dubbel - spektrum.de · auf 1130 mrd. pkm. für die einzelnen verkehrsträger wer- den...

25
123 Herausgegeben von K.-H. Grote und J. Feldhusen Taschenbuch für den Maschinenbau 23. Auflage

Upload: doandung

Post on 11-Aug-2019

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

Der DUBBEL ist seit Generationen das Standardwerk der Ingenieu-re mit den Schwerpunkten Allgemeiner Maschinenbau und Verfah-rens- und Systemtechnik. Die laufende Neubearbeitung garantiert die Dokumentation des aktuellen Stands der Technik.

Als unverzichtbares Nachschlagewerk spricht der DUBBEL gleicher-maßen Studierende der Ingenieurwissenschaften als auch die in der Praxis tätigen Ingenieure an und stellt ihnen das erforderliche Basis- und Detailwissen des Maschinenbaus zur Verfügung.

Für die 23. Auflage wurden alle Kapitel aktualisiert und folgende Gebiete grundlegend überarbeitet: Automobiltechnik, Maschinendy-namik und adaptronische Systeme, Urformtechnik, Korrosion und Korrosionsschutz, Energietechnik und Energiewirtschaft, elektroni-sche Datenverarbeitung, Informationstechnologie, Qualitätsmanage-ment, thermischer Apparatebau, Elektrotechnik.

Die ausführliche Darstellung der Mathematik ist jetzt auch als DUBBEL MATHEMATIK erschienen. Außerdem ist sie unter www.dubbel.de abruf-bar.

123

Herausgegeben von K.-H. Grote und J. Feldhusen

Taschenbuchfür den Maschinenbau23. Auflage

Taschenbuch für den

Maschinenbau

23. Auflage

DUBBEL

Herausgegeben von

K.-H. Grote und J. Feldhusen

1

isbn 978-3-642-17305-9

springer.de

Page 2: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry — 2011/6/14 — 12:54 — page IV — le-tex

Herausgeber

Professor Dr.-Ing. Karl-Heinrich GroteOtto-von-Guericke-Universität [email protected]

Professor Dr.-Ing. Jörg FeldhusenRheinisch-Westfälische Technische Hochschule [email protected]

ISBN 978-3-642-17305-9 e-ISBN 978-3-642-17306-6

DOI 10.1007/978-3-642-17306-6

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1914, 1929, 1935, 1940, 1941, 1943, 1953, 1961, 1970, 1974, 1981, 1983,1986, 1987, 1990, 1995, 1997, 2001, 2005, 2007, 2011

Bibliografische Information der Deutschen BibliothekDie Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de aufrufbar.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die derÜbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk-sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherungin Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. EineVervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Gren-zen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig.Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be-rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne derWarenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermannbenutzt werden dürften.

Einbandgestaltung: eStudio Calamar S.L., F. Steinen-Broo, Girona/SpanienHerstellung und Satz: le-tex publishing services GmbH, LeipzigDruck und Verarbeitung: appl druck, Wemding

Anzeigen: Elke Tismer, Springer, Heidelberger Platz 3, 14197 BerlinTel. 030/8 27 87-57 29, Fax 030/8 27 87-53 00, e-mail: [email protected]

Gedruckt auf säurefreiem Papier

Springer ist ein Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science + Business Media (www.springer.com)

Page 3: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 1 — le-tex

Q

Q Fahrzeugtechnik

M. Hecht, Berlin; T. Keilig, Stuttgart; U. Kleemann, München; O. Polach, Winterthur; V. Schindler, Berlin;R. Voit-Nitschmann, Stuttgart

1 Kraftfahrzeugtechnik

V. Schindler, Berlin

1.1 Definition von Kraftfahrzeugen

Kraftfahrzeuge sind selbstfahrende, maschinell angetriebeneLandfahrzeuge, die nicht an Gleise gebunden sind. Sie die-nen dem Transport von Personen und Gütern und sind dieBasis für eine weiträumige und feingliedrige Arbeitsteilung.Sie erlauben die vielfältig differenzierte Darstellung von Sta-tusansprüchen. Sie dienen auch dem Vergnügen. Eine fastunübersehbare Vielfalt von Varianten und speziellen Ausfüh-rungen ist entstanden.Die UN-ECE (United Nation – Economic Commission forEurope) hat ein Gliederungsschema für Kfz festgelegt, dasvor allem in der europäischen Gesetzgebung viel verwendetwird [1]. Die wichtigsten Fahrzeugkategorien sind danach:

Leichte Fahrzeuge:

L1 Leichtkrafträder, die nicht schneller als 50 km=h fahrenkönnen; im Falle des Antriebs durch eine thermische Maschinedarf diese maximal 50 cm3 Hubraum aufweisen.

L2 Leichtkrafträder wie L1, aber mit drei Rädern.

L3 Krafträder, die schneller als 50 km=h fahren können; imFalle des Antriebs durch eine thermische Maschine darf diesemehr als 50 cm3 Hubraum aufweisen.

L4 wie L3 aber mit drei, bezüglich der Längsachse asymme-trisch angeordneten Rädern (z. B. Motorrad mit Seitenwagen).

L5 wie L3, aber mit drei symmetrisch angeordneten Rädern(z. B. Piaggio Ape, Trike).

L6 4-rädrige Fahrzeuge mit einem Leergewicht < 350 kg, imFalle eines Elektronantriebs ohne Batterie, die nicht schnellerals 45 km=h fahren können und bei denen der Hubraum einesOttomotors nicht mehr als 50 cm3 oder die Leistung eines an-deren Motors mit innerer Verbrennung nicht mehr als 4 kWoder die maximale Dauerleistung eines Elektromotors nichtmehr als 4 kW beträgt (z. B. Quad, Quadricycle).

L7 4-rädrige Fahrzeuge, die nicht unter L6 fallen, mit einemLeergewicht < 400 kg (< 550 kg für Fahrzeuge zum Güter-transport), im Falle eines Elektronantriebs ohne Batterie, miteiner Leistung <15 kW.

Kfz mit mindestens vier Rädern für die Beförderung von Per-sonen:

M1 Pkw mit 59 Sitzplätzen inkl. Fahrer, <5 t zGG (zulässi-ges Gesamtgewicht)

M2 Kleinbus mit =9 Sitzplätzen inkl. Fahrer, <5 t zGG

M3 Bus mit =9 Sitzplätzen inkl. Fahrer, >5 t zGG.

Für die Busse wird weiter danach unterschieden, ob stehendePassagiere erlaubt sind oder nicht.

Kfz mit mindestens vier Rädern für den Transport von Gütern(Lkw):

N1 Lkw mit <5 t zGG

Tabelle 1. Maximale Längen von Kfz im öffentlichen Straßenverkehrin Deutschland nach § 32 StVZO und 1996/53/EG

Art des Fahrzeugs Länge

Kraftfahrzeug (ausgenommen Kraftomnibusse) 12,00 mAnhänger 12,00 mSattelkraftfahrzeug 16,50 mLastzug 18,75 mzweiachsiger Kraftomnibus 13,50 mKraftomnibus mit mehr als zwei Achsen 15,00 mGelenkbus 18,75 mKraftomnibus und Anhänger 18,75 m

N2 Lkw 5 t<zGG<12 t

N3 Lkw >12 t zGG.

Die Kategorien O1 bis O4 beschreiben verschiedene Ausfüh-rungsformen von Anhängern.Außer Einzelfahrzeugen sind Gespanne aus Zugmaschine undeinem Anhänger bzw. Sattelauflieger zugelassen (§ 32a StV-ZO Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung). Über die generelleEinführung von Fahrzeugkombinationen mit zwei Anhängern(Gigaliner, Euro-Kombi) wird diskutiert; derzeit sind nur weni-ge mit Ausnahmegenehmigungen im Betrieb; anders in Schwe-den.Innerhalb jeder der Kategorien gibt es zahlreiche Ausführungs-formen. Speziell für die besonders zahlreichen M1-Fahrzeuge(Pkw) gibt es feine Untergliederungen nach der Form der Ka-rosserie von Mini bis Luxury und von Sportwagen bis Van.Eine weitere wichtige Kategorisierung unterscheidet nach derAnordnung des Antriebsstrangs (Bild 1). Überwiegend werdenPkw und leichte Nfz mit Frontantrieb mit quer oder auch längseingebautem Motor angeboten, dazu kommen Fahrzeuge mitStandardantrieb mit Motor längs vorne und Achsantrieb hintenund mit Allradantrieb in zahlreichen Varianten. Pkw mit hintenoder mittig eingebauten Motoren sind selten. Es gibt zahlrei-che weitere Einbauvarianten wie z. B. Transaxle (Motor vorne,Getriebe an der Hinterachse).Die maximalen Abmessungen der Kfz im öffentlichen Straßen-verkehr sind beschränkt (Tab. 1). Die Breite darf in Deutsch-land höchstens 2,55 m (2,60 m bei Kühlaufbauten), die Höhe4,00 m betragen. Die maximale Masse wurde auf 40 t (44 t imkombinierten Verkehr mit intermodaler Transportkette) festge-legt. Die zulässigen Achslasten betragen in der Regel nichtmehr als 11,5 t. Die zuständigen Behörden können Ausnah-men von diesen Regelungen zulassen. In der Regel werdendann besondere Auflagen bezüglich Fahrzeugtechnik, Qualifi-kation der Fahrer, Strecken usw. festgelegt. Einige europäischeLänder weichen bei den Abmessungen und Massen für Lkw-Kombinationen ab (Schweden bis 24 m Länge und 60 t Masse).

1.2 Bedeutung von Kraftfahrzeugen

Anfang 2010 waren in Deutschland 50,14 Mio. Kraftfahrzeuge(Pkw, Lkw, Sattelzugmaschinen, Omnibusse, Krafträder, an-dere Kfz und Kraftfahrzeuganhänger) zugelassen. Die größte

K.-H. Grote, J. Feldhusen (Hrsg.), Dubbel, 23. Aufl., DOI 10.1007/978-3-642-17306-6_17, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

Page 4: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 2 — le-tex

Q 2 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

FRONT-QUER HECKFRONT-LÄNGS

FRONT75%

ALLRAD3%

FRONT1%

HECK16%

ALLRAD4%

HECK<1%

Bild 1. Gegenüberstellung der Antriebsarten und deren weltweiten Marktanteilen [4]

Gruppe bildeten mit 41,74 Mio. Fahrzeugen und einem An-teil von 83,2 % die Pkw. Hinzu kamen 3,76 Mio. Krafträder(7,5 %) und 2,39 Mio. Lkw (4,8 %). Im Jahr 2004 unter-nahm jeder Inländer durchschnittlich 707 Fahrten pro Jahrim motorisierten Individualverkehr (MIV), d. h. mit Pkw bzw.Motorrad. Im Zehn-Jahres-Vergleich ist die Verkehrsleistungim MIV um 8,6 % angestiegen. Im Jahr 2006 belief sie sichauf 882,6 Mrd. Personen-km (Pkm) [2]. Der Bundesverkehrs-wegeplan (BVWP) [3] 2003 prognostiziert im Rahmen einesmittleren Szenarios ein Wachstum der Verkehrsleistung im mo-torisierten Personenverkehr zwischen 1997 und 2015 um 20 %auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer-den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%,öffentlicher Personennahverkehr C4 %, Eisenbahn C32 %,Luftverkehr C103%. Im Güterverkehr stieg der Anteil der Lkwan der gesamten Beförderungsleistung von 61,8 % in 1991auf 69,6 % in 2004. Gemäß BVWP wird erwartet, dass dieBeförderungsleistung im Fernverkehr auf der Straße, mit derEisenbahn und dem Binnenschiff von 1997 bis 2015 um ins-gesamt 64 % auf 608 Mrd. tkm (Tonnen-km) steigen wird. BeiBeseitigung der für die Bahn bestehenden Kapazitätsengpässeergeben sich folgende Wachstumsprognosen für den Güter-fernverkehr: Lkw C58 %, Eisenbahn C103 %, BinnenschiffC39%. Für den Straßengüternahverkehr wird ein Wachstumvon 26 % auf 84 Mrd. tkm erwartet.Zur Bewältigung dieser Straßenverkehre ist eine Vielzahlvon Fahrzeugtypen entstanden. Die Entscheidungsgründe ei-nes Kunden für den Erwerb eines bestimmten Fahrzeugtypssind außerordentlich vielfältig. Während bei Nfz in der Regelwirtschaftliche Überlegungen unter Berücksichtigung des ge-samten Lebenszyklus von der Beschaffung über den Betriebmit Kosten für Kraftstoff, Versicherung, Service, Reparatur,ggf. Straßenmaut bis zum Weiterverkauf des gebrauchten Fahr-zeugs oder zum Recycling den Ausschlag geben (Total Costof Ownership), spielen bei privaten Pkw Fragen des per-sönlichen Geschmacks, der Emotionalität des Fahrzeugs, desdamit vermittelten Status usw. eine große Rolle. Die Indus-trie trägt diesen Bedürfnissen mit dem Angebot einer Vielzahlvon Karosserie-, Motorisierungs- und AusstattungsvariantenRechnung. Die Prozesse der Produktentwicklung und der Pro-duktion, wie auch die Fahrzeugplattformen und Komponen-tenbaukästen wurden so verfeinert, dass sehr weitgehend indi-vidualisierte Pkw kundenspezifisch hergestellt werden können(„Losgröße 1“).Die große Bedeutung des motorisierten Verkehrs hat es erfor-derlich gemacht, viele Aspekte der Zulassung und des Betriebszu reglementieren. So ist ein dichtes Geflecht von Vorschrif-ten entstanden, das Mindestanforderungen für Aktive und

Passive Sicherheit, Abgas- und Geräuschemissionen, Kraft-stoffverbrauch, Recyclingeigenschaften usw. festlegt (Tab. 2und 3). Außerdem müssen die Fahrzeuge regelmäßig gemäߧ 29 StVZO auf ihre Verkehrssicherheit und die Einhaltung vonEmissionsvorschriften überprüft werden (Hauptuntersuchung).Auch die Bedingungen zum Erwerb der Fahrerlaubnis sind im-mer wieder verfeinert worden.

1.3 Karosserie

Die Karosserie (engl.: car body) ist die übergreifende Struktur,die allen anderen Komponenten des Fahrzeugs ihren Platz zu-weist. Sie bestimmt das Erscheinungsbild eines Fahrzeugs. DieGrundfunktionen der Karosserie sind– Tragende Struktur für Fahrwerk, Antrieb, Ausstattung– Schutz der Insassen und der Komponenten vor Umweltein-

flüssen– Schutz im Crashfall– Gestaltgebung.Man kann die Tragstruktur mit den Aufgaben– Aufnahme aller Kräfte und Momente– Gestaltfester Innenraum– Zonen für die definierte Aufnahme von Deformationsener-

gie in der Peripherie– Aufnahme des Fahrwerks inkl. der Lenkung und der Brem-

sen, der Antriebsaggregate, der gesamten Ausstattung, derInsassen und der Zuladung

und die Außenhaut mit den Aufgaben– Schutz vor äußeren Einflüssen– Design– Aerodynamik/Aeroakustikvoneinander unterscheiden.Bei der Auslegung einer Rohkarosserie (engl.: body in white)stehen zunächst die geometrischen Randbedingungen im Vor-dergrund. Dazu gehören: Unterbringung aller Komponenten,die für die Funktion erforderlich sind, der Insassen und dersonstigen Zuladung, Öffungsmöglichkeiten für Türen, Klap-pen, Schiebedach usw., geometrische Erfordernisse für denBetrieb wie Bodenfreiheit, Böschungswinkel, Bordsteinfrei-heit, Rampenwinkel, Radfreigängigkeit, Schneekettenmonta-ge, Sichtverhältnisse für den Fahrer usw.Eine gute Passive Sicherheit erfordert zunächst einen Raumfür die Insassen, der bei einem Unfall undeformiert bleibtund vor dem Eindringen von Fremdkörpern (Intrusion) ge-schützt ist. Dies wird durch eine äußerst stabil ausgelegteSicherheitszelle erreicht. Ziel bei einem Frontalcrash ist es,möglichst viel kinetische Energie schon im Vorderwagen in

Page 5: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 3 — le-tex

1.3 Karosserie Q 3

Q

Bild 2. Rohkarosserie eines 5er BMW (MJ 2010): Für die dunkel angelegten Trägerstrukturen wurde warm umgeformter, höchstfester Stahl verwendet,die vorderen Federbeindome werden aus Aluminium gegossen (Quelle BMW Group)

plastische Deformation oder andere Formen der Materialzer-störung umzusetzen und die restliche Energie großflächig indie Fahrgastzelle einzuleiten. Die vorderen Längsträger wer-den daher so gestaltet, dass sie sich durch Faltenbeulen undBiegen verformen und dabei viel Energie aufnehmen.In der Regel wird bei einem Unfall nur ein Teil der Fahrzeug-front getroffen (Offset-Crash). Um auch die stoßabgewandtenStrukturen zur Aufnahme von Energie heranzuziehen, müssendie Kräfte entsprechend verteilt werden. Das geschieht u. a.durch geeignet gestaltete Stoßfängerträger und andere Quer-strukturen.Bei einem Heckcrash gelten weitgehend die Auslegungsprin-zipien für den Frontalcrash analog. Der Kraftstofftank wird beiPkw in der Regel oberhalb der Hinterachse unter den hinte-ren Sitzen eingebaut. Damit ist er auch bei einem Heckaufprallweitgehend geschützt.Beim seitlichen Aufprall eines anderen Kfz erfolgt die Einlei-tung der Last über die A- und B-Säule bzw. B- und C-Säule unddie in die Türen integrierten, meist diagonal angeordneten Auf-prallträger. Bei einem seitlichen Pfahlaufprall (z. B. Schleude-runfall gegen einen Baum) muss die Kraft über Schweller undDachrahmen aufgenommen werden.Von großer Bedeutung bei der Auslegung der Karosserie sindneben der Passiven Sicherheit akustische Eigenschaften. An-forderungen sind z. B.:– Die globalen Eigenfrequenzen der Karosserie müssen deut-

lich von denen der Achsen und des Antriebs getrenntwerden.

– Das Eindringen von Luftschall in den Innenraum muss ver-mieden werden.

– Pfade für das Weiterleiten von Körperschall müssen unter-brochen werden.

Daher sollten flächenhafte Tragstrukturen vermieden und sta-tische und dynamische Kräfte möglichst über Trägerstrukturenübertragen werden.Die Karosserie muss die Betriebslasten und definierte Miss-brauchslastfälle ohne Beeinträchtigung von Sicherheit undFunktion ertragen können. Es müssen adäquate, nicht zu auf-wändige Reparaturmethoden für Schäden an der Karosserie zurVerfügung stehen.Die Aufgaben und Einsatzbedingungen eines Fahrzeugs be-stimmen die Art des Aufbaus und des Fahrgestells (Chassis).Man unterscheidet nach dem Konstruktionsprinzip:– Fahrzeuge mit ebenem Rahmen (Leiterrahmen, engl.: lad-

der frame)

– Fahrzeuge mit dreidimensionalen Rahmen- oder Gitter-strukturen (Spaceframe, Gitterrohrrahmen)

– Fahrzeuge mit selbsttragender Karosserie

– Monocoque-Bauweise unter Verwendung von Hochleis-tungskunststoffen.

Bei leichten Transportern mit Pritsche, schweren Lkw und vie-len Off-Road-Fahrzeugen dient ein Rahmen als Basis für dieKarosserie, die selber keine tragende Funktion haben muss. Erdient als Tragstruktur für Antrieb, Fahrwerk und Aufbauten.Vorteil der Rahmenbauweise ist die hohe Variantenflexibili-tät, die einfache Realisierbarkeit eines Baukastens mit großemGestaltungsspielraum, die gute Eignung für spezialisierte Auf-bauten und die hohe Belastbarkeit.Funktionale Anforderungen und vor allem wirtschaftliche As-pekte haben zur Entwicklung der selbsttragenden Karosserieaus Stahlblech geführt. Sie hat sich im Bereich der Pkw undder Transporter praktisch vollständig durchgesetzt. Bei ihr bil-det das Tragwerk zur Aufnahme von Antrieb und Fahrwerkeine Einheit mit der Karosserie. Die Träger werden jeweils ausmindestens zwei Schalen aus tiefgezogenen Blechen zusam-mengefügt. Durch die Gestaltung der Trägerquerschnitte, derKnotenstrukturen zwischen den Trägern und der verschließen-den Blechfelder werden sowohl die mechanisch-strukurellenals auch die geometrischen Anforderungen an die Karosserieerfüllt. Die Blechstärke beträgt von 0,6 mm bis über 2 mm. Diekonstruktiv erforderliche Materialstärke wird an vielen Stel-len durch die erforderliche Festigkeit definiert. Hier erlaubenhöher- und höchstfeste Materialien Wanddickenreduzierungen.Die Karosserien moderner Pkw bestehen bis zu über 80 % aussolchen Stahlqualitäten (Bild 2).Die Rohkarosserie eines Mittelklasse-Pkw entsteht aus ca. 300Blechteilen; hinzu kommen zahlreiche Kleinteile wie ange-schweißte Schraubbolzen zur Befestigung von Anbauteilen.Der gesamte Prozess von der Anlieferung der Bleche über denZuschnitt, das Tiefziehen bis hin zum Fügen erfolgt bei Groß-serienprodukten weitgehend automatisiert. Als Fügetechnikwird ganz überwiegend das Widerstands-Punktschweißen ein-gesetzt; für eine Karosserie werden ca. 4700 Schweißpunktebenötigt. Es wird durch Laserschweißen und Schutzgasschwei-ßen ergänzt. Bei neueren Fahrzeugkonstruktionen kommenvermehrt Punktschweiß-Kleben und Strukturkleben zum Ein-satz.Durch präzise Anpassung der Materialstärke an die mecha-nische Anforderung können erhebliche Gewichtseinsparun-gen erzielt werden. Dieser Gedanke führt zum Konzept der

Page 6: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 4 — le-tex

Q 4 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Bild 3. Aluminium-Spaceframe des Audi A8 (MJ 2010) aus Strangpressprofilen, mit gegossenen Knoten und mit Aluminiumblechen (Quelle Audi)

Tailored Blanks. Dabei handelt es sich um lasergeschweißteStahlplatinen mit unterschiedlicher Dicke und ggf. auch un-terschiedlicher Qualität. Schon im Ausgangsmaterial für denTiefziehvorgang, der Platine, wird so genau an höher belastetenStellen dickeres oder festeres Material zur Verfügung gestellt,nicht aber an den anderen Stellen.Das Gewicht einer Pkw-Rohkarosserie inkl. Türen und Klap-pen beträgt 280 kg bis 350 kg. Die Leichtbaugüte L, ausge-drückt durch das Verhältnis von Masse der Rohkarosserie mRK

zu Torsionssteifigkeit CT und Aufstandsfläche A

LD mRK

CTA;

konnte über viele Fahrzeuggenerationen hinweg stetig verbes-sert werden und beträgt nun für Pkw ca. 2,5.Auch aus Aluminiumblech können selbsttragende Karosserienhergestellt werden. Eine Minderung des Gewichts der Rohka-rosserie bis über 30 % bei gleicher Steifigkeit wie bei Stahlist möglich. Allerdings ist eine ganze Reihe von Anpassun-gen im Fertigungsprozess und auch im Service erforderlich. Inder Regel werden Verbindungstechniken wie Durchsatzfügen,Kleben, Schutzgasschweißen oder Kombinationen verwendet.Die Oberflächenqualität von Stahl ist mit Aluminiumblechennur mit zusätzlichem Aufwand zu erreichen. In der Praxisführt dies zu höherem Nacharbeitsaufwand und damit zu höhe-ren Kosten. Die Aluminium-Schalenbauweise wird bisher nurfür wenige Fahrzeuge eingesetzt. Relativ viele Fahrzeuge derOberklasse werden aber mit Türen, Klappen und vorderen oderhinteren Kotflügeln aus Al-Blech dargestellt (Bild 3).Gitterrohrrahmen waren bei Pkw stets selten und sind heu-te praktisch nicht mehr zu finden. Dreidimensionale Rahmenwerden dagegen in Form des Spaceframe für Pkw eingesetzt,die in relativ geringer Stückzahl produziert werden. In der Re-gel werden dabei stranggepresste Aluminiumprofile als Trägerbenutzt. Sie werden nach Möglichkeit in gerader Form verbaut,können aber auch geeignet gebogen werden. Sie werden in derRegel über gegossene Knoten aus Aluminium miteinander ver-bunden (Bild 3). Als Fügetechnik wird das MIG-Schweißen,seltener das Kleben eingesetzt. Die Spaceframe-Bauweise hatvor allem bei kleinen Stückzahlen Kostenvorteile. Die geringe-ren Einmalkosten für die Bereitstellung von Werkzeugen undanderen Produktionseinrichtungen überwiegen dann die hö-heren Werkstoffkosten und den größeren Handling-Aufwand.Dies gilt noch verstärkt, wenn auch für andere Komponentenauf Bauweisen mit geringem Einmalaufwand zurückgegriffen

Bild 4. CFK-Monocoque des Mercedes McLaren mit Aluminium-Vor-derbau (Quelle Daimler AG)

werden kann. Daher bietet sich einen Kombination von Space-frame-Struktur mit Kunststoffaußenhaut grundsätzlich an.Besonders leichte Karosserien können in Monocoque-Bauwei-se aus CFK hergestellt werden. Man findet sie bisher nur beiHochleistungssportwagen (Bild 4). Es scheint sich aber abzu-zeichnen, dass künftig besonders leichte Fahrzeuge mit einemgrößeren Anteil von Höchstleistungs-Faserverbundwerkstof-fen auf den Markt kommen werden.Ungeschütztes Stahlblech oder Aluminium korrodiert unter derEinwirkung von Steinschlag, Nässe, Salz, erhöhten Tempera-turen usw. Die Rohkarosserien moderner Kfz werden dahermit mehreren Oberflächenschichten versehen. Ein typischerAufbau besteht aus einer Verzinkung der Stahlbleche, Phos-phatierung zum weiteren Korrosionsschutz und zum Aufrauender Oberfläche zur besseren Haftung der nächsten Schicht, ka-thodischer Tauchlackierung (KTL), Abdichten von Nähten mitPVC-Paste, Füller als farbtonbezogener Untergrund für denDecklack, Decklack in der vom Kunden spezifizierten Farbe,Klarlack. Der Lackaufbau wird im Trockner bei ca. 150 °Ceingebrannt. Hohlräume der Karosserie werden mit kriechfä-higem Wachs versiegelt.Für nicht tragende, vertikale Teile der Karosserie wie Stoß-fängerverkleidungen und vordere und hintere Seitenteile, auchfür vertikale Heckklappen wird nicht selten Kunststoff verwen-det. Dafür kommen sowohl Thermoplaste (z. B. Polypropylen(PP) und Blends (z. B. PC/PBT) als auch Duroplaste (z. B.Polyuretan (PU)) in Frage. Beide Materialgruppen könnenmit Glasfasern verstärkt werden (GMT – Glasmattenverstärk-

Page 7: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 5 — le-tex

1.4 Fahrwerk Q 5

Q

ter Thermoplast, BMC – Bulk Moulded Compound, SMC –Sheet Moulded Compound). Auch für viele andere Bauteileder Ausstattung, aber auch im Motorraum werden zunehmendKunststoffe eingesetzt.

1.4 Fahrwerk

Das Fahrwerk dient der Erzeugung und Beherrschung derKräfte in den Kontaktzonen zwischen Reifen und Fahrbahnfür Antrieb, Bremsung und Querführung. Außerdem trägt eswesentlich zum akustischen Eindruck und zum Schwingungs-verhalten des Fahrzeugaufbaus gegenüber der Straße bei. ZumFahrwerk gehören zunächst– Rad, Radlager und Radträger– Radführung, Lenkung– Federn, Dämpfer.Im weiteren Sinn rechnet man häufig Systeme zum Fahrwerk,die für das Quer- und Längsführen sowie das Bremsen einesKfz erforderlich sind:– Pedalerie– Lenkrad, Lenksäule– Reibungsbremse mit Betätigung– Regelsysteme zur Unterstützung von Funktionen des Fahr-

werks.Wesentliche Randbedingungen für die konstruktive Gestal-tung ergeben sich aus Package, Gewicht, Aerodynamik (z. B.Kühlung der Bremsscheiben) und Kosten. Die Anforderungenan die Konzepte von Fahrwerken sind vielfältig und werdenje nach Fahrzeugkategorie und -charakter unterschiedlich ge-wichtet und ausgeprägt (angelehnt an [4]):– sicheres, stabiles, vorhersehbares Fahrverhalten als Voraus-

setzung für die Beherrschbarkeit bei allen Fahrbedingun-gen,

– stabile und komfortable Geradeausfahrt auch bei Seiten-wind und Fahrbahnunebenheiten,

– direktes und exaktes, intuitives Lenkverhalten, das sowohlkomfortabel und leichtgängig ist als auch das Gefühl fürFahrzeug und Straße vermittelt,

– fein dosierbares und standfestes Bremsverhalten, kurzeBremswege,

– guter Schwingungskomfort bei Ride und Handling.Ride umfasst dabei die straßeninduzierten Aufbauschwingun-gen in der Hochrichtung (Heben), um die Längsachse (Wan-ken) und um die Querachse (Nicken) im Bereich von 0 bis25 Hz und deren Wahrnehmung durch die Insassen. Handlingbezeichnet die fahrerinduzierten Bewegungen des Fahrzeugs inQuerrichtung, um die Hochachse (Gieren) und um die Längs-achse (Wanken). Die für Handling typischen Anregungen desFahrzeugs sind für Normalfahrer selten größer als 0,5 Hz [5].Die klassische Fahrwerkabstimmung umfasst die Auslegungvon Federn, Dämpfern, Stabilisatoren, Achs- und Motorlagernsowie die Auswahl von Reifen und ggf. deren Entwicklung. Siefindet relativ spät im Laufe des Produktentstehungsprozessesstatt. Wichtige Einflussgrößen auf das Fahrverhalten wieRadstand, Spurweite, Achslastverteilung, Trägheitsmomente,Schwerpunktlage sowie die Achskinematik stehen zu diesemZeitpunkt schon fest. Sie werden zuvor unter Verwendung nu-merischer Modelle ausgelegt. Dabei wird vor allem die Mehr-Körper-Simulation eingesetzt. Die Feinabstimmung des Fahr-werks wird von Versuchsingenieuren durchgeführt, die dieFahrzeuge subjektiv bewerten. Oft können die erlebten Phä-nomene nur verbal und nicht eindeutig messtechnisch erfasstwerden. Eine Vielzahl von Kenngrößen, wie z. B. Wankwin-kelgradient, Eigenlenkgradient, Schwimmwinkelgradient, ma-ximale Gierverstärkung, maximal erreichbare Querbeschleu-nigung wird messtechnisch erfasst. Es gab immer wiederVersuche, solche gemessenen Größen mit den subjektiven Ein-

drücken in Verbindung zu setzen, also das Fahrverhalten zuobjektivieren. Sie waren bisher nur teilweise erfolgreich; esgibt weiterhin Phänomene, die der numerischen Modellbil-dung nicht völlig zugänglich sind [5].

1.4.1 Räder

Die Einheit von Felge (mit Radscheibe) und Reifen wird alsRad bezeichnet. Reifen und Felge umschließen einen luftge-füllten Ringraum, beide müssen daher luftdicht sein und dicht,aber lösbar, miteinander verbunden werden. Es werden prak-tisch ausschließlich schlauchlose Reifen eingesetzt.Über die Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn, denLatsch, werden bis auf Luftkräfte alle fahrzeugdynamischenKräfte übertragen. Ein Kraftschluss am rollenden Reifen, derden Aufbau einer Umfangskraft FU ermöglicht, ist immermit einer Relativbewegung zwischen Radumfangsfläche undFahrbahn, mit Schlupf, verbunden. Der Umfangsschlupf � istdefiniert als

�D ! rdyn �v

v

mit der Fahrgeschwindigkeit v und der Radumfangsgeschwin-digkeit, ermittelt aus der Winkelgeschwindigkeit ! und demdynamischen Reifenradius rdyn. Im Falle von �> 0 liegt Trei-ben vor, bei � < 0 Bremsen und bei � D 0 Rollen. DerKraftschlussbeiwert � erreicht bei einem Schlupf von 10–15 %sein Maximum. Dann erfolgt ein allmählicher Übergang vonder Haftreibung in die Gleitreibung; der Kraftschlussbeiwertnimmt ab. Sein Absolutwert hängt vom Aufbau des Reifens,speziell von der Laufflächenmischung, und der Fahrbahn undderen Nässe und Verschmutzung ab; normale Reifen erreichenauch unter sehr guten Straßenbedingungen selten �>1.Für die Übertragung von Seitenkräften FS, die für das Be-fahren von Kurven unerlässlich sind, müssen an den ReifenSchräglaufwinkel aufgebaut werden. Sie liegen abhängig vomReifentyp bei maximal 5–15°. Die übertragbaren Seitenkräftehängen von der Radlast ab. Der Querschlupf errechnet sich ausdem Schräglaufwinkel ˛ zu

�schräg D v sin ˛

v:

Der resultierende Schlupf � für einen Reifen ergibt sich zu

�Dq

�2 C�2schräg :

Unter der Annahme, dass im Latsch nicht mehr als eine ma-ximale Reibungskraft Rmax wirken kann, gilt für den Kamm’-schen Reibungskreis (s. Bild 5)

Rmax Dq

F 2U CF 2

S :

maxFFF yx ≤+

yF

xF

Nhmax FμHaftgrenze: F =

maxF

x

y

Bild 5. Kamm’scher Kreis

Page 8: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 6 — le-tex

Q 6 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Bild 6. Das Zusammenwirken von Umfangs- und Seitenkräften, von Schräglauf und Umfangsschlupf

Das volle Kraftschlusspotential kann daher nicht gleichzeitigin Längs- und Querrichtung aufgebaut werden. Mit zuneh-mendem Bremsschlupf geht der Seitenkraftbeiwert zurück.Blockierende Reifen übertragen keine Seitenkräfte.Das Kennfeld in Bild 6 entsteht, wenn für einen Reifen aufeiner trockenen Fahrbahn für verschiedene, jeweils konstantgehaltene Schräglaufwinkel ˛ der mögliche Bereich des Um-fangsschlupfes eingetragen wird. Als Umhüllende, die den ma-ximalen Kraftschluss darstellt, ergibt sich eine Figur, die nichtgenau kreisförmig ist. Maximale Antriebskraft FUA und maxi-male Bremskraft FUB müssen nicht übereinstimmen. Auch bei˛ D0 tritt eine Seitenkraft auf. Bei geringem Schräglauf ist nurein kleine, gegenseitige Beeinflussung zwischen Umfangskraftund Seitenkraft zu beobachten. Im Grenzbereich steigt der ge-genseitige Einfluss stark an.Mit dem Aufbau der Seitenkräfte baut sich ein Rückstellmo-ment auf, welches dazu führt, dass sich das Lenkrad in seineAusgangsstellung zurückbewegen will. Ein negativer Reifen-sturz erhöht die Seitenkraft, verringert aber die Rückstellkraft.Werden die Reifen dynamisch beansprucht, treten transien-te Effekte auf, weil für den Aufbau von Reaktionskräften imLatsch Zeit benötigt wird [6].Reifen werden heute fast ausschließlich in radialer Bauweise(Radialreifen, Gürtelreifen) ausgeführt: Eine mit Kunststoffge-webe verstärkte Karkasse wird unter der Lauffläche mit meh-reren, in Umfangrichtung orientierten Gürteln aus Stahldrahtumgeben. Den Abschluss bilden ein Gürtel aus Kunststoffge-webe und die Lauffläche. Die luftdichte Verbindung zur Felgegeschieht über den Wulst, der mit Stahldraht verstärkt ist undeine lösbare Verbindung zu Felgenhorn und Hump ermöglicht,die den Reifen vor einem Verrutschen im Felgenbett schützt(Bild 7). Für schwere Nfz werden an hoch belasteten Ach-sen auch Zwillingsbereifungen verwendet. Inzwischen werdendafür auch neue, besonders breite und tragfähige Einzelreifen(Super Single) angeboten.Bei der Weiterentwicklung der Reifen müssen mehrere ten-denziell im Konflikt liegende Anforderungen parallel verfolgtwerden: Reduzierung des Rollwiderstands, Reduzierung desAbrollgeräusches, Verbesserung des Nassgriffs, Wintereigen-schaften, Verringerung der ungefederten Massen, Notlaufei-genschaften, Verbesserung des Federungs- und Abrollkom-forts, Erhöhung der Laufleistung, Vermeidung von gesundheit-lich bedenklichem Abrieb u. V. m. Die EU macht detaillierteVorgaben bezüglich Rollwiderstand, Nassgriff und Abroll-

Bild 7. Lagenaufbau (oben) und Querschnitt (unten) eines Gürtelrei-fens (Quelle Continental AG)

geräusch [7]. Die unterschiedlichen Anforderungen könnenleichter erfüllt werden, wenn Winter- und Sommerreifen sai-sonspezifisch benutzt werden. Auf vielen Märkten haben sichaber Allwetterreifen durchgesetzt, die einen vertretbaren Kom-promiss bieten müssen. Fortschritte werden einerseits durchdas bessere Verständnis der mechanischen Zusammenhänge imReifen erreicht, mit dem viele Eigenschaften numerisch simu-liert und auf dieser Basis gezielt verbessert werden können,andererseits durch verbesserte Materialien und Verarbeitungs-verfahren.Reifen werden durch ein Kennzahlensystem charakterisiert,das auf den Reifenflanken abgebildet ist. Es umfasst Ei-genschaften wie Reifenbauart, Felgendurchmesser, Verhältnis

Page 9: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 7 — le-tex

1.4 Fahrwerk Q 7

Q

Bild 8. Querschnitt durch eine Felge. 1 Felgenhorn, 2 Schrägschul-ter, 3 Hump, 4 Felge, 5 Tiefbett, 6 Belüftungsloch, 7 Radschüssel;D Felgendurchmesser, L Lochkreisdurchmesser, M Felgenmaulweite,N Mittenloch, ET Einpresstiefe

von Reifenhöhe und -breite, Tragfähigkeit, Geschwindigkeits-klasse, Zeitpunkt und Fabrik der Herstellung, Eignung fürschlauchlos, Erlaubnis zum Nachschneiden des Profils u. V. m.Reifen sind Verschleißteile. Jährlich werden in Deutschland ca.45 Mio. Reifen über den Handel verkauft.Die Felgen werden in der Regel aus tiefgezogenem Stahl-blech hergestellt (Bild 8). Bei Pkw werden vielfach gegosseneAluminiumfelgen verwendet. Daneben sind gelegentlich ge-schmiedete Aluminiumfelgen anzutreffen. Felgen aus Magne-sium sind absolute Ausnahmen.Ein korrekter Luftdruck ist wesentlich für die Leistungsfä-higkeit des Rades. Außerdem erhöht ein zu geringer Druckden Rollwiderstand und damit den Kraftstoffverbrauch. Die re-gelmäßige Überwachung überfordert aber viele Nutzer. Daherwurden in den USA ab 2003 Reifendrucküberwachungssyste-me gesetzlich zur Pflicht gemacht [8]. Für Europa ist die Ein-führung für neu typgeprüfte Fahrzeuge ab 2012 vorgeschrie-ben [7]. Es sind zwei Techniken im Gebrauch. In den meistenFällen werden durch Auswertung der Raddrehzahlsignale Un-terschiede im dynamischen Reifenrollradius erkannt, die aufUnterschiede im Reifendruck zurückgeführt werden können.Die geeigneten Signale stellt das ABS-Gerät zur Verfügung.Genauer, aber erheblich aufwändiger ist es, den Reifendruck

Bild 9. McPherson-Vorderachse des Mini (Quelle BMW Group)

im Reifen durch mitrotierende Sensoren direkt zu ermittelnund drahtlos an Empfänger im Radhaus zu übertragen.Da die Wahrscheinlichkeit von Reifenpannen gering gewor-den ist, wird vielfach auf ein vollwertiges Reserverad gänzlichverzichtet oder es wird durch ein Notrad ersetzt. Stattdessenwerden Reifen mit Notlaufeigenschaften verwendet. Dabei ha-ben sich zwei Ansätze bewährt, die beide verhindern, dassTeile der Flanken der drucklosen Reifen aufeinander reibenund sich dabei zerstören. Entweder wird in den Reifen eineStützstruktur aus Blech eingebracht, auf der sich die Lauf-fläche abstützen kann. Häufiger werden die Flanken des Rei-fen so verstärkt, dass eine Berührung unwahrscheinlich wird.Gleichzeitig muss der sichere Halt des Reifens auf der Felgegewährleistet werden. Solche Reifen werden stets mit einemReifendruckkontrollsystem kombiniert.Für die Auslegung von Fahrwerken und die Abstimmungvon Fahrwerksregelsystemen sind numerische Reifenmodelleerforderlich. Je nach Anwendung kann es sich um Kennfel-der oder um relativ einfache bis sehr komplexe formelmäßi-ge Zusammenhänge (Magic Formula, SWIFT-Modell (ShortWavelength Intermediate Frequency Tire Model), RMOD-K)handeln; in allen Fällen müssen sie durch Rechnungen oderMessungen kalibriert werden. Besondere Anforderungen er-geben sich, wenn der gesamte für die Fahrdynamik und fürKomfortfragestellungen relevante Frequenzbereich mit dem-selben Modell abgebildet werden muss. Für Hardware-in-the-Loop-Untersuchungen muss harte Echtzeitfähigkeit erreichtwerden.

1.4.2 Radführungen

Räder und Bremsscheiben werden mit dem Radträger überRadlager drehbeweglich verbunden. In der Regel werdenSchrägkugel- oder -rollenlager verwendet, die sowohl radialals auch axial belastbar sind. Die Radaufhängung verbindetden Radträger mit Rad und Bremse definiert beweglich mitdem Aufbau des Fahrzeugs. Ihre wichtigsten Aufgaben sind– genaue Führung der Räder,

– Federung,

– Dämpfung der Aufbau- und Radschwingungen,

– Aufnahme aller Längs-, Quer- und Vertikalkräfte.

Page 10: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 8 — le-tex

Q 8 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Bild 10. Elastokinematische Torsionslenkerachse (Quelle ZF Friedrichshafen AG)

Die Kräfte im Latsch werden über Reifen, Felge und Radla-ger in den Radträger geleitet, der sie über Lenker, Federn undStoßdämpfer an die Karosserie weitergibt.Als Bauweisen für Achsen hat sich bei leichten Pkw vorne dieMcPherson-Achse durchgesetzt, hinten findet man sehr häufigVerbundlenkerachsen. Bei schwereren Pkw sind vorne und hin-ten Mehrlenkerachsen verbreitet. Die Geometrie der Achsenund ihre Verbindung mit der Karosserie ist kritisch einerseitsfür das Lenkverhalten, andererseits für die Übertragung vonSchwingungen und Geräusch. Es werden entsprechend abge-stimmte elastische Elemente an den Lagerstellen eingesetzt. Inbesonders hochwertigen Fahrzeugen werden Hilfsrahmen ver-wendet, an die einige oder alle Fahrwerkselemente angelenktsind und die ihrerseits elastisch mit der Karosserie verbundensind; man spricht dann von doppelt-elastischer Entkopplung.Bei einfachen Pkw und leichten Nfz und bei Off-Road-Fahr-zeugen findet man vielfach Starrachsen hinten. Für Busseund schwere Lkw werden vorne teilweise Mehrlenkerachsen,wegen ihrer Wirtschaftlichkeit und Robustheit hinten ganzüberwiegend Starrachsen eingesetzt.

1.4.3 Federung und Dämpfung

Die Räder werden durch die Unebenheiten der Straße zuvertikalen Schwingungen angeregt, die einerseits zu Auf-bauschwingungen führen und Komfort und Betriebsfestig-keit beeinträchtigen, andererseits dynamische Lastschwankun-gen erzeugen und es nicht erlauben, das maximal möglicheKraftschlusspotential zwischen Reifen und Fahrbahn zu nut-zen. Federung und Dämpfung des Fahrwerks reduzieren sie.Dabei muss ein Kompromiss für alle Fahrbahnanregungen,Beladungszustände und Geschwindigkeiten erreicht werden.Die Aufbaueigenfrequenz !Aufbau soll möglichst bei allen La-debedingungen gleich sein (k Federrate)

!Aufbau Dr

k

m:

Um dies auch bei veränderlicher Masse m (Zuladung) errei-chen zu können, werden Stahlfedern mit progressiver Kennungeingesetzt. Eine wesentlich bessere Anpassung gelingt mit Hil-fe von Luftfedern.Die Federungen von Pkw und leichten Nfz werden überwie-gend mit Schraubenfedern ausgeführt. Seltener sind in denHinterachsen längs eingebaute, stählerne Blattfedern anzu-treffen. Oberklassefahrzeuge und Busse werden teilweise mitLuftfederungen ausgestattet. Ihre Wirkung beruht auf der adia-batischen Kompression eines Gasvolumens; mit zunehmenderBelastung wird die Feder härter. Die Federungseigenschaf-ten können durch Veränderung des Luftdrucks z. B. an den

Bild 11. Mehrlenkerhinterachse des BMW 5er (Quelle BMW Group)

Ladezustand angepasst werden (Bild 12). In schweren Nfzwerden häufig Blattfedern eingesetzt, weil sie in Verbindungmit den dort verwendeten Starrachsen auch die Radführungs-aufgaben vollständig übernehmen können. Aber zunehmendwerden auch dort Luftfedern in Kombination mit Längslenkernverwendet.Schwingungen zwischen Aufbau und Fahrwerk werden mitHilfe von Stoßdämpfern gedämpft. Weit verbreitet sind Aus-führungen als Teleskopsystem. Man unterscheidet Einrohr-und Zweirohrsysteme (Bild 13). Bei beiden Dämpferartenbewegt sich ein mit Drosselelementen versehener Kolben in ei-nem flüssigkeitsgefüllten Zylinder und überwindet dabei einenStrömungswiderstand. Die aufgenommene mechanische Ar-beit wird dabei in Wärme umgewandelt. Die Drosselelementekönnen richtungsabhängig wirken; das Verhalten in Zug- undDruckrichtung ist so gestaltbar (Bild 14). Die Dämpferkraft FD

ist eine Funktion der Einfedergeschwindigkeit. Die Kennungdes Dämpfers wird entweder im Kraft-Weg-Diagramm oder imKraft-Geschwindigkeits-Diagramm angegeben.

1.4.4 Lenkung

Die Lenkung von Zweispurfahrzeugen erfolgt über den Auf-bau von Seitenkräften an den Rädern. Bei Pkw, Bussen undLkw werden ausschließlich Achsschenkellenkungen an derVorderachse eingesetzt. Über die Gestaltung des Lenktrapezessind unterschiedliche Schräglaufwinkel der Räder einer Achse

Page 11: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 9 — le-tex

1.4 Fahrwerk Q 9

Q

Bild 12. Luftfeder mit schaltbarem Zusatzvolumen im Porsche Panamera (Quelle Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG)

Bild 13. Zweirohrdämpfer. 1 Befestigungsgelenk, 2 Kolbenstangen-dichtung, 3 Kolbenstangenführung, 4 Gas, 5 Kolbenstange, 6 Ölvor-ratsraum, 7 Schutzrohr, 8 Behälterrohr, 9 Arbeitszylinder, 10 Kolben-ventil, 11 Bodenventil, 12 Befestigungsgelenk, 13 Trennkolben

möglich (Bild 15). Die Lenkübersetzung wird häufig abhängigvom Lenkwinkel gestaltet. Für Lenkwinkel bis ˙ 20° wird sehrhäufig eine „dynamische Auslegung“ realisiert. Damit wird er-reicht, dass die belasteten kurvenäußeren Räder mit größerenSchräglaufwinkeln abrollen und etwa dieselbe Kraftschluss-

Bild 14. Verstellbare Stoßdämpfer. CDC (Continuous Damping Con-trol) passt die Fahrwerkdämpfung stufenlos an die jeweilige Fahrsitua-tion an (Quelle ZF Friedrichshafen AG)

Bild 15. Achsschenkellenkung. a Lenkdreieck, Zahnstangenlenkung;b Lenkviereck, Hebellenkung; 1 Spurhebel, 2 Spurstange, 3 Zahnstan-ge, 4 Ritzel, 5 Lenkstockhebel, 6 Zwischenhebel, 7 Lenkzwischenstan-ge, 8 Lenkgetriebe

Page 12: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 10 — le-tex

Q 10 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Bild 16. Zahnstangen-Hydrolenkung für Lkw und Busse mit Einzel-radaufhängung ZF-Servoline (Quelle ZF Friedrichshafen AG)

ausnutzung erreichen wie die entlasteten kurveninneren. Beigrößeren Lenkwinkeln wird eine „statische Auslegung“ naheder Ackermann-Auslegung (s. Q 1.8.2, Abschn. Querdynamik)angenähert, da im Rangierbetrieb ein schlupfarmes Abrollenvorteilhaft ist.Für die Übertragung des Lenkradwinkels auf die Spurstangehat sich bei Pkw die Zahnstangenlenkung weitgehend durchge-setzt (Bild 16). Bei schweren Fahrzeugen findet man verbreitetKugelmutter-Hydrolenkungen mit Lenkstockhebel.Bei Pkw werden in seltenen Fällen auch die Hinterräder aktivgelenkt, um ein agileres Fahrverhalten zu erreichen. Dafür wer-den mechatronische Systeme verwendet, bei denen der geringeerforderliche Lenkwinkel abhängig von der fahrdynamischenSituation errechnet und über elektrisch ansteuerbare Aktorenrealisiert wird. An schweren Nfz sind häufig mehrere Achsenlenkbar ausgeführt, um praktikable Wendekreise ohne zu vielSchlupf zu ermöglichen.Aus Komfort- und Sicherheitsgründen sind Lenkungen mitHilfskraftunterstützung sehr weit verbreitet. Sie sind häufigservohydraulisch ausgeführt. Die erforderliche Hilfsenergiewird über eine Pumpe bereitgestellt, die über einen Rie-men vom Motor angetrieben wird. Um Energieverluste zuvermindern, werden bei neuen Fahrzeugen verbreitet elektri-sche Antriebe für die Servopumpe genutzt (elektrohydrauli-sche Lenkung). Bei leichten Fahrzeugen hat sich die direk-te, elektromechanische Lenkunterstützung durchgesetzt. DieServounterstützung wird vielfach vom Lenkwinkel und derFahrgeschwindigkeit abhängig bereitgestellt. So können dieForderungen nach leichtem Rangieren und Unempfindlichkeitbei hoher Geschwindigkeit vereint werden. Bisher werden nurin Oberklasse-Pkw Überlagerungslenkungen verbaut. Sie kön-nen Zusatz-Lenkwinkel erzeugen, die das Eigenlenkverhaltendes Fahrzeugs modifizieren. Eingebunden in die Regellogikvon ESP sind sie in der Lage, Gierbewegungen besser aus-zugleichen, wie sie z. B. beim Bremsen auf Fahrbahnen mitsehr unterschiedlichen Reibwerten links und rechts (�-Split)auftreten. In jedem Fall muss eine mechanische Rückfallebenevorgesehen werden; reine Drive-by-Wire-Systeme sind derzeitnur unter sehr einschränkenden Bedingungen zulassungsfähig.

1.5 Antrieb und Bremsen

Antrieb und Bremsen erfordern beide den Aufbau von Reifen-umfangskräften.

1.5.1 Bremsen

Bremsen dienen dazu, die Geschwindigkeit zu verringern,eine ungewollte Beschleunigung zu verhindern (Beharrungs-bremsung) oder ein ruhendes Fahrzeug festzuhalten. In denBremsen wird die kinetische Energie des Fahrzeugs durchReibung in thermische Energie umgewandelt, die an die Um-gebung abgegeben werden muss. Wenn die Räder blockieren,

Bild 17. Scheibenbremse Audi A4 [9]

muss die gesamte Energie im Reifen umgesetzt werden, derdabei schwer beschädigt werden kann.Nach DIN ISO 611 besteht eine Bremsanlage aus einer Be-tätigungsvorrichtung, mit der die Wirkung gesteuert wird, ei-ner Energieversorgung (in konventionellen Pkw-Bremsanlagenist dies der Vakuumbremskraftverstärker (Vakuum-Booster)oder eine Vakuumpumpe, bei Lkw in der Regel ein Druck-luftsystem), Übertragungseinrichtungen (Hauptbremszylinder,Bremsschläuche und -leitungen) und Bremse (bei Pkw ganzüberwiegend Scheibenbremsen, bei schweren Nfz auch nochSimplex-Trommelbremsen). Weiter wird zwischen der Be-triebsbremsanlage für den normalen Betrieb, der Hilfsbrems-anlage für Notfälle und der Feststellbremse unterschieden. InNfz werden außerdem verschleißfreie Dauerbremsen einge-setzt (Motorbremse, Retarder, Wirbelstrombremse). Der Ge-setzgeber schreibt ein zweikreisiges System für die Betriebs-bremse vor.In Kfz werden ganz überwiegend Scheibenbremsen genutzt(Bild 17). Sie können bei geringerem Bauraumanspruch die-selbe Bremskraft aufbringen wie die früher verwendetenTrommelbremsen, die noch in kleinen Pkw (meist nur an derHinterachse) und in Nfz Verwendung finden. Sie sind zu-dem weniger empfindlich gegenüber hohen Temperaturen undNässe und zuverlässiger. Über hydraulisch betätigte Kolbenwerden Reibbeläge gegen eine mit dem Rad verbundene Schei-be gepresst. Die Kolben sitzen in einem Bremssattel. Je nachBauart variiert die Konfiguration der Sättel und Kolben. Beider Festsattelbremse (engl.: fixed caliper brake) ist der Sattelfest mit dem Radträger verbunden und die Kolben pressen dieBremsbeläge von beiden Seiten gegen die dazwischen rotie-rende Bremsscheibe. Sie wird in Varianten von einem bis zuvier Kolbenpaaren verbaut. Bei der Faustsattelbremse (engl.:sliding caliper brake) wird der Bremsbelag nur von einerSeite über einen hydraulischen Kolben an die Bremsscheibegepresst, während auf der anderen Seite der Sattel den Be-lag trägt. Die Vorteile gegenüber der Festsattelbremse sindniedrigeres Gewicht, geringeres Bauvolumen sowie niedrige-re Herstellungskosten.Der in Europa meistens verwendete Reibwerkstoff (Brems-belag) besteht aus einer bindenden Matrix, meistens einemduroplastischen Material wie Phenolharz in pyrolisierter Form,in die eine Anzahl unterschiedlicher, partikelförmiger Mate-rialien eingelagert ist. Darunter befinden sich Abrasionsstoffe,

Page 13: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 11 — le-tex

1.5 Antrieb und Bremsen Q 11

Q

Bild 18. Hilfskraftbremsanlage für Pkw. 1 Bremspedal, 2 Unterdruck-Bremskraftverstärker, 3 Tandemhauptzylinder, 4 Bremsflüssigkeitsbehälter,5 Scheibenbremse (vorn), 6 Bremskraftverteiler, 7 Trommelbremse (hinten)

also Zusätze, die vor allem den Reibkoeffizienten erhöhen, Re-aktivkomponenten, Gleitkomponenten und Komponenten zurVerbesserung der Wärmeleitung. Bremsbeläge unterscheidensich nach Zahl und Art dieser Zusätze. Der Kontakt zwischenBelag und Scheibe findet in einer dünnen Schicht mit demReibwerkstoff statt, der sich unter der Wirkung von Wärme,Feuchtigkeit und Verschmutzungen u. U. beträchtlich verän-dert. Die sehr unterschiedlichen Eigenschaften derselben Paa-rung aus Bremsscheibe und Bremsbelag bei unterschiedlichenBetriebsbedingungen beruhen wesentlich auf der Unterschied-lichkeit dieser Reibschichten.Bremsscheiben müssen aus einem Material bestehen, das ei-nen guten Reibwert mit einem korrespondierenden Brems-belag aufbauen kann, die hohe thermische Beanspruchungmechanisch und korrosiv erträgt, möglichst leicht ist, da dieBremsscheiben zu den ungefederten Massen beitragen, und alsVerschleißteil einfach und kostengünstig gewechselt werdenkann. Sie bestehen in der Regel aus Gusseisen. Auf der Brems-scheibe haftende Feuchtigkeit oder Verunreinigungen könnendie erreichbare Bremskraft mindern. Besondere Oberflächen-strukturen (Löcher, Nuten etc.) helfen, Schmutz schneller zuentfernen.Die in Wärme gewandelte Bewegungsenergie des Kfz mussin der Bremsscheibe zunächst teilweise gespeichert bzw. überdie Anströmung mit Luft abgeführt werden. Sie kann dabeihohe Temperaturen (bis zu 700 °C) erreichen. Besonders bean-spruchte Bremsscheiben werden innen belüftet ausgeführt. Einunzulässiges Aufheizen benachbarter Komponenten, speziellder Bremsleitungen muss verhindert werden (T <180 L’ in derBremsflüssigkeit). Auch das sofortige Abstellen des Fahrzeugsnach maximaler Beanspruchung der Bremse muss beherrschtwerden; die Wärme muss dann i. W. durch Konvektion abge-führt werden.Eine Bremsscheibe ist nicht genau rotationssymmetrisch; zu-dem ist sie am inneren Radius eingespannt. Die starke Aufhei-zung kann daher zu einer thermischen Verformung führen, diesich ihrerseits in Bremsrubbeln äußert. Durch geeignete Aus-legung kann dieser Effekt hinreichend gering gehalten werden.Für Hochleistungsbremsen im Motorsport und in wenigen Pkwwerden Bremsscheiben aus kohlenstofffaserverstärktem Sili-ziumcarbid, einem keramischen Verbundwerkstoff, verbaut.Sie zeigen ein Nachlassen der Bremskraft (Fading) erst beihöherer Temperatur und bei erheblich höheren und längerenBelastungsfällen. Sie zeichnen sich auch durch ein geringeresGewicht und Verschleiß aus, sind allerdings wegen sehr auf-wändiger Herstellungsprozesse erheblich teurer.Pkw-Bremsen werden ganz überwiegend mit Unterdruck-Bremskraftverstärkern ausgeführt (Bild 18). Daneben habenelektrohydraulische Systeme eine gewisse Bedeutung. Elek-tromechanische Bremsen, bei denen die Zuspannkräfte an denBremsscheiben ohne das hydraulische System erzeugt werden,

scheiterten bisher u. a. an den erforderlichen hohen elektri-schen Leistungen, die mit 12 V-Systemen nicht unter allenBedingungen sicher bereitgestellt werden können. In Bussenund schweren Lkw werden Luftdruckbremsen verwendet; ge-legentlich werden die Zuspannkräfte hydraulisch erzeugt.

1.5.2 Fahrdynamikregelsysteme

Die Wechselwirkung des Fahrzeugs mit der Fahrbahn umfassteinen Bereich mit nahezu linearem Verhalten, das vom durch-schnittlichen Fahrer relativ leicht erlernt werden kann. Daranschließt sich ein Bereich an, der durch erhebliche Nicht-Li-nearitäten gekennzeichnet ist und von einem normalen Fahrerselten erreicht wird; er kann also keine entsprechenden men-talen Modelle entwickeln. Schließlich werden die Grenzendes fahrdynamisch Möglichen überschritten. Fahrdynamikre-gelsysteme erhalten dem Fahrer die sichere Kontrolle über dasFahrzeug bis in den Grenzbereich. Außerdem ermöglichen siedie Realisierung von Funktionen, die rein mechanisch nichtdargestellt werden können.

Bremsassistent

Der Bremsassistent (BA) ist ein Sicherheitssystem, welchesdie menschlichen Defizite während eines Notbremsvorgangsausgleicht, indem es bei Erkennung einer gewünschten Voll-bremsung den Bremsdruck auf sein Maximum erhöht undsomit eine optimale Bremsleistung gewährleistet (Bild 19).Zwei Größen können Aufschluss über das Vorliegen einer Ge-fahrenbremsung geben: Die Geschwindigkeit der Betätigungdes Bremspedals und das charakteristische, schnelle Lösen desGaspedals. Die Erkennung einer beabsichtigten Vollbremsungerfolgt bei den ersten serienmäßig angebotenen Bremsassis-tenten durch die Überwachung des Bremsdruckanstiegs. EinWegsensor meldet die Pedalbewegung an ein Steuergerät.Durch Vergleich mit hinterlegten Schwellwerten kann auf eineNotbremsung geschlossen werden. Die Bremskraftverstärkungendet, sobald der Fuß vom Bremspedal genommen wird; beieinigen Herstellern kehrt das System bereits bei Verringerungdes Bremsdrucks in den normalen Betriebsmodus zurück. Eineweiter entwickelte Variante des BA nutzt die Erkenntnis, dassFahrer das Gaspedal signifikant schneller lösen und auch dieUmsetzzeit auf die Bremse verkürzt ist, wenn sie sich in einerGefahrensituation sehen. Wegen der durch Studien belegten,hohen Wirksamkeit des BA ist er ab 24.11.2009 für neue Pkw-und leichte Nfz-Typen in Europa vorgeschrieben [10].Bei nahezu der Hälfte aller schweren Pkw-Unfälle wird durchden Fahrer keine Bremsung eingeleitet, der BA kann also nichtwirksam werden. Wenn es gelingt, eine unfallkritische Situati-on durch Umfeldsensorik unabhängig vom Fahrer zu erfassen,kann ein erweiterter BA warnen oder autonom bis zum Still-stand bremsen. Der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug

Page 14: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 12 — le-tex

Q 12 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

ECU

Löseschalter

Ventilkolben-Magnet-Einheit

Wegsensor

Bild 19. Bremsassistent in einfacher Ausführung (Quelle Continental AG)

wird dabei mittels RADAR oder LIDAR gemessen. Systemedieser Art sind als Active Brake Assist auf dem Markt. In derEU müssen ab dem 1.11.2013 alle neuen Lkw-Typen mit Spur-halteassistent und Notbremsassistent ausgestattet werden [7].

ABS, ASR, ESP

Automatische Blockier-Verhinderer (ABV, auch Anti BlockierSystem ABS, engl.: antilock braking system) ermöglichenVollbremsungen ohne blockierende Räder und erhalten dieLenkfähigkeit. Durch individuelle Ansteuerung der Bremsenwird das Überbremsen einzelner Räder verhindert und derBremsschlupf im Bereich der maximalen Kraftschlussbean-spruchung gehalten. ABV ist für Busse sowie Lkw, Sattelzug-maschinen und Anhänger mit einem zGG von mehr als 3,5 tdurch die StVZO vorgeschrieben. Seit dem 1.7.2004 werdeneiner Selbstverpflichtung folgend alle Pkw-Neufahrzeuge eu-ropäischer Hersteller serienmäßig mit ABV ausgestattet. Esgibt Bemühungen, auch für Motorräder ABV vorzuschrei-ben [11].Korrespondierend zum ABV passt eine Antriebsschlupfrege-lung (ASR) das Drehmoment des Motors durch Verstellender Drosselklappe, des Zündzeitpunkts oder durch Ausblendenvon einzelnen Zündungen automatisch an das Kraftschlusspo-tential an. Wenn diese Eingriffe zu langsam sind oder nichtausreichen, werden die angetriebenen Räder gezielt gebremst.In einem ESP-System (EU-amtliche Bezeichnung: Elektroni-sches Fahrdynamik-Regelsystem, engl.: traction control sys-tem (TCS)) werden alle diese Funktionen auf der Basis einerSensorik, eines elektronischen Steuergeräts und verschiedenerAktuatoren zusammengefasst.Für die Funktion eines ESP wird einerseits ein elektroni-sches Modell der Absichten des Fahrers benötigt. Es er-gibt sich aus Lenkradwinkel, Lenkradwinkelgeschwindigkeit,Gangwahl, Gaspedalstellung, Bremsdruck und Raddrehzah-len. Mit einem numerischen Fahrzeugmodell wird daraus derSollkurs ermittelt. Parallel dazu wird der Ist-Kurs geschätzt.Er ergibt sich aus den Raddrehzahlen, der Querbeschleuni-gung und der Gierrate des Fahrzeugs. Aus dem permanentenVergleich dieser Daten wird mit einem Takt von ca. 25 Hz er-rechnet, ob der tatsächliche Kurs des Autos dem gewünschtenentspricht. Je nach Gradient und Größe der Abweichung greiftdas ESP in die Fahrzeugdynamik ein. In der Regel erfolgt dasüber das selektive Abbremsen einzelner Räder und durch Be-einflussung der Motordynamik wie bei der ASR. Eine nochbessere Funktionalität kann erreicht werden, wenn eine aktiveLenkung in die ESP-Regelung einbezogen werden kann oder

wenn auch das Antriebsmoment achsen- oder sogar radindivi-duell beeinflussbar ist.Da bei einem ESP-System der neuesten Generation (Bild 20)recht umfassende Informationen über Fahrerwunsch und fahr-dynamische Situation vorliegen (Bild 21), können ohne großenzusätzlichen Hardware-Aufwand zahlreiche Einzelfunktionenrealisiert werden. Dazu zählen– ABV,– beladungsabhängiges ESP für Transporter und Lkw,– automatische Giermomentenregelung: Instabiles Unter-

und Übersteuern z. B. durch �-Split-Situationen werden er-kannt und kompensiert,

– Motorschleppmomentregelung: Auch beim abrupten Zu-rückschalten und geringem Kraftschlusspotential wird einÜberbremsen der Antriebsräder verhindert,

– Cornering Brake Control: Verminderung der Eindrehnei-gung des Fahrzeugs beim Bremsen in einer schnell gefahre-nen Kurve durch asymmetrisch aufgebauten Bremsdruck,

– elektronische Bremskraftverteilung,– elektronische Differentialsperre,– Optimierung der Traktion auf losem Untergrund,– Gespannstabilisierung: Die Schwingung eines Gespanns

quer zur Fahrtrichtung (ca. 1 Hz) wird durch die demZugfahrzeug aufgeprägte Gierschwingung erkannt; eineSensorik am Anhänger ist nicht erforderlich. Die Schwin-gung wird durch Bremseingriff an der Kfz-Vorderachsegedämpft. Parallel dazu wird das Gespann verzögert.

Bild 20. Komponenten eines ESP-Systems. Drehzahlfühler, Hydraulik-modul, Lenkwinkelsensor, Drehratensensor (Quelle Bosch)

Page 15: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 13 — le-tex

1.5 Antrieb und Bremsen Q 13

Q

Identifikation und Rekonstruktion

Radeinschlags-winkel

Nick- undWankwinkel

Radauf-standskräfte

RadschlupfErmittlung des

optimalenRadschlupfes

Radschlupf-vorgabe

Fahrbahn-steigung

Fahrzeug-schwerpunkt

Fahrzeug-masse

Fahrzeug-geschwindigkeit

Schwimm-winkel

Radlängs- undQuerkräfte

Überwachung und Koordination

Steuerung und Regelung

Radschlupfregelung

Fahrerwunscherfassung

Signa

lerfas

sung

und S

ignalfi

lteru

ng

Signa

larbit

rieru

ng un

d Sign

alaus

gabe

Sensoren Aktoren

Bild 21. Unterteilung der Fahrzeugbremsregelung in die Grundfunktionen Signalerfassung und Signalfilterung, Regelung, Identifikation und Rekon-struktion der fahrdynamischen Situation, Überwachung und Koordination, Signalarbitrierung und Signalausgabe [12]

– Fahrzeughaltefunktion,– Berganfahrhilfe: Sicherung gegen unbeabsichtigtes Zurück-

rollen,– Soft Stop: Bei Bremsungen in den Stillstand ergibt sich im

Übergang von Gleit- in Haftreibung zwischen Bremsbelä-gen und Bremsscheibe häufig ein Ruck, der als unkomfor-tabel wahrgenommen wird. Er kann durch eine Reduzierungdes Bremsdrucks vermieden werden. Bei starken Bremsun-gen ist die Funktion nicht aktiv, um eine Verlängerung desBremsweges auszuschließen.

– Bremsbereitschaft: Beim schnellen Lösen des Gaspedalswerden die Bremsbeläge kurzzeitig – für ca. 0,5 s – leichtangelegt, um bei einer eventuell folgenden Gefahrenbrem-sung den Druckaufbau zu beschleunigen und um optimaleReibbedingungen zwischen Bremsbelag und Bremsscheibezu erzielen.

– Trockenbremsen: Bei Nässe – erkannt durch den Regensen-sor – werden die Bremsbeläge periodisch an der Brems-scheibe angelegt, um Wasser abzustreifen.

– Aktive Geschwindigkeitsregelung: Das Fahrzeug wird auchbei Bergabfahrt auf einer vorgegebenen Geschwindigkeitgehalten.

– Reifendrucküberwachung mit Hilfe der Raddrehzahlmes-sung,

– Active Rollover Protection: Das System erkennt Kippgefahrbei hoher Querbeschleunigung und wirkt ihr durch Brem-seneingriff entgegen.

– Secondary Crash Mitigation: Nach einem unfallbedingtenZusammenstoß wird das Schleudern auch nach dem erstenZusammenstoß unterbunden und das Fahrzeug schnell zumStehen gebracht.

Die positive Wirkung von ESP wurde in zahlreiche Studiennachgewiesen (siehe z. B. [13]). Ab 1.11.2011 müssen in Eu-ropa alle neuen Pkw- und Lkw-Typen mit ESP ausgerüstetsein [7].Potential für die Weiterentwicklung von ESP liegt darin, dieBedingungen für das Übertragen von Kräften zwischen Fahr-zeug und Fahrbahn situationsgerecht weiter zu verbessern. Da-zu gehört z. B. die Verminderung von Radlastschwankungenbeim Bremsen. Dies kann durch das Einbeziehen von akti-ven Dämpfern (Bild 14) in das ESP-Regelkonzept beeinflusstwerden. Die Einbindung einer aktiven Lenkung ermöglicht dieunmittelbare Beeinflussung des Gierverhaltens. Eine andereEntwicklungslinie betrifft die noch genauere Erfassung vonFahrerwunsch und fahrdynamischer Situation. EntsprechendeSysteme erfordern den Austausch relevanter Informationen derverschiedenen Einzelsysteme. Entwicklungen hin zu integrier-ten Chassis Control Systems sind weit fortgeschritten.

1.5.3 Energiewandlung

An Bord eines Kfz muss mechanische Arbeit für den An-trieb der Räder und zur Versorgung von Nebenverbrauchernbereitgestellt werden. Das geschieht heute nahezu ausschließ-lich durch Nutzung der chemischen Energie von Kraftstoffenin Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung nach dem Otto-oder Dieselverfahren (s. P 4). Die Produkte der Verbrennungmüssen daher gasförmig anfallen und können nur an die At-mosphäre abgegeben werden. Wenn keine Verschmutzungenzugelassen werden sollen, darf das Abgas nur Bestandteileenthalten, die in der Luft natürlich vorkommen. Stoffe imKraftstoff, die schädigende Wirkung haben können, sind daher

Page 16: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 14 — le-tex

Q 14 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Bild 22. Tankanlage (Benzin) Audi A4 [9]

nicht zulässig und wurden streng limitiert: Metalle (z. B. Blei,Mangan), Schwefel, Phosphor, Halogene. Auch Verbindungen,die in der Verbrennung nicht immer vollständig umgesetzt wer-den (z. B. Benzol) wurden stark reduziert. Schadstoffe, die sichbei der Verbrennung bilden, wie unverbrannte Kohlenwasser-stoffe (HC), Stickstoffoxide (NOx) oder Kohlenmonoxid (CO),dürfen nur in sehr geringen Mengen den Auspuff verlassen.Dies wurde durch Verbesserungen der Kraftstoffe, der moto-rischen Brennverfahren und vor allem mit Hilfe umfassenderAbgasnachbehandlungssysteme erreicht (s. P 4). Kohlendi-oxid, neben Wasserdampf das Hauptprodukt der Verbrennungvon Kohlenwasserstoffen, kann fahrzeugseitig nur durch Ver-minderung des spezifischen Verbrauchs verringert werden.Bei Pkw haben sich weltweit mehrheitlich Ottomotoren (engl.:spark ignition engine) durchgesetzt, in Deutschland und ei-nigen anderen europäischen Ländern hat aber der Anteil derDieselmotoren (engl.: compression ignition engine) zeitweilig50 % und mehr erreicht. Nfz werden fast ausschließlich mitDieselmotoren ausgestattet. Als Endenergieträger werden dieflüssigen Kraftstoffe Benzin und Diesel eingesetzt (Bild 22).Sie erfüllen in der Summe die zahlreichen und teils wider-sprüchlichen Anforderungen sehr gut [14]. Als Beispiel sei dieSicherheit im Umgang herausgegriffen: Bei jährlich mehr alseiner Milliarde Tankvorgängen in Deutschland passieren prak-tisch keine größeren Unfälle.Die flüssigen Kraftstoffe werden heute fast ausschließlich ausdem teurer und tendenziell knapper werdenden Erdöl herge-stellt. Zudem trägt der Straßenverkehr in Deutschland ca. 18 %zur Freisetzung des Treibhausgases (THG) CO2 bei. Daherwird seit Langem nach Möglichkeiten gesucht, die Abhängig-keit vom Erdöl und die Freisetzung von THG durch alternativeKraftstoffe zu vermindern. Auf dem Markt eingeführt wurdenPflanzenöl, veresterte Pflanzenöle (Biodiesel, RME – Rapsöl-Methyl-Ester), Ethanol aus zucker- oder stärkehaltiger Bio-masse, Erdgas und LPG (Liquid Petroleum Gas, Autogas).Weiter eignen sich z. B. Methanol, Butanol, Di-Methyl-Ether,Wasserstoff und viele weitere Stoffe. Wie Benzin und Diesel

auch, können alle diese Energieträger und viele mehr unterEinsatz von Energie aus beliebigen Ausgangsstoffen mit pas-sender chemischer Zusammensetzung hergestellt werden. Siekönnen alle in geeignet modifizierten Verbrennungsmotoreneingesetzt werden. Die Kraftstoffanlagen müssen dazu an dieanderen Energiedichten und physikalisch-chemischen Eigen-schaften angepasst werden. Erdgas und Wasserstoff erfordernHochdrucktanks (250–700 bar). An anderen Speichermöglich-keiten für Wasserstoff – kryogen flüssig, in Metallhydriden,Erzeugung von Reformer-Gas aus flüssigen Ausgangsstoffen –wird seit langem gearbeitet.Heute werden Fahrzeuge für LPG und CNG (Compressed Na-tural Gas) stets bivalent ausgelegt. Sie verfügen über zweiunabhängige Kraftstoffsysteme mit getrennten Tanks, Lei-tungs- und Kraftstofffördersystemen und Gemischaufbereitun-gen, aus denen wahlweise der Motor versorgt werden kann(Bild 23). Das Motorsteuergerät erkennt an einer Schalterstel-lung oder über einen Sensor, welcher Kraftstoff gerade zurVerfügung gestellt wird, und passt die Steuerungsparameter fürGemischbildung und Zündung entsprechend an. Bei Verwen-dung von wechselnden Gemischen von Kraftstoffen wie Ben-zin und Ethanol werden Flexible-Fuel-Auslegungen (FFV –Flexible Fuel Vehicle) verwendet; das Mischungsverhältniswird automatisch erkannt, die Motorsteuerung entsprechendangepasst. Die Eigenschaften des besseren der wahlweise nutz-baren Kraftstoffe können in beiden Fällen nicht voll genutztwerden. Flexible-Fuel-Fahrzeuge für Mischungen aus Benzinund Ethanol haben in Brasilien große Verbreitung gefunden.

Antrieb mit Brennstoffzelle

Nur Wasserstoff bietet die Möglichkeit, als Energiewandler ei-ne Brennstoffzelle (BZ; engl.: fuel cell) in Kombination mitElektromotoren einzusetzen (Bild 24). Sie haben einen bes-seren Wirkungsgrad als Hubkolbenmotoren; im NEFZ-Zyklusliegt für eines der wenigen Kleinserienfahrzeuge der energeti-sche Verbrauch bei 63 % eines leistungsgleichen Diesels [15].

Page 17: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 15 — le-tex

1.5 Antrieb und Bremsen Q 15

Q

Bild 23. Fahrzeugpackage mit CNG-Anlage, Volkswagen Touran TSI EcoFuel. Erdgasflaschen im Fahrzeugboden mit 18 kg Fassungsvolumen, kom-paktes Package der Antriebsaggregate im Motorraum (Quelle Volkswagen AG)

a b

Bild 24. Mercedes-Benz B-Class F-Cell mit Elektroantrieb. Brennstoffzelle, 700 bar H2-Tanks, Lithium-Ionen-Batterie (Quelle Daimler AG)

Für Kfz kommen derzeit nur Polymer-Elektrolyt-Membran-Systeme (PEM) zum Einsatz. Kernelement dieser Niedertem-peratur-BZ ist eine elektronisch isolierende, aber Protonenleitende Membran. Sie wird auf der Basis von PTFE-Polyme-ren hergestellt, in die Ionomere eingebettet werden. TypischeMembranen enthalten bis zu 40 Gew.-% Wasser. Ihre Proto-nenleitfähigkeit ist eine Funktion des Wassergehalts, der sei-nerseits von der Temperatur und der Gasfeuchte abhängt. DieZuführung und Rezirkulation von gasförmigem Wasserstoffund von gereinigter Luft sowie die Abführung des Reaktions-produkts Wasser auch an entlegenen Stellen der Membransta-pel muss mit Hilfe von Verdichtern gewährleistet werden. DieBeladung von Membranen mit dem Katalysator Platin liegt bei> 1 g=m2. Entwicklungsziel für die flächenbezogene Leistungist > 10 kW=m2, für die Lebensdauer im Fahrzeug von 5000–7000 h. PEM-BZ haben eine Betriebstemperatur von ca. 80 °C.Sie liegt also erheblich unter der Kühlwassertemperatur eines

Verbrennungsmotors (bis zu 115 °C). Da die Abwärme aus-schließlich über einen Wasser-Luft-Kühler abtransportiert wirdund nicht auch über das Abgas, sind die erforderlichen Kühlflä-chen bei gleicher Leistung erheblich größer [16]. Der Kaltstartist erst nach einer Aufwärmphase möglich. Als Kostenziel wirdvielfach ein Wert von <50 C=kW genannt.Vielfach wird der BZ-Antrieb mit einer Batterie kombiniert.Man erreicht damit, dass die BZ i. W. auf die niedrigeremittlere Leistung ausgelegt werden kann und weniger dyna-misch beansprucht wird; damit können Kosten gesenkt undbetriebliche Vorteile erreicht werden (Kaltabfahrt, Boosten,Rekuperieren von Bremsenergie).

Elektroantrieb

Eine weitere Möglichkeit für den Antrieb von Kfz bietetdie Kombination von elektrochemischem Akkumulator (wie-deraufladbarer Batterie) mit Elektromotoren (BEV – Battery

Page 18: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 16 — le-tex

Q 16 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Electric Vehicle). Dieser Ansatz ist seit der Frühzeit der Kfz-Technik in Wellen mehrfach verfolgt worden. Aktuell findet erbesonderes Interesse, weil mit der Entwicklung von Batterie-systemen auf Basis von Lithium-Metallsalzen die bisherigenGrenzen für die Energiedichte auf ca. 100 Wh=kg verschobenwurden. Dennoch bleiben Batterien vergleichsweise schwerund teuer. Sie altern im Betrieb durch Laden und Entladen,aber auch kalendarisch, unabhängig von der Belastung. DerVerbrauch eines sehr kleinen BEV im NEFZ-Zyklus wirdmit 12 kWh=100 km angegeben. Hinzu kommen die Verbräu-che von Systemen der Ausstattung, wie Heizung, Klimatisie-rung, Licht. In Summe muss mit ca. 15–18 kWh=100 km imrealen Stadtbetrieb gerechnet werden. Eine Reichweite von150 km erfordert daher eine Batterie mit 23–27 kWh, die et-wa 250 kg wiegt. Sie wird auch langfristig teuer bleiben; diefür große Stückzahlen hochgerechneten Kosten liegen bei ca.300 C=kWh. Verbesserungen der Wirtschaftlichkeit von BEVwerden von kleineren, leichteren, konsequent auf minimalenEnergieverbrauch optimierten Fahrzeugen erwartet. Außerdemwird die Nutzung der Batterie zum Lastmanagement vonelektrischen Stromnetzen mit fluktuierender Energieerzeugungz. B. aus Windkraftwerken diskutiert, aus der sich ein Zusatz-nutzen ergeben würde (vehicle-to-grid).

Hybridantriebe

Wenn zwei (oder mehr) vollständige Antriebssysteme von derSpeicherung von Energie bis zur Wandlung in mechanischeArbeit zur Verfügung stehen, spricht man von einem Hybrid-antrieb (engl.: hybrid drive train). Vorteile des einen werdengenutzt, um Nachteile des anderen zu kompensieren. In derRegel soll damit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems imMittel über einen Fahrzyklus erhöht werden. Es sind auchandere Auslegungsziele erreichbar, z. B. eine kurzfristige Stei-gerung der Leistung oder ein günstigeres Package. Wenn derAntriebsstrang zwar eine Wandlung der mechanischen Ener-gie in elektrische vorsieht, aber kein elektrischer Speicher zurVerfügung steht, spricht man in der Regel nicht von einemHybridantrieb, sondern von einem elektrischen Getriebe oderKennungswandler; solche Systeme findet man z. B. bei Groß-kippern für Tagebaue.Hybridantriebe in Pkw werden in der Regel als Kombina-tionen von Ottomotor mit elektrischen Maschinen untersuchtund als Serienprodukte in relativ kleiner Stückzahl verkauft.Es gibt aber auch andere Konzepte wie BZ mit Batterieund Elektromotor (s. Bild 24), Dieselmotor oder Gasturbinemit Generator, Elektromotor und Batterie, Verbrennungsmotormit Generator, Elektromotor(en) und Hochleistungskonden-satoren, Dieselmotor mit hydrostatischem Speicher und Hy-draulikmotoren; viele weitere Konfigurationen sind denkbar.Als Speicher für elektrische Energie kommen Batterien unter-schiedlicher Bauart (Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ionen) undDoppelschichtkondensatoren großer Kapazität („Ultracaps“)in Frage. Auch Schwungräder (engl.: flywheel) werden immerwieder untersucht. Durch das Zusammenwirken mehrerer, sehrunterschiedlicher Energiewandler ergeben sich die Notwen-digkeit und die Chance, einen Hybridantrieb mit einer relativkomplexen Betriebsstrategie zu versehen.Für die Kombination von Verbrennungsmotor mit elektri-schen Maschinen und elektrischem Energiespeicher lassen sichgrundsätzlich drei unterschiedliche Formen von Hybridantrie-ben unterscheiden:

– Serieller Hybrid: Die gesamte Antriebsleistung wird überden elektrischen Pfad geführt. Die Verluste der mehrfachenEnergiewandlung sollten durch den besseren mittleren Wir-kungsgrad des Verbrennungsmotors übertroffen werden.

– Paralleler Hybrid: Verbrennungsmotor und elektrische Ma-schine stellen die Antriebsleistung gemeinsam dar. Diemehrfache Wandlung wird überwiegend vermieden.

– Hybrid mit zwei unabhängigen Antriebssystemen: Vorder-achse und Hinterachse werden von verschiedenen Antriebs-systemen angetrieben, zwischen denen situationsabhängigautomatisch oder manuell gewechselt wird.

Im Übergang zwischen seriellem und parallelen Hybrid sindZwischenstufen mit Leistungsverzweigung realisierbar, bei de-nen je nach Auslegung und Betriebssituation ein unterschied-lich großer Anteil der Leistung über den elektrischen Pfadgeführt wird.Bei Anordnung einer elektrischen Maschine zwischen Ver-brennungsmotor und Getriebe spricht man von Triebstrang-integration. In der Regel wird die elektrische Maschine dannso ausgelegt, dass sie die Funktionen Schwungrad, Anlasserund Generator vereinen kann (Integrated Motor Assist – IMA,Integrierter Starter-Generator – ISAD, Kurbelwellen-Starter-Generator – KSG). Es werden derzeit vor allem Asynchron-maschinen (ASM) oder permanent erregte Synchronmaschinen(PSM) eingesetzt.Der Verbrennungsmotor für einen Hybridantrieb kann deutlichanders ausgelegt werden als für einen konventionellen Antrieb.Die Fähigkeit zu schnellen Lastwechseln muss nicht denselbenAnsprüchen genügen, die Ladungswechselorgane können ver-einfacht werden. Im Ergebnis kann ein solcher Motor leichter,bezogen auf den hauptsächlich genutzten Betriebsbereich effi-zienter, abgasseitig und akustisch günstiger gestaltet werden;damit sind auch Kostenpotentiale vorhanden.Hybridfahrzeuge werden in der Regel so ausgelegt, dass einAufladen des elektrischen Speichers aus dem Netz nicht vor-gesehen wird; d. h. im Mittel ist die Ladebilanz der Batterieausgeglichen. Es werden jedoch auch Konzepte verfolgt, dieein Aufladen vorsehen (Plug-In Hybrid, Grid-Connected-Hy-brid).Hybridantriebe können nach den unterschiedlichsten Gesichts-punkten konzipiert werden. So ist u. a. das Gegensatzpaar leis-tungsorientiert-energieorientiert für Einteilungen nützlich. Imersten Fall stehen die Rekuperation von Bremsenergie und dieBereitstellung hoher Antriebsleistung für kurze Zeit im Vorder-grund (z. B. Linienbus mit seriellem Hybridantrieb). Im zwei-ten Fall soll eine größere Strecke rein elektrisch und mit aus-reichender Fahrleistung bewältigt werden können (Bild 25).Eine andere Unterscheidung verwendet den Anteil der elektri-schen Leistung an der Systemleistung als Kriterium. Bei einemMicro Hybrid ist er gering (< 5 kW). Häufig werden Funk-tionen wie Start-Stopp-Automatik (SSA) in Kombination mitintelligenter Generatorregelung (IGR) so bezeichnet. Untereiner SSA versteht man ein System, das den Verbrennungsmo-tor dann stilllegt, wenn dessen Leistung nicht benötigt wird,und ihn im Bedarfsfall automatisch innerhalb von ca. 350 mswieder startet. Es wird erst aktiv, nachdem das Motoröl die er-forderliche Betriebstemperatur erreicht hat. Das System kannSituationen erkennen, in denen ein Dauerbetrieb des Motorsvon Vorteil ist wie im Falle einer stark entladenen Batterie.Er bleibt auch in Betrieb, wenn die Innentemperatur nochnicht den auf der Klimaanlage vorgewählten Wert erreicht hatoder wenn Heizleistung benötigt wird, um die Frontscheibevon Eis oder Beschlag zu befreien. Bei einer IGR wird derErregerstrom des konventionellen 14 V-Generators so gere-gelt, dass dieser in Schub- und Bremssituationen elektrischeEnergie liefert, in anderen Phasen aber weitgehend unbelastetbleibt. Es wird sichergestellt, dass die Batterie stets genügendgeladen ist, um einen Kaltstart zu ermöglichen. Ansonstenvariiert ihr Ladezustand entsprechend dem Angebot an Brem-senergie [17].Unter einem Mild Hybrid versteht man ein Fahrzeug mit einertriebstrangintegrierten, elektrischen Maschine mit ca. 20 kWLeistung. Im einfachsten Fall wird das Schwungrad durch ei-ne elektrische Maschine ersetzt, die als Generator und alsMotor arbeiten kann. Bei den bisher ausgeführten Konzeptenwird nur eine Kupplung zwischen der elektrischen Maschine

Page 19: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 17 — le-tex

1.5 Antrieb und Bremsen Q 17

Q

+ -

E

G

Verbrennungs-kraftmaschine

Generator

Batterie

Differential

Elektromotor

Getriebe

Tank

Summiergetriebe+ –

G E

+ –

G/E

+ –

E

G

Leistungsverzweigter HybridSerieller Hybrid Paralleler Hybrid

Bild 25. Schematische Darstellung verschiedener Hybridsysteme

und dem Getriebe vorgesehen. Es wird eine deutlich größereBatterie als im rein verbrennungsmotorischen Antriebsstrangverwendet, heute in aller Regel eine NiMH-Batterie. Das Kon-zept ermöglicht einen perfektionierten Start-Stopp-Betrieb,ein zusätzliches Drehmomentangebot für Beschleunigungs-phasen (Boost-Betrieb) und Bremsenergierückgewinnung indeutlich größerem Umfang. Wenn zusätzlich eine Kupplungzwischen elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor vor-gesehen wird, kann die Bremsenergierückgewinnung erheblichverbessert werden. Außerdem ist dann ein rein elektrischerBetrieb bei geringen Leistungsanforderungen und für relativkurze Strecken möglich. Grundsätzlich ermöglicht ein MildHybrid die Wahl eines kleineren Verbrennungsmotors bei glei-chen Fahrleistungen (Downsizing). Zur Nutzung des vollenPotentials ist es erforderlich, alle Nebenverbraucher wie Servo-lenkung, Klimakompressor, Unterdruckversorgung des Brems-systems usw. vom Betriebszustand des Verbrennungsmotorsunabhängig zu machen. Gas- und Bremspedal werden zu Be-dienelementen, mit denen der Fahrer Momentenanforderungenäußert, die von der Betriebsstrategie unter Nutzung aller Frei-heitsgrade optimal umgesetzt werden. Dabei müssen Lösungengefunden werden, die sich „anfühlen“ wie die gewohnten Be-dienelemente [18]. Unter Nutzung aller Potentiale kann derVerbrauch um bis zu 15 % gesenkt werden. Mehr als die Hälftedes Personalaufwandes für die Entwicklung komplexer Hy-bridantriebe muss heute für die Software der Betriebsstrategieinvestiert werden.Ein Full Hybrid wird durch elektrische Maschinen mit relativgroßer Leistung (20 kW oder wesentlich mehr) und eine Batte-rie in einer Größe charakterisiert, die eine relevante elektrischeReichweite (> 5 km) ermöglicht. Daraus ergibt sich, dass ei-ne hohe Bordspannung realisiert werden muss (�100 V). EinBeispiel ist der Two-Mode-Hybridantrieb mit einem Getriebein Kombination mit zwei Elektromotoren, drei Planetenradsät-zen und vier Kupplungen, das eine Leistungsverzweigung ineinen elektrischen und einen mechanischen Pfad erlaubt. Eswird so ein stufenlosen ECVT-Getriebe (Electric ContinuouslyVariable Transmission) realisiert, das in zwei Betriebszustän-den arbeiten kann. Ein Modus ist speziell für das Anfahren mitstarker Kraftentfaltung sowie für niedrige Geschwindigkeitenvorgesehen, der zweite für das Fahren bei höherem Tempo.Beim Anfahren wird nur einer der beiden Elektromotoren ak-tiv. Sobald mehr Leistung abgefordert wird, startet der zweiteElektromotor den Verbrennungsmotor automatisch hinzu. Beisteigenden Motorlasten und in höheren Geschwindigkeitsbe-reichen wird die Leistungsübertragung vom elektrischen zummechanischen Antriebszweig verschoben [19, 20].

Unter einem Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV, engl.: grid con-nected hybrid electric vehicle) versteht man ein Fahrzeug,dessen Batterie aus dem öffentlichen Elektrizitätsnetz gela-den werden kann. Nach Fahrtbeginn wird sie zunächst soweit beansprucht, bis der untere zulässige Ladungszustand(SOC – state of charge) erreicht ist. Dann wird ein Generator-satz gestartet. Zum Erzielen einer sinnvoll großen elektrischenReichweite muss das Fahrzeug eine relativ große Batterie mitsich führen. Der benzin-elektrische Generator hat die Rolleeines Range Extenders, d. h. eines Kleinkraftwerks, das dannelektrische Energie zur Verfügung stellt, wenn die Kapazitätder Batterie sich zu erschöpfen droht. Er kann auf nahezu sta-tionären Betrieb bei hohem Wirkungsgrad ausgelegt werden.

1.5.4 Kupplung und Kennungswandler

Hubkolbenmotoren können nicht aus dem Stillstand anlaufen,ihre maximale Leistung steht nur oberhalb der Leerlaufdreh-zahl in einem bestimmten Drehzahlbereich zur Verfügung. Zu-dem ist der Motorwirkungsgrad abhängig vom Betriebspunkt,also dem geforderten Drehmoment bei einer bestimmten Dreh-zahl. Das macht es erforderlich, die Kennung des Motorsan den Zugkraftbedarf des Fahrzeugs anzupassen. Zu diesemZweck werden Kupplungen (engl.: clutch) und Getriebe (engl.:transmission) benötigt.Die Kupplung dient dazu, den Motor bei Schaltvorgängen oderim Leerlauf vom Getriebe zu trennen. Außerdem ermöglichtsie durch schlupfenden Betrieb die Anpassung der Momenteund Drehzahlen von Motor und Getriebe (Bild 26). Viel-fach werden in die Kupplung auch Elemente integriert, dieder Dämpfung von Drehschwingungen im Antriebsstrang die-nen (Bild 27). Für Pkw werden trockene Einscheiben-Zentral-Membranfeder-Kupplungen verwendet (Bild 28). Sie werdenin der Regel über ein Kupplungspedal mit hydraulischem Ge-berzylinder, eine Druckleitung und den am Getriebegehäusebefestigten Nehmerzylinder betätigt. Die Gangwahl erfolgt inder Regel manuell mittels Seilzug oder Gestänge. Schaltmuf-fen verbinden das frei auf der Hauptwelle rotierende Gangradbeim Schalten formschlüssig mit der Welle. Synchronringund Reibbelag stellen die Anpassung der Drehzahlen sicher(Bild 29). Bei Nfz werden vielfach automatisierte Schaltge-triebe eingesetzt, bei Pkw eher selten. Der Schaltvorgang istnotwendigerweise mit einer Zugkraftunterbrechung verbun-den. Manuell geschaltete Pkw-Getriebe haben bis zu sechsGänge, Nfz-Getriebe z. B. 16. Ihr mechanischer Wirkungsgradliegt bei 99 %.

Page 20: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 18 — le-tex

Q 18 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Bild 26. Einscheiben-Trockenkupplung. 1 Verschraubung zumSchwungrad, 2 Druckplatte, 3 Membranfeder, 4 Ausrücker, 5 Ausrück-hebel, 6 Tangentialblattfeder, 7 Kupplungsscheibe mit Torsionsdämp-fer (Quelle ZF-Sachs)

Doppelkupplungsgetriebe (DKG) verfügen über zwei An-triebswellen, auf denen die geraden bzw. die ungeraden Gängedurch Zahnradpaarungen realisiert sind. Nur eine davon istüber eine der beiden Kupplungen mit dem Abtrieb verbunden,in der anderen ist der als nächster vorgewählte Gang eingelegt.Durch sehr schnelles, koordiniertes Öffnen bzw. Schließen derbeiden Kupplungen erfolgt der Gangwechsel. Dieser Vorgangwird elektronisch gesteuert und vermeidet eine Zugkraftunter-brechung (Bild 30). Manuell geschaltete und DKG sind alsStandgetriebe mit zwei oder drei ortfesten Wellen und Zahn-radpaarungen mit permanentem Eingriff auf Vorgelegewelleund Hauptwelle ausgeführt. DKG haben bis zu sieben Gänge.Erhebliche Anstrengungen richten sich auf die Entwicklungintelligenter Schaltprogramme, die Fahrsituation, Topografie,Typ des Fahrers, Beladung des Fahrzeugs usw. in die Schalt-strategie einfließen lassen.

Bild 27. Zweimassenschwungrad (Quelle Schaeffler Gruppe Automotiv Aftermarket)

Alternativ zur Reibungskupplung werden zunehmend hydro-dynamische Wandler mit Pumpenrad, Turbinenrad und Leitradmit Einweg-Freilauf (Trilok-Wandler) eingesetzt (Bild 31).Sie ermöglichen einen verschleißfreien Kraftschluss und eineMomentenüberhöhung beim Anfahren. Sie sind stets schlupf-behaftet; ihr Wirkungsgrad ist schlechter als der einer Rei-bungskupplung. Daher wird der Wandler mit einer Überbrü-ckungskupplung kombiniert, die in möglichst vielen Betriebs-punkten einen direkten Durchtrieb erlaubt. Um diesen Be-reich möglichst auszudehnen, werden zusätzlich mechanischeDrehschwingungsdämpfer (engl.: torsional damper) verbaut.Wandler werden mit Planetengetrieben (engl.: planetary gear)kombiniert, die bis zu acht Schaltstufen ermöglichen. Es ge-lang mit solchen Systemen, den Kraftstoffverbrauch unter dasNiveau des handgeschalteten Vergleichsmodells zu senken.Neben Stufengetrieben werden auch kontinuierlich verstell-bare CVT-Getriebe (Continuously Variable Transmission) inPkw eingesetzt. Sie werden als Varianten von Umschlin-gungsgetrieben mit Variatorkegeln realisiert. Sie haben aber inDeutschland keine große Marktrelevanz gewonnen. Auch To-roid-CVT-Getriebe wurden untersucht, aber kaum eingesetzt.

1.5.5 Achsgetriebe

Das Antriebsmoment eines Kfz wird über die beiden Räder ei-ner Achse oder über beide (bei Nfz auch mehrere) Achsen aufdie Straße übertragen. Differentialgetriebe ermöglichen die fürdas Befahren von Kurven erforderliche Drehzahldifferenz undrealisieren in der Regel eine Übersetzung ins Langsame. Siewerden als Umlaufgetriebe ausgeführt. Über Seitenwellen ge-langt das Moment an die Räder. Wenn ein Rad entlastet wird,erhält auch das andere Rad nur ein reduziertes Moment; dieTraktion ist dann stark eingeschränkt. Differentialsperren be-schränken diesen Effekt. Sie werden so ausgeführt, dass sieauf Drehzahlunterschiede ansprechen (z. B. Haldex) oder Mo-mentenunterschiede erkennen (Torsen, Torque Sensing). MitTorque Vectoring Getrieben (Bild 32) ist es möglich, Antriebs-momente an den Rädern frei vorzugeben.Bei Allradantrieben (engl.: all wheel drive) muss das Momentzwischen den Achsen verteilt werden. In einfachen Ausfüh-rungen geschieht das durch eine manuell betätigte Kupplungzwischen Vorder- und Hinterachse. Bei permanentem Allrad-antrieb muss ein Mittendifferential Drehzahldifferenzen zwi-schen den Achsen ausgleichen. Es wird im einfachen Fallauf ein festes Drehmomentverhältnis zwischen vorne und hin-ten ausgelegt. Variable Kraftverteilungen nutzen Visco-Sperre,Torsen-Differential oder eine steuerbare Lamellenkupplung.

Page 21: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 19 — le-tex

1.5 Antrieb und Bremsen Q 19

Q

Bild 28. Gesamtsystem einer Pkw-Kupplung: Hydraulische Betätigung des Ausrückhebels über das Kupplungspedal (Quelle ZF Friedrichshafen AG)

Bild 29. Manuelles Schaltmuffengetriebe (Quelle GETRAG FORD Transmissions GmbH)

Page 22: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

�Grote, Feldhusen: Dubbel — Entry q01 — 2011/6/9 — 12:09 — page Q 20 — le-tex

Q 20 Fahrzeugtechnik – 1 Kraftfahrzeugtechnik

Parksperrenrad

Abtriebswelle 1

Ausgleichsgetriebe

Doppelkupplung

Eingangswelle 2

Eingangswelle 1

Feder-Dämpfer-Element

Abtriebswelle 2

Abtriebswelle 3

Bild 30. 7-Gang Doppelkupplungsgetriebe (Quelle Volkswagen AG)

Bild 31. 8-Gang-Wandlerautomatikgetriebe ZF 8HP (Quelle BMWGroup)

Bild 32. Torque Vectoring System (Quelle BMW Group)

LESEN SIE

JETZT!

014677x

7 36.000 eBooks aus Wissenschaft, Technik und Medizin

7 Täglich mehr und neue eBooks7 Uneingeschränkt speichern

und drucken

Springer eBooksÜberzeugende Qualität für Ihre Forschung

springer.deABC

014677x_210x138ma_4c.indd 1 18/05/2010 20:15:15

Page 23: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

Ja, ich bestelle Exemplare.

Springer Customer Service Center GmbH, Haberstrasse 7, 69126 Heidelberg, Germany 7 Call: + 49 (0) 6221-345-4301 7 Fax: +49 (0) 6221-345-4229 7 Email: [email protected] 7 Web: springer.de

€ (D) sind gebundene Ladenpreise in Deutschland und enthalten 7% MwSt; € (A) sind gebundene Ladenpreise in Österreich und enthalten 10% MwSt. Die mit * gekennzeichneten Preise für Bücher und die mit ** gekennzeichneten Preise für elektronische Produkte sind unverbindliche Preisempfehlungen und enthalten die landesübliche MwSt. Programm- und Preisänderungen (auch bei Irrtümern) vorbehalten. Es gelten unsere Allgemeinen Liefer- und Zahlungsbedingungen. Springer-Verlag GmbH, Handelsregistersitz: Berlin-Charlottenburg, HR B 91022. Geschäftsführung: Haank, Mos, Hendriks

BezahlunggegenRechnung

BezahlungmitKreditkarte: Eurocard/Access/Mastercard Visa/Barclay AmEx

Nummer: Gültigbis:

BittebestellenSiebeiIhremBuchhändleroderbei: Name

Straße,Nr.

PLZ,Ort

Land

Email

Datum Unterschrift

H3910

Bestellen Sie jetzt !

Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau

K.-H. Grote, J. Feldhusen (Hrsg.)

ISBN978-3-642-17305-9 7 €(D)79,95|€(A)82,19|*sFr107,50

LESEN SIE

JETZT!

014677x

7 36.000 eBooks aus Wissenschaft, Technik und Medizin

7 Täglich mehr und neue eBooks7 Uneingeschränkt speichern

und drucken

Springer eBooksÜberzeugende Qualität für Ihre Forschung

springer.deABC

014677x_210x138ma_4c.indd 1 18/05/2010 20:15:15

Page 24: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

Der DUBBEL ist seit Generationen das Standardwerk der Ingenieu-re mit den Schwerpunkten Allgemeiner Maschinenbau und Verfah-rens- und Systemtechnik. Die laufende Neubearbeitung garantiert die Dokumentation des aktuellen Stands der Technik.

Als unverzichtbares Nachschlagewerk spricht der DUBBEL gleicher-maßen Studierende der Ingenieurwissenschaften als auch die in der Praxis tätigen Ingenieure an und stellt ihnen das erforderliche Basis- und Detailwissen des Maschinenbaus zur Verfügung.

Für die 23. Auflage wurden alle Kapitel aktualisiert und folgende Gebiete grundlegend überarbeitet: Automobiltechnik, Maschinendy-namik und adaptronische Systeme, Urformtechnik, Korrosion und Korrosionsschutz, Energietechnik und Energiewirtschaft, elektroni-sche Datenverarbeitung, Informationstechnologie, Qualitätsmanage-ment, thermischer Apparatebau, Elektrotechnik.

Die ausführliche Darstellung der Mathematik ist jetzt auch als DUBBEL MATHEMATIK erschienen. Außerdem ist sie unter www.dubbel.de abruf-bar.

123

Herausgegeben von K.-H. Grote und J. Feldhusen

Taschenbuchfür den Maschinenbau23. Auflage

Taschenbuch für den

Maschinenbau

23. Auflage

DUBBEL

Herausgegeben von

K.-H. Grote und J. Feldhusen

1

isbn 978-3-642-17305-9

springer.de

Page 25: DUBBEL - spektrum.de · auf 1130 Mrd. Pkm. Für die einzelnen Verkehrsträger wer- den unterschiedliche Wachstumsraten erwartet: MIV C16%, öffentlicher Personennahverkehr C4%, Eisenbahn

http://www.springer.com/978-3-642-17305-9