ungleichem Grip unter Fahrbedingungen, bei denen an einem Fahrzeug mit „offenem“ Differential das maximale Antriebsmoment, das auf den Fahruntergrund übertragen werden kann, von dem Rad mit schlechteren Haftbedingungen begrenzt wird;
- Kein „Torque Steering“ (Lenkreaktionen beim Gasgeben). Die Kombination von Doppelquerlenker-Vorderachse und Sperrdifferential optimiert
vermittels einer entsprechenden Feineinstellung die Ausnutzung der Bodenhaftung.
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Accelerazione
Frenata
Curva SX Curva DX
A pari accelerazione longitudinale, la Q2 è in grado di sviluppare maggiore forza laterale, riducendo il sottosterzo
A pari accelerazione longitudinale, la Q2 è in grado di sviluppare maggiore forza laterale, riducendo il sottosterzo
Accelerazione
Frenata
Curva SX Curva DX
A pari accelerazione longitudinale, la Q2 è in grado di sviluppare maggiore forza laterale, riducendo il sottosterzo
A pari accelerazione longitudinale, la Q2 è in grado di sviluppare maggiore forza laterale, riducendo il sottosterzo
Abb. 2. 1 – Funktionsprinzip: Im Diagramm g-g ist der Bereich des Fahrzeuges mit Torsen-Vorderachsdifferenzial größer als der Bereich des Fahrzeuges in Normalkonfiguration, da die Bodenhaftung optimal ausgenutzt wird. Das Differential gestattet, wenn es von einer optimierten Fahrwerkeinstellung begleitet wird, eine verbesserte Haftung der Vorderräder. Bei gleicher Querbeschleunigung entwickelt das Fahrzeug mit Q2-System eine erhöhte Seitenkraft.
Accelerazione
Frenata
Curva SX Curva DX
A pari accelerazione laterale, la Q2 èin grado di impegnare una trazione superiore, garantendo una maggior guadagno di velocità in uscita di curva.
A pari accelerazione laterale, la Q2 èin grado di impegnare una trazione superiore, garantendo una maggior guadagno di velocità in uscita di curva.
Accelerazione
Frenata
Curva SX Curva DX
A pari accelerazione laterale, la Q2 èin grado di impegnare una trazione superiore, garantendo una maggior guadagno di velocità in uscita di curva.
A pari accelerazione laterale, la Q2 èin grado di impegnare una trazione superiore, garantendo una maggior guadagno di velocità in uscita di curva.
Abb. 2. 2 – Funktionsprinzip: Bei gleicher Querbeschleunigung kann das Fahrzeug mit dem Q2-System eine größere Längsbeschleunigung entwickeln.
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3. Das Differenzial Am Alfa 147 Q2 und am Alfa GT Q2 kommt ein Torsen-Differenzial vom Typ B
zum Einsatz. Merkmale des Differenzials: - Drehmoment-Nennverteilung 50/50, im Unterschied zum Torsen-Differenzial vom
Typ C am Alfa Crosswagon, das über keine Drehmoment-Nennverteilung von 50/50 verfügt und daher nur als Mittendifferenzial einsetzbar ist;
- Sperrwirkung im Zugbetrieb: 25 %; - Sperrwirkung im Schubbetrieb: 30 %;
Die nachstehend aufgelisteten Besonderheiten des Torsen-Vorderachsdifferenzials vom Typ B waren die entscheidenden Faktoren bei der Auswahl aus einer großen Vielfalt an Differenzialtypen.
Input
Output 1
Output 2
Abb. 3. 1 – Schematische Darstellung des Torsen-Differenzials vom Typ B.
3.1 Ansprechzeiten Im Vergleich zu den Lösungen, bei denen ein elektronisch gesteuertes Differenzial zum Einsatz kommt, wartet das Torsen-Differenzial mit kürzeren Ansprechzeiten (de facto gleich Null) auf. Der Grund dafür ist die vollkommen mechanische Funktionsweise, bei der die Verzögerungszeiten entfallen, die in der typischen Wirkungskette Latenzzeit der Sensoren � Verarbeitung durch die Steuerlogik � Betätigung entstehen.
Abb. 3. 2 – Das unterschiedliche Funktionsprinzip eines mechanischen Torsen-Differenzials und eines elektronisch gesteuerten Differenzials.
TorsenTorsenTorque Transfer
Wheel Slip
ElectronicElectronicdetectiondetection
Response
time
Response
time
correctioncorrection
Wheel Slip
Torque Transfer
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3.2 Sperrwirkung Das Torsen-Differenzial gestattet eine unterschiedliche Sperrwirkung in Abhängigkeit vom Zug- und Schubbetrieb. Diese Besonderheit sorgt dafür, dass bei der Wahl der Tuningparameter ein weiterer Freiheitsgrad hinzugefügt werden kann. So können die Stabilisationswirkung und die Traktions- und Spurstabilitätseigenschaften separat gemanagt werden. Das Differenzial ist „torque sensitive“ (empfindlich gegenüber dem Eingangsdrehmoment) und im Unterschied zu den Differenzialen vom Typ „speed sensitive“ kann die Antriebsmomentübertragung zwischen den Abtriebswellen auch dann erfolgen, wenn ihre Drehzahl identisch ist. Diese Funktionsweise gestattet die Verkürzung der Ansprechzeiten des Systems bis auf unerhebliche Werte, denn das Torsen-Differenzial reagiert nicht auf den Schlupf eines Rades, sondern es beugt diesem vor.
∆T
Torque SensingTorque SensingTorque Sensing
Speed SensingSpeed SensingSpeed Sensing
ViscousViscous
Pump TypePump Type
∆N
Abb. 3. 3 – Übertragung des Antriebsmoments in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz der Abtriebswellen. Auch wenn diese die gleiche Drehzahl haben, kann das Torsen-Differenzial zwischen ihnen ein Antriebsmoment übertragen.
3.3 Target Deployment Die Leistungsmerkmale des Systems wurden rechnerisch anhand von Computermodellen evaluiert, die zuvor am Crosswagon validiert und auf die neue Anwendung abgestimmt wurden. Die Validierung erfolgte in einer Testkampagne auf Fahrbahnuntergründen mit hohem und niedrigem Grip. Die Computermodelle gewährleisten eine ausgezeichnete Abbildung der Resultate sowohl in Hinsicht auf das übertragene Antriebsmoment als auch in Hinsicht auf die Ansprechzeiten, so dass signifikante Angaben zum instationären Betriebsverhalten möglich sind.
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Abb. 3. 4 – Validierung des Computermodells anhand der Testdaten.
4. Die Radaufhängung Am Alfa 147 und Alfa GT kommt an der Vorderachse eine Doppelquerlenker-Aufhängung zum Einsatz. Im Vergleich zur McPherson-Aufhängung, die von den Wettbewerbern des C-Segments weitgehend eingesetzt wird, gestattet die Doppelquerlenker-Aufhängung das unabhängige Management der Lenkachsposition von der Domstrebenposition. Auf diese Weise wird in der Festlegung der Kinematikparameter ein weiterer Freiheitsgrad hinzugefügt, was die folgenden Vorteile erzeugt:
- Verringerung des Untersteuerns im Grenzbereich; - Verbesserung des Lenkgefühls sowohl in Hinsicht auf die Entwicklung des
Lenkradmoments als auch in Hinsicht auf die Ansprechzeit; - Verringerung der Empfindlichkeit der Lenkung gegenüber äußeren Einwirkungen
wie zum Beispiel gegenüber dem auf den Fahrbahnuntergrund übertragenen Antriebsmoment („Torque Steering“-Effekt).
Die Verringerung des „Torque Steering“-Effekts auf ein nicht mehr wahrnehmbares Niveau
erfolgt hauptsächlich dank dem verminderten Abstand des Radmittelpunktes zur Lenkachse in Frontansicht, der ungefähr der Hälfte des Wertes bei einer normalen McPherson-Vorderradaufhängung entspricht.
Calcolo delle coppie inviate all'anteriore e al pos teriore
2
CM_post_diff [Nm]
1
CM_ant_diff [Nm]
deltaomega [rad/s]
deltateta [rad]
locked
veri fica condizione di bloccaggio
deltateta [rad]
locked
deltaC [Nm]
differenziale bloccato
locked
deltaomega [rad/s]
C [Nm]
deltaC [Nm]
differenziale aperto
deltaomega [rad/s] deltaCv isc [Nm]
attri ti viscosi
Scope3
Scope2
Scope1
deltaC_C
Goto1
[C]
Goto
1/2
Gain1
1/2
Gain
[deltaC_C]
From2
[deltaC_C]
From1
[C]
From
u[1]/(1+Spli tRatio_C)
Calcolo C_post_spli t
u[1]*Spli tRatio_C/(1+Spl itRatio_C)
Calcolo C_ant_spl it
3
omegadiff_post [rad/s]
2
omegadiff_ant [rad/s]
1
C [Nm]
deltaomega [rad/s]
Modello matematico con capacità di soluzione iperstatica. Il modello è stato validato su Alfa Romeo Crosswagon mediante una campagna sperimentale su alta e bassa aderenza , ottenendo un’ottima corrispondenza sia in stazionario, sia nei transitori di coppia
Torque Distribution Range
-10
10
30
50
70
90
110
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Time [sec][%
]
I allest. - %FI allest. - %RII allest. - %FII allest. - %RTVO
5 6
5 6
Validierung
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6
Tiro in curva, 2a marcia, Ay=0.5g
0.2
0.25
0.3
0.35
5 5.2 5.4 5.6 5.8t (s)
Cvo
l (kg
m)
Quadrilatero
McPherson
Abb. 4. 1 – Lenkreaktion beim Beschleunigen in der Kurve. Rote Kurve: Fahrzeug mit Doppelquerlenker-Aufhängung an der Vorderachse; blaue Kurve: Fahrzeug mit McPherson-Vorderradaufhängung.
5. Entwicklung und Abstimmung des Systems
5.1 Radaufhängung und Differenzial Da das Torsen-Differenzial unverzüglich auf die Rahmenbedingungen reagiert und letztere von den auf den Fahruntergrund abgeleiteten Kräften erzeugt werden, war eine Abstimmung des Gesamtsystems Differenzial + Achsaufhängung notwendig. Als Hauptparameter galten:
- Sperrwirkung im Zug- und Schubbetrieb - Abstimmung der Vorder- und Hinterachsaufhängung in Bezug auf:
o Steifigkeit der Stabilisatoren o Steifigkeit der Federn o Einstellungen der Stoßdämpfer o Steifigkeit der Buchsen
Anhand von Rechnersimulationen wurden die Veränderungsbereiche der vorgenannten
Tuningparameter definiert, während die Feineinstellung anhand einer Reihe von Testkampagnen auf Fahruntergründen mit hohem und niedrigem Reibungsbeiwert ausgeführt wurde. In dieser Phase wurde besonders darauf geachtet, die Zielvorgaben unter Beibehaltung der typischen Eigenschaften des sportlichen Alfa Romeo Fahrverhaltens zu erreichen, was besonders für die Spurtreue und die Unempfindlichkeit gegenüber Zug- und Schubbetrieb bei Kurvenfahrt galt.
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Curva angolo volante / Curva angolo volante / accacc . laterale. laterale
Bloccaggio 33-43OpenBloccaggio 25-30
Abb. 5. 1 - Rechensimulationen: Vergleich des untersteuernden Verhaltens bei veränderter Sperrwirkung des Differenzials.
Curva angolo volante / Curva angolo volante / accacc . laterale. laterale
Barra anteriore gtaBarra ant/post 147Barra posteriore gta
Abb. 5. 2 - Rechensimulation: Beispiel für das Untersteuern bei veränderter Stabilisatoraufteilung.
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TraiettoriaTraiettoria
Con tirantiniAssenza di tirantini
Abb. 5. 3 - Rechensimulation: Vergleich zwischen verschiedenen Lenksystemkonfigurationen bei Beschleunigung in der Kurve.
6. Versuchsergebnisse
Die Feineinstellung fand sowohl bei starkem Grip als auch bei schwachem Grip (nasser Asphalt, Schnee, Eis) statt.
6.1 Stationärer Zustand Im stationären Zustand zeichnet sich das untersteuernde Verhalten des Fahrzeuges mit Q2-
System durch einen Eigenlenkgradienten im linearen Bereich (ay < 0,4 g bei hohem Grip) aus, der mit der Normalkonfiguration analog ist. Es weist einen graduelleren Übergang zwischen linearem und nichtlinearem Bereich sowie eine ausgeprägte Verringerung des Untersteuerns im nichtlinearen Bereich (ay > 0,7 g bei hohem Grip) auf, so dass die maximale Querbeschleunigung auf diese Weise um 5 % gesteigert werden kann. Die gleichen Merkmale sind auch bei niedrigem Grip anzutreffen.
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Giro di Pista stabilizzatoConfronto vetture
0
20
40
60
80
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
AY (g)
Sot
tost
erzo
(de
g)
147 open 147 Torsen Poli. (147 open) Poli. (147 Torsen)
Giro di Pista stabilizzatoConfronto vetture
0
20
40
60
80
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
AY (g)
Sot
tost
erzo
(de
g)
147 open 147 Torsen Poli. (147 open) Poli. (147 Torsen)--- NP
--- Q2AsciuttoAsciutto
Abb. 6. 1 – Stationärer Zustand, Streckenrunde auf dem Parcours „Langhe“: Verringerung des Eigenlenkgradienten im Grenzbereich und Steigerung der maximalen Querbeschleunigung (+5 %).
Giro di Pista stabilizzatoConfronto vetture
0
20
40
60
80
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8AY (g)
Sot
tost
erzo
(de
g)
147 open 147 Torsen Poli. (147 open) Poli. (147 Torsen)
Giro di Pista stabilizzatoConfronto vetture
0
20
40
60
80
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8AY (g)
Sot
tost
erzo
(de
g)
147 open 147 Torsen Poli. (147 open) Poli. (147 Torsen)--- NP
--- Q2 BagnatoBagnato
Abb. 6. 2 – Stationärer Zustand: Untersteuern auf nassem Asphalt.
6.2 Beschleunigung in der Kurve Die Versuchsmessungen stellen die erhöhte Traktion des Fahrzeuges mit Q2-System in
Verbindung mit einer geringeren Veränderung des Kurvenradius des durchfahrenen Kreisbahn heraus.
In Abbildung 6.2 und 6.3 sind die Ergebnisse einer Versuchsmessung dargestellt. Das Fahrzeug wird bei konstantem Lenkradwinkel beschleunigt. Es lässt sich feststellen, dass das Fahrzeug mit dem Q2-System weniger untersteuernd ist, so dass ein engerer Kreis bei zugleich höherer Geschwindigkeit gefahren werden kann. In diesem Fall ist der Eingriff der Traktionskontrolle nicht erforderlich.
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-40 -20 0 20 40 60 80 100 120-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
XG
Traiettoria Q2Traiettoria NP
Throttle-on
Sulla Q2, il migliore impegno di aderenza sulle ruote motrici permette di ridurre il sottosterzo e di massimizzare la trazione.
Sulla Q2, il migliore impegno di aderenza sulle ruote motrici permette di ridurre il sottosterzo e di massimizzare la trazione.
Maggiore distanza percorsa
Minore sottosterzo
µx
µy
µx
µy
µx
µy
µx
µy
Abb. 6. 3 – Beschleunigung in der Kurve bei konstantem Lenkradwinkel: Das Fahrzeug mit Q2-System gestattet die optimale Ausnutzung der verfügbaren Bodenhaftung unter Steigerung der Geschwindigkeit bei Kurvenausfahrt mit einer geringeren Veränderung des Kurvenradius.
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
XG
Traiettoria Q2Traiettoria NP
Throttle-on
Sulla vettura NP, l’intervento dei freni sulla ruota interna, congiuntamente al taglio della coppia motrice, permette alla vettura di evitare il pattinamentodelle ruote, ma non tutta la potenza disponibile viene scaricata a terra (taglio di coppia motrice + dissipazione di potenza nei freni).
Sulla vettura NP, l’intervento dei freni sulla ruota interna, congiuntamente al taglio della coppia motrice, permette alla vettura di evitare il pattinamentodelle ruote, ma non tutta la potenza disponibile viene scaricata a terra (taglio di coppia motrice + dissipazione di potenza nei freni).
Intervento ASR/ESP
BRAKE
Abb. 6. 4 – Der gleiche Vorgang wie in Abb. 6.3: In diesem Fall sind die Eingriffsmomente der Traktions-/Stabilitätskontrollsysteme am Fahrzeug in der Normalkonfiguration dargestellt, die das Durchdrehen der
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Räder zwar verhindern, aber nicht die Übertragung der gesamten verfügbaren Antriebskraft auf den Untergrund gestatten.
Tiro in curva
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3tempo (s)
∆∆ ∆∆ V
eloc
ità (k
m/h
)
Open
Q2
Abb. 6. 5 – Steigerung der Fahrgeschwindigkeit bei einer typischen Beschleunigung in der Kurve mit konstantem Lenkradwinkel: Die höhere Traktion des Fahrzeuges mit Q2-System tritt deutlich hervor.
6.3 Verzögerung in der Kurve Bei Verzögerung in der Kurve ist die Stabilität des Alfa 147 in der Normalkonfiguration ein Maßstab in der entsprechenden Fahrzeugklasse. Auf griffigem Fahruntergrund konnten keine Fahrbedingungen erzeugt werden, welche die Fahrzeugstabilität in Gefahr bringen. Um signifikante Abweichungen im Verhältnis zur Q2-Variante herauszustellen, war die Reproduktion von Extrembedingungen erforderlich, indem die Verzögerung bei niedrigem Grip (vereiste Fahrbahn) und unter Verwendung einer stabilisierten Kurve bei 85 % der maximalen Querbeschleunigung als Ausgangsbedingung erfolgte. In diesem Fall gestatten die stabilisierenden Eigenschaften des Q2-System die Aufrechterhaltung eines Schwimmwinkels von max. 2°, so dass der Fahrer ohne Eingriff des ESP die vollständige Kontrolle über das Fahrzeug behält.
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Accelerazione laterale media (g)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0 1 2 3 4 5t (s)
147 Q2147 NP
Velocità (km/h)
54
56
58
60
62
64
66
68
0 1 2 3 4 5t (s)
147 Q2147 NP
Velocità d'imbardata media (deg/s)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 2 3 4 5t (s)
147 Q2147 NP
Angolo di assetto medio (deg)
-6
-5
-4
-3
-2
-1
00 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
t (s)
147 Q2147 NP
Abb. 6. 6 – Verzögerung in der Kurve. Ausgangsbedingungen: 65 km/h, Lenkradwinkel 30°, Querbeschleunigung 0,25 g. Das Diagramm oben rechts zeigt, wie das Fahrzeug mit Q2-System zu Stabilisierung des Schwimmwinkels auf ungefähr 2° tendiert. Unter diesen Bedingungen ist kein Eingriff der Stabilitätskontrolle erforderlich. Der Kurvenverlau f ist ausschließlich das Ergebnis der Geschwindigkeitsverringerung, da die Querbeschleunigung stabil auf dem Anfangswert bleibt (Diagramm unten rechts).
6.4 µ-Split Bei seitenverschieden griffiger Fahrbahn gestattet das Sperrdifferenzial in Abhängigkeit von der gewählten Sperrwirkung die Übertragung eines größeren Antriebsmoments auf den Fahruntergrund. Diese Wirkung wird besonders bei niedrigen Reibungsbeiwerten deutlich.
Accelerazione mu_split sx/dx 1/0.4, 1a marcia da tr ascinato
-20
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
t (s)
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
FARF [%]VEL [km/h]GR_ANTDX [km/h]GR_ANTSX [km/h]AX [g]
Accelerazione mu_split sx/dx 1/0.4, 1a marcia da tr ascinato
-20
0
20
40
60
80
100
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
t (s)
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
FARF [%]VEL [km/h]GR_ANTDX [km/h]GR_ANTSX [km/h]AX [g]
Abb. 6. 7 – Die blau gekennzeichnete Kurve entspricht dem Verlauf der Längsbeschleunigung bei einer Beschleunigung auf der µ-Split Bahn ohne elektronische Systeme (ASR). Nach der instationären Anfangsphase stabilisiert sich das Fahrzeug mit offenem Differenzial (links) auf einer Längsbeschleunigung von 0,1 g, die von dem Rad mit schlechteren Haftbedingungen annulliert wird; am Q2 (rechts Diagramm) beträgt die Längsbeschleunigung durchschnittlich 0,2 g, da der Schlupf des weniger haftenden Rades begrenzt ist.
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7. Schlussfolgerungen In diesem Dokument haben wir den Entwicklungsprozess des Q2-Systems am Alfa 147 und am Alfa GT beschrieben, der zur gewünschten Verbesserung der Leistungsmerkmale in punkto aktive Sicherheit und Fahrvergnügen geführt hat. Diese Optimierungen erfolgten ohne die Einbußen (Schiefziehen unter Antriebseinfluss), wie sie bei gleichartigen Systemen üblich sind, dank einer perfekten Integration mit den Radaufhängungen der beiden Fahrzeugmodelle. In Hinsicht des Verhältnisses von Qualität, Kosten und Gewicht erweist sich das Q2-System für Fahrzeuge dieser Leistungsklasse als eine überlegene Alternative zu Allradantriebssystemen.