Karl-Ludwig Haken

Grundlagen der Kraftfahrzeugtechnik

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www.hanser-fachbuch.de

€ 29,99 [D] | € 30,90 [A]

ISBN 978-3-446-44216-0

Karl-Ludwig Haken

Grundlagen derKraftfahrzeug-technik

4., aktualisierte Auflage

Dieses Buch vermittelt einen systematischen Überblick über Aufbau und Funktionsweise sämtlicherHauptkomponenten des Kraftfahrzeugs, wobei insbesondere die Baugruppen Antrieb und Fahrwerk detailliert behandelt werden. Weiterhin werden Fahrwiderstand, Motor- und Antriebskennfeld und die hieraus abgeleiteten Fahrleistungs- und Verbrauchsberechnungen erläutert und die kraftschlussbedingtenFahrgrenzen und die Fahrdynamik allgemein dargelegt.

Das Buch eignet sich hervorragend für Studierende als Einführung in das Gesamtgebiet, als vorlesungs -begleitende Literatur und zur Prüfungsvorbereitung. Um den unterschiedlichen Ansprüchen gerecht zu werden, sind die Zusammenhänge zunächst anschaulich dargestellt und – soweit zulässig – auch vereinfacht. In anschließenden separaten Unterkapiteln wird eine wissenschaftliche Vertiefung geboten.Hierdurch kann das Buch in vielen Fällen auch bei der Ausarbeitung von Abschlussarbeiten und im späteren Berufsleben nützlich sein. Darüber hinaus ist es für viele in der Fahrzeugentwicklung arbeitendeWissenschaftler und Techniker, die nicht auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik ausgebildet wurden, ein ideales Werk für das Selbststudium der Grundlagen zum Kraftfahrzeug.

Dr.-Ing. Karl-Ludwig Haken ist Professor an der Fakultät Fahrzeugtechnik der Hochschule Esslingen. Er lehrt insbesondere Grundlagen des Kraftfahrzeugs und betreut das Formula Student Team »Rennstall« der Hochschule.

Leserkreis:• Studierende des Fahrzeug- und Maschinenbaus und artverwandter Fächer• Ingenieure, Physiker, Informatiker und Elektroniker, die in der Fahrzeugindustrie tätig sind• interessierte Fachleute

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Haken

Grundlagen derKraftfahrzeugtechnik

Fahrzeugtechnik

Karl-Ludwig Haken

Grundlagen derKraftfahrzeugtechnik

4., aktualisierte Auflage

Mit 141 Bildern und 36 Tabellen

sowie 20 Übungsaufgaben

Herausgeber:Prof. Dr.-Ing. Karl-Ludwig HakenProf. Dipl.-Ing. Werner KlementHochschule Esslingen, Fakultät Fahrzeugtechnik

Autor:Prof. Dr.-Ing. Karl-Ludwig HakenHochschule Esslingen, Fakultät Fahrzeugtechnik

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

ISBN 978-3-446-44216-0E-Book-ISBN 978-3-446-44105-7

Bild Seite 2: Daimler AG

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigtauch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzei-chen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt wer-den dürften.Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilendaraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeinerForm (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung,reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet wer-den.

© 2015 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.deLektorat: Ute EckardtHerstellung: Katrin WulstSatz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad LangensalzaDruck und Bindung: Kösel, KrugzellPrinted in Germany

Tom DeMarcoAls auf der Welt das Licht ausging

ca. 560 Seiten. Hardcover

ca. € 19,99 [D] / € 20,60 [A] / sFr 28,90

ISBN 978-3-446-43960-3

Erscheint im November 2014

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»Der Weltuntergang steht bevor, aber nicht so, wie Sie denken. Dieser Krieg jagt nicht alles in die Luft, sondern schaltet alles ab.«

Im obersten Stock der Cornell University’s Clark Hall stehen der Physiker Homer Layton und seine drei jungen Assistenten vor einem Durchbruch, der es ermöglicht, die Zeit etwas langsamer ablaufen zu lassen. Sie vermuten, dass der sogenannte Layton- Effekt keinen praktischen Nutzen haben wird, rechnen aber damit, dass die von ihnen geplante Abhandlung einem Paukenschlag in der Welt der theoretischen Physik gleichkommen wird. Doch dann bemerkt Loren Martine, jüngstes Mitglied von Homers Team, etwas Seltsames: Wird die Zeit verlangsamt, reicht die in Brenn-stoffen gespeicherte Energie nicht mehr für ein plötzliches Feuer. Dinge können noch immer brennen, wenn auch langsamer, aber nichts kann mehr explodieren. Die Wissenschaftler stellen sich eine Art Layton-Effekt-Taschenlampe vor, die das Abfeuern einer Waffe verhindert. Ihnen wird klar, dass man auch die Explosion einer Bombe oder gar einen ganzen Krieg verhindern könnte.

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Leseprobe

5

Vorwort

Das Kraftfahrzeug ist über 120 Jahre alt, dennochkann seine Entwicklung keinesfalls als abgeschlos-sen betrachtet werden. Es gilt nach wie vor, dieSicherheit und die Umweltverträglichkeit weiter zusteigern. Hierbei ergeben sich durch die immernoch wachsenden Möglichkeiten der Elektronik aufder einen Seite und durch die Entwicklung neuerMaterialien auf der anderen Seite ständig weitereEntwicklungsmöglichkeiten. Der Beruf der Fahrzeug-ingenieure bleibt daher spannend.

Dennoch können die Ingenieure die neuen Mög-lichkeiten nur nutzen, wenn sie die Grundlagen desKraftfahrzeugs beherrschen. Mit einem Beispielmöchte ich dies verdeutlichen: Durch den Einsatzeiner Unterbodenverkleidung lässt sich der Luftwi-derstand reduzieren, auf der anderen Seite erhöhtsich hierdurch die Fahrzeugmasse. Ein geringererLuftwiderstand führt zu einer Verbrauchsreduzie-rung, eine Erhöhung der Fahrzeugmasse hingegenzu einer Vergrößerung des Verbrauchs. Möchte mannun bereits während der Entwicklung des Fahrzeugsdie Auswirkung dieser Maßnahme auf den Verbrauchrichtig abschätzen, muss man den Fahrwiderstandin Abhängigkeit vom Fahrzustand berechnen kön-nen. Hieraus lässt sich dann die jeweils erforder-liche Motorleistung bestimmen. Je nach gewählterÜbersetzung von Achs- und Schaltgetriebe ergebensich eine andere Motordrehzahl, damit ein andererBetriebspunkt im Motorkennfeld und auch ein ande-rer Streckenverbrauch. Ich denke, dieses Beispielzeigt deutlich, dass man die Zusammenhänge ver-stehen muss, um diese Aufgabe erfolgreich lösen zukönnen. Daher werden bei der Ausbildung von Fahr-zeugingenieuren nach wie vor die Grundlagen desKraftfahrzeugs ausgiebig behandelt.

Als Dozent werde ich häufig nach Büchern zu denGrundlagen des Kraftfahrzeugs gefragt. Meine Emp-fehlungen diverser Bücher zum Thema Kraftfahrzeugstellten meine Studierenden nicht immer voll zu-frieden. Entweder waren ihnen die Bücher zu spezi-fisch auf einzelne Spezialgebiete ausgerichtet odererschienen ihnen zu theoretisch. So entstand diesesvorliegende Buch, das sich in erster Linie an Stu-dierende richtet, aber sicherlich auch im späterenBerufsleben noch öfters hilfreich sein dürfte. DemWunsch, unterschiedlichen Ansprüchen gerecht zuwerden, soll dadurch Rechnung getragen werden,dass vereinfachte und wissenschaftlich möglichstexakte Betrachtungen in jeweils separaten Unterka-piteln zusammengefasst sind.

Herzlich bedanken möchte ich mich bei allen, diezum Gelingen dieses Buches beigetragen haben.Dies sind alle genannten und nicht genannten Fir-men und die dahinter stehenden Personen, die mirgeeignete Bilder und technische Beschreibungenzur Verfügung gestellt haben. Besonderer Dank giltdem Carl Hanser Verlag, vertreten durch Ute Eckardtund Katrin Wulst, die mich mit Geduld, Rat und Tatbei der Gestaltung des Buches unterstützt haben.Bedanken möchte ich mich auch bei meinem Kolle-gen und Mitherausgeber Werner Klement und beimeinen Studierenden, die mich ermutigt haben,dieses Buch zu schreiben. Ganz besonders bedankenmöchte ich mich bei meiner Familie und meinenFreunden für die Rücksichtnahme und für die Kor-rektur meines Manuskripts.

Falls Sie Anregungen zur Verbesserung dieses Bu-ches haben, lassen Sie es mich wissen. Nun wün-sche ich Ihnen viel Spaß beim Lesen!

Esslingen, im Januar 2015 Karl-Ludwig Haken

6

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung ........................................ 9

2 Gesamtfahrzeug.................................. 112.1 Koordinatensysteme ..................... 112.2 Wichtige Maße ............................ 122.3 Aufteilung in Baugruppen ............. 14

3 Antrieb .............................................. 153.1 Antriebskonzepte......................... 153.2 Ausführungen und Kombinationen

von Antriebsmaschinen................. 183.3 Speicherung der Antriebsenergie .... 223.4 Antriebsstrang, Kennungswandler

für Verbrennungsmotoren.............. 243.4.1 Anordnung, Aufbau,

Funktion .......................... 243.4.2 Ausführungen von Kupp-

lungen und Wandlern......... 263.4.3 Ausführungen von Getrieben 293.4.4 Ausführung des Differenzials 34

4 Fahrwerk............................................ 364.1 Räder und Reifen ......................... 36

4.1.1 Anforderungen an den Reifen 364.1.2 Reifenaufbau .................... 374.1.3 Reifenabmessungen und

Reifenkennzeichnungen ..... 384.1.4 Räder .............................. 424.1.5 Eigenschaften des Reifens

bezüglich des Kraftschlusses 434.1.6 Reifenverhalten bei reiner

Längs- oder Seitenkraft ...... 464.1.7 Reifenverhalten bei Über-

lagerung von Längs- undSeitenkraft ....................... 56

4.1.8 Dynamisches Reifenverhalten 584.1.9 Federeigenschaften des

Reifens ............................ 604.2 Bremsen ..................................... 61

4.2.1 Einteilung ........................ 614.2.2 Aufgaben der Bremsanlage .. 64

4.2.3 Aufbau der Bremsanlage..... 644.2.4 Bauarten von Brems-

anlagen ........................... 694.3 Radführungen.............................. 77

4.3.1 Aufbau von Radführungen .. 784.3.2 Bauarten von Radführungen 784.3.3 Achskinematik .................. 874.3.4 Achselastokinematik .......... 95

4.4 Lenkung ..................................... 974.4.1 Anforderungen an die

Lenkung........................... 974.4.2 Aufbau der Lenkung........... 984.4.3 Hilfskraftlenkung............... 1034.4.4 Lenkungen mit variabler

Übersetzung ..................... 1074.5 Federung und Dämpfung ............... 109

4.5.1 Aufgaben der Federung ...... 1094.5.2 Bauarten von Federn.......... 1114.5.3 Schwingungsdämpfer ......... 121

5 Aufbau/Karosserie .............................. 1275.1 Bezeichnungen der einzelnen

Bauteile einer Pkw-Karosserie ........ 1275.2 Aufbaukonzepte........................... 1275.3 Aufbauvarianten .......................... 132

6 Elektrik/Elektronik ............................. 1336.1 Bordelektrik ................................ 1336.2 Elektronik-Bussysteme .................. 133

7 Fahrwiderstand................................... 1377.1 Radwiderstand............................. 137

7.1.1 Rollwiderstand .................. 1377.1.2 Schwallwiderstand ............. 1427.1.3 Lagerreibung .................... 1427.1.4 Vorspurwiderstand ............. 1447.1.5 Kurvenwiderstand.............. 1457.1.6 Federungswiderstand ......... 1487.1.7 Gesamter Radwiderstand..... 149

7.2 Luftwiderstand ............................ 1507.2.1 Fahrzeugumströmung......... 150

Inhaltsverzeichnis 7

7.2.2 Luftwiderstand bei Wind-stille ............................... 151

7.2.3 Luftwiderstand beinatürlichem Wind .............. 153

7.3 Steigungswiderstand .................... 1557.4 Beschleunigungswiderstand........... 1567.5 Zughakenwiderstand..................... 1587.6 Gesamtfahrwiderstand .................. 1607.7 Fahrwiderstandsleistung ............... 1607.8 Experimentelle Ermittlung

des Fahrwiderstands ..................... 1627.8.1 Ermittlung des Radwiderstands

mittels Prüfvorrichtung ...... 1627.8.2 Ermittlung des Luftwider-

stands im Windkanal.......... 1637.8.3 Ermittlung des Steigungs-

widerstands...................... 1667.8.4 Ermittlung des Beschleuni-

gungswiderstands.............. 1677.8.5 Ermittlung des Fahrwider-

stands und einzelnerAnteile mit dem Fahrzeugauf der Teststrecke ............ 167

8 Antriebskennfeld................................ 1708.1 Erforderliche Antriebskraft und

Antriebsleistung an den Antriebs-rädern ........................................ 170

8.2 Ideale Antriebskennung................ 1708.3 Reale Kennfelder von Fahrzeug-

motoren ..................................... 1728.4 Annäherung des Antriebskennfelds

an das ideale Kennfeld mittelsAnfahrkupplung und Stufengetriebe 176

8.5 Leistungsfluss mit Verlusten .......... 1808.6 Getriebeabstufung........................ 1828.7 Beispiel...................................... 1868.8 Besonderheiten bei der Verwendung

eines Drehmomentwandlers beimAnfahren .................................... 188

9 Fahrleistungen, begrenzt durchMotorleistung..................................... 1919.1 Höchstgeschwindigkeit ................. 1919.2 Steigfähigkeit ............................. 193

9.3 Beschleunigungsfähigkeit ............. 1959.4 Sonderfall: Motor im Schubbetrieb.. 1979.5 Genauere Betrachtung .................. 199

10 Kraftstoffverbrauch ............................ 20310.1 Kenngrößen ................................ 20310.2 Normverbrauch ............................ 20510.3 Berechnung des Streckenverbrauchs 20710.4 Verbrauchsgünstige Übersetzung

und Fahrweise ............................. 209

11 Fahrdynamik – Fahrleistungen begrenztdurch Kraftschluss .............................. 21411.1 Längsdynamik ............................. 214

11.1.1 Dynamische Radlastenbeim Beschleunigen,Bremsen, Steigungs- undGefällefahrt .................... 214

11.1.2 Bestimmung des Nick-winkels .......................... 218

11.1.3 Maximale Beschleunigungs-und Steigfähigkeit auf-grund des Kraftschlusses .. 219

11.1.4 Erforderlicher Kraftschlussbeim Antreiben ............... 222

11.1.5 Bremsverhalten ............... 22311.1.5.1 Ideale Bremskraftvertei-

lung/idealer Allrad-antrieb........................... 223

11.1.5.2 Auslegung der installiertenBremskraftverteilung........ 227

11.1.5.3 Das Antiblockiersystem(ABS), Bremskraftmindererund die elektronischeBremskraftverteilung........ 229

11.1.5.4 Erforderlicher Kraftschlussbeim Bremsen ................. 236

11.1.5.5 Mögliche Abbremsungohne blockierte Räder bzw.ohne aktives ABS ............ 237

11.1.5.6 Brems- und Anhalteweg.... 23811.1.5.7 Zusammenhang zwischen

Bremskraft und Fußkraft ... 24311.1.5.8 Bremsleistung und Brems-

energie .......................... 245

8 Inhaltsverzeichnis

11.2 Querdynamik ............................... 24511.2.1 Eigenlenkverhalten ............ 24811.2.2 Wankwinkel bei stationärer

Kurvenfahrt ...................... 25411.2.3 Dynamische Radlasten

beim Vierradfahrzeug beistationärer Kurvenfahrt ...... 259

11.2.4 Auswirkungen der Radlast-änderungen bei Kurven-fahrt auf die übertrag-baren Seitenkräfte............. 262

11.2.5 Möglichkeiten zur Beein-flussung des Eigenlenk-verhaltens beim Vierrad-fahrzeug .......................... 264

11.2.6 Querdynamik bei Nutzfahr-zeugen ............................ 268

11.3 Vertikaldynamik........................... 27011.4 Fahrdynamikregelsysteme.............. 275

12 Übungsaufgaben................................. 28112.1 Beispielfahrzeuge......................... 28112.2 Aufgaben.................................... 285

12.2.1 Aufgaben zum Fahrwider-stand............................... 285

12.2.2 Aufgaben zur Höchst-geschwindigkeit ............... 286

12.2.3 Aufgaben zur Steig- undBeschleunigungsfähigkeit .. 287

12.2.4 Aufgaben zum Kraftstoff-verbrauch......................... 292

12.2.5 Aufgaben zum Brems-verhalten ......................... 293

12.3 Lösungen.................................... 297

13 Literaturverzeichnis............................ 305

14 Formelzeichenverzeichnis.................... 306

15 Sachwortverzeichnis............................ 310

9

1 Einführung

Was verstehen wir unter dem Begriff „Kraftfahr-zeug“? Um es von anderen Verkehrsmitteln zu un-terscheiden, wird es wie folgt definiert:

Ein Kraftfahrzeug ist ein• maschinell angetriebenes• selbstfahrendes (automobiles) Landfahrzeug.• nicht schienengebundenes

In diesem Buch sind die Grundlagen zu Personen-kraftwagen, Lastkraftwagen und Omnibussen er-läutert. Um den Umfang nicht zu sprengen, werdenMotorräder und Anhänger nur am Rande behandelt.

Einteilung in Fahrzeugklassen

Straßenfahrzeuge dienen zum Transport von Personenund Gütern, dennoch werden sehr unterschiedlicheAnforderungen an sie gestellt. Bei Nutzfahrzeugenspielen ökonomische Geschichtspunkte eine do-minante Rolle, d. h., hier sind Nutzraum und Nutzlastzu maximieren sowie Energieverbrauch und Unter-haltsaufwendungen zu minimieren. Die Fahrleistun-gen und die Fahrsicherheit werden hierbei auch unterökonomischen Gesichtspunkten gesehen, da durchkürzere Fahrzeiten Kosten gespart werden können.

Bei Pkws sind die Kundenwünsche weit vielfälti-ger. So sind neben dem Nutzraum auch Design,Fahrleistungen, Fahrverhalten, Image, Insassenun-fallschutz und Komfort wichtige Kriterien, die vonjedem Kunden sehr unterschiedlich gewichtet wer-den. Besonders an Bedeutung zugenommen habenaktive Systeme, die das Fahrverhalten in kritischenSituationen verbessern und damit zur Vermeidungvon Unfällen beitragen können. Sämtliche fahr-zeugseitigen Maßnahmen, die zur Vermeidung vonUnfällen beitragen, werden unter dem Begriff „ak-tive Sicherheit“ zusammengefasst. Die „passiveSicherheit“ dient hingegen dazu, die Folgen für dieInsassen bei einem Unfall so gering wie möglich zu

halten. Hierzu zählen beispielsweise die Fahrzeug-karosserie mit definierten Knautschzonen, Airbags,und aktive Pre-crash-Maßnahmen, die heute aucheindeutig Kaufkriterien sind. Die Aufteilung inaktive und passive Sicherheit wurde übrigens erst1964 von dem italienischen Journalisten LUIGI LOCA-TI vorgeschlagen. Obwohl diese Begriffe unter Wis-senschaftlern umstritten sind, haben sie sich raschim Kraftfahrzeug-Vokabular etabliert.

Um diesen unterschiedlichen KundenwünschenRechnung zu tragen, existiert eine Vielzahl vonunterschiedlichen Antriebs- und Fahrwerkskonzep-ten sowie Aufbauten. Diese werden in den Kapiteln3, 4 und 5 behandelt. Darüber hinaus werden Stra-ßenfahrzeuge für stark unterschiedliche Einsatzzwe-cke (z. B. Personenbeförderung, Warentransport, Ar-beitsmaschinen) gebaut. Damit die Gesetzgebungdiesem gerecht werden kann, wurden die Straßen-fahrzeuge von der Economic Commission of Europe(ECE) nach folgendem Schema eingeteilt:

Klasse L:

Kraftfahrzeuge mit weniger als 4 Rädern: Krafträ-der, Dreiräder

Stufung Bauart Hubraum Höchst-geschwin-digkeit

L1 Zweirädrig ≤ 50 cm3 ≤ 50 km/h

L2 Dreirädrig ≤ 50 cm3 ≤ 50 km/h

L3 Zweirädrig > 50 cm3 > 50 km/h

L4 dreirädrig,asymmetrisch zurFahrzeuglängsachse

> 50 cm3 > 50 km/h

L5 dreirädrig,symmetrisch zurFahrzeuglängsachse

> 50 cm3 > 50 km/h

10 1 Einführung

Klasse M:

Zur Personenbeförderung bestimmte Kraftfahrzeugemit mindestens 4 Rädern

Stufung Führersitz +Sitzplätze

Gesamtmasse

M1 1 ≤ 9

M2 > 9 ≤ 5 t

M3 > 9 > 5 t

Fahrzeuge der Klassen M2 und M3 werden noch wei-ter unterteilt (bei Bedarf bitte beachten!).

Klasse N:

Zur Güterbeförderung bestimmte Kraftfahrzeuge mitmindestens 4 Rädern.

Stufung Gesamtmasse

N1 ≤ 3,5 t

N2 > 3,5 t und ≤ 12 t

N3 > 12 t

Klasse O:Anhänger und Sattelanhänger

Stufung Gesamtmasse

O1 ≤ 0,75 t

O2 > 0,75 t und ≤ 3,5 t

O3 > 3,5 t und ≤ 10 t

O4 > 10 t

Fahrzeuge der Klassen M, N oder O können für spe-zielle Aufgaben ausgerüstet sein (z. B. Caravan).

Weitere Klasseneinteilungen gibt es für Land-und Forstwirtschaftsfahrzeuge und für Offroadfahr-zeuge (Klasse G).

Bei den jeweiligen Gesetzen werden diese Be-zeichnungen verwendet, ohne die AbkürzungenPkw, Nkw usw. anzugeben.

11

2 Gesamtfahrzeug

2.1 KoordinatensystemeBeim Fahrzeug benötigen wir ein Koordinatensys-tem, wenn wir zum Beispiel die Fahrzeugbewegungbeschreiben oder in der Konstruktion die Lage dereinzelnen Bauteile definieren wollen. Aufgrund derstark variierenden Anwendungsfälle sind hierbeiunterschiedliche Koordinatensysteme gebräuchlich,wobei stets• der Ursprung auf die Fahrzeugmittelebene gelegt

wird,• die x-Achse der Fahrzeuglängsachse entspricht,• die y-Achse der Fahrzeugquerachse und• die z-Achse der Fahrzeughochachse.

In der Berechnung und beim Fahrzeugversuch bie-tet sich das in der DIN 70000 definierte Koordina-tensystem an, vgl. Bild 2.1 links. Der Ursprung liegtim Schwerpunkt, die x-Achse zeigt in Fahrtrichtung,die y-Achse nach links und die z-Achse nach oben.

Dieses Koordinatensystem kann allerdings in derFahrzeugkonstruktion nicht angewendet werden, dazunächst die Lage des Schwerpunkts nicht bekanntist. Daher wird in der Konstruktion gewöhnlich einPunkt im Bereich der Fahrzeugfront als Ursprungverwendet, z. B. die Vorderachse. Damit die Koordi-naten der meisten Bauteile positive Werte haben,zeigt jetzt die x-Achse nach hinten, die y-Achsenach rechts und die z-Achse nach oben, vgl. Bild2.1 Je nach Fahrzeughersteller können allerdings

auch von diesen abweichende Koordinatensystemeangewendet werden. Daher muss bei der Angabevon Fahrzeugkoordinaten stets das dazugehörigeSystem angegeben werden.

Da ein Körper im Raum 3 translatorische und3 rotatorische Freiheitsgrade hat, betrachten wirzur Beschreibung der Fahrzeugbewegung die Bewe-gung in Richtung der 3 Achsen und die Drehung umdie 3 Achsen. Die hierbei üblichen Begriffe zurBezeichnung dieser Bewegungen sind in Tabelle 2.1zusammengefasst.

Tabelle 2.1: Definitionen zur Beschreibung der Fahrzeug-bewegung

x-Achse y-Achse z-Achse

Bewegungin Richtungder

Fahren(Zucken,Rucken)

Schieben Federn

Drehungum die

Wanken bzw.Rollen→ Wank-winkel φ

Nicken→ Nick-winkel θ

Gieren→ Gier-winkel ψ

In diesem Buch wird der Ursprung in den Schwer-punkt gelegt, die x-Achse zeigt in Fahrtrichtung,die y-Achse nach rechts und die z-Achse nach un-ten. Durch diese Wahl entsteht beim Beschleunigenein positiver Nickwinkel, wie in Bild 2.2 erkennbarist.

Bild 2.1: Koordinatensystem ent-sprechend DIN 70000 (links) und inder Konstruktion angewendetesKoordinatensystem (rechts)

12 2 Gesamtfahrzeug

Bild 2.2: In diesem Buch verwendetes Koordinatensystem

2.2 Wichtige Maße

In Bild 2.3 sind die wichtigsten Maße am Fahrzeugeingetragen. Bei den Hauptabmessungen ist zubeachten, dass die Fahrzeugbreite ohne Außenspie-gel bestimmt wird.

Für die Fahrdynamik interessieren der Radstandl, die Spurweiten b und die Lage des Schwer-punkts. Da die Räder nicht zwingend senkrecht zurFahrbahn stehen, sondern unter einem Sturzwinkel

(vgl. Kap. 4.1.6 und 4.3.3), werden die Spurweitenauf Höhe der Fahrbahn zwischen den theoretischenRadaufstands-Mittelpunkten ermittelt, vgl. Bild 2.3.Die Lage des Schwerpunkts wird durch die Schwer-punktshöhe und die in x-Richtung gemessenenAbstände des Schwerpunkts zur Hinter- und Vorder-achse angegeben, die mit lh und lv bezeichnet wer-den. Vereinfacht wird der Schwerpunkt als in derFahrzeugmittelebene liegend angenommen.Möchte man auch den Einfluss der Aerodynamikauf die Fahrdynamik berücksichtigen, so benötigtman neben den Windkräften auch deren Angriffs-punkte. Diese werden idealisiert in einem Punktangenommen, der als Druckpunkt D bezeichnetwird. Bei einer symmetrischen Karosserie wirkt dieLuftwiderstandskraft ohne Seitenwind in Fahrzeug-mitte. Daher wird D auf die Fahrzeugmittelebenegelegt. Bei Seitenwind interessiert die Lage desDruckpunkts in x-Richtung. Je weiter der Druck-punkt vor dem Schwerpunkt liegt, desto größer wirddas erzeugte Giermoment, das das Fahrzeug ausdem Wind dreht. Die Seitenwindempfindlichkeitnimmt damit zu. Daher wird der Abstand zwischenD und S in x-Richtung zur Lagebeschreibung des

Bild 2.3: Wichtigste Maße am Fahrzeug

2.2 Wichtige Maße 13

Druckpunkts verwendet und mit lDS bezeichnet. ImDruckpunkt wirkt zusätzlich die gesamte Auftriebs-kraft. Aus der resultierenden Kraft aus Luftwider-stand und Auftrieb und den tatsächlich an denAchsen auftretenden Auftriebskräften lässt sich dieHöhe des Druckpunkts relativ zur Fahrbahn ermit-teln, die mit hD bezeichnet wird.

Im Anhängerbetrieb wirken zusätzliche Kräfte aufdas Zugfahrzeug. Diese greifen im Anhängekugel-kopf an, den wir als Zughaken Z bezeichnen. ZurBeschreibung der Lage von Z werden der Abstand inx-Richtung zum Schwerpunkt, der mit lZS bezeichnetwird, und die Höhe hZ oberhalb der Fahrbahn ver-wendet. (Da die Anhängevorrichtung in Fahrzeug-mittelebene angebaut wird, entfällt eine Angabe inFahrzeugquerrichtung).Weiter interessieren uns die in Bild 2.4 dargestell-ten Abmessungen am Rad. Der AußendurchmesserDa ist zusammen mit der Reifenbreite interessantbei der Gestaltung des Radhauses und führt durchdie Reifeneinfederung f zu dem Abstand rstat zwi-schen Radachse und Fahrbahn. Dieser Abstandnimmt aufgrund der Fliehkraft mit steigender Ge-schwindigkeit etwas zu. Statisch steht daher nur imGegensatz zum dynamischen Radhalbmesser rA(häufig auch mit rdyn bezeichnet), der aus dem Ab-

Bild 2.4: Abmessungen am Rad

rollumfang UA berechnet wird:

= =πA

A dyn( )2U

r r (Gl. 2.1)

Für Fahrleistungsbetrachtungen interessiert nur derdynamische Radius rA. Wollen wir nämlich die Fahr-geschwindigkeit vx aus der Radkreisfrequenz ωRberechnen, so gilt unter Vernachlässigung desSchlupfes (vgl. Kap. 4.1.6):

ω= ⋅x R Av r . (Gl. 2.2)

Bei der Fahrleistungsrechnung interessiert häufigdie Umrechnung zwischen dem an der Antriebsach-se anliegenden Antriebsmoment MA und der An-triebskraft FA. Wie wir aus der Physik wissen, giltfür die Leistung:

ω= ⋅ = ⋅A x A RP F v M (Gl. 2.3)

bzw. mit Gl. (2.2)

ω= ⋅ =R AA A

x A

MF M

v r(Gl. 2.4)

d. h., auch hier müssen wir den dynamischen Rad-halbmesser rA verwenden.

Am Beispiel eines Reifens der Dimension 195/65R15, der nach Norm auf eine Felge der Größe 6J × 15montiert wird, zeigt sich der Unterschied zwischenden einzelnen Radhalbmessern. Die im Folgendengrau unterlegt angegebenen Werte können der DIN70020 bzw. den Tabellenhandbüchern der Reifen-hersteller entnommen werden.Außendurchmesser Da = 645 mm → Außenradhalb-

messer =a645

mm = 322,52

r mm

Abrollumfang → dynamischer Rad-

halbmesser = ≈πA

1935mm 308 mm

2r

UA = 1935 mm

14 2 Gesamtfahrzeug

statischer RadhalbmesserWir erkennen: > >a A stat.r r rSetzen wir den dynamischen Radhalbmesser auf100 %, so beträgt der Außenradhalbmesser 104,7 %und der statische Radhalbmesser 94,2 %. DurchEinsetzen des falschen Radhalbmessers können wirbei der Fahrleistungsrechnung einen Fehler von ca.5 % verursachen.

Wer es genauer betrachten möchte:Gelegentlich wird in der Literatur zur Umrech-nung von Antriebsmoment in Antriebskraft dieVerwendung des Abstandes zwischen Radachseund Fahrbahn vorgeschlagen, da sich dies ausder Momentenbeziehung am starren Rad ergibt.Hierbei wird aber außer Acht gelassen, dass sichder Reifen unter der Einwirkung einer Längskraftverformt. Dadurch wandert der Angriffspunkt dervon der Fahrbahn auf den Reifen wirkenden Nor-malkraft in Längsrichtung und erzeugt ein zu-sätzliches Moment, wie in Kap. 7.1.1 im Zusam-menhang mit dem Rollwiderstand gezeigt wird.

2.3 Aufteilung in Baugruppen

Das Gesamtfahrzeug wird häufig in folgendeBaugruppen aufgeteilt:• Karosserie,• Antrieb,• Fahrwerk.

Zusätzlich sind noch die Elektrik und Elektronik inallen drei Baugruppen integriert. In Tabelle 2.2 sinddie wichtigsten Fahrzeugbauteile den genanntenBaugruppen zugeordnet. Bei bestimmten Bauteilen,wie der Pedalerie ist eine eindeutige Zuordnungnicht möglich, diese Bauteile sind in der Tabellekursiv gedruckt.

Tabelle 2.2: Aufteilung des Fahrzeugs in drei Baugruppen

Karosserie Antrieb Fahrwerk

Rohkarosserieinkl. Türen, Hau-ben und evtl.Verdeck

VerglasungDichtungenTür- und Hauben-

schlösserScheibenwisch-

anlageBeleuchtungs-

einrichtungenZierleistenStoßfängerInstrumenteSitzeInnenausschlag

und -verklei-dungen, Teppi-che

Heizung undKlimatisierung

PedalerieBatterie, Elektrik

und Elektronik

Motor inkl. An-saug- und Aus-pufftrakt

MotorkühlungEnergiespeicherDrehzahl-

Drehmoment-wandler (z. B.Kupplung undSchaltgetriebe)

evtl. KardanwelleAchsgetriebeAntriebswellenElektrik und

Elektronik

Reifen und RäderRadführungenFedern und

DämpferBremsanlageLenkungElektrik und

Elektronik

Die Karosserie trägt mit knapp 50 % zum Fahr-zeuggesamtgewicht bei. Der Antrieb macht ca.30 % aus, das restliche Gewicht kann dem Fahr-werk zugeordnet werden.

rstat = 290 mm

15

3 Antrieb

Durch die Erfindung von Kraftmaschinen in denletzten beiden Jahrhunderten waren die Vorausset-zungen für die Erfindung des Kraftfahrzeugs ge-schaffen. Auch heute nach über 100 Jahren Auto-mobilbau kann die Entwicklung des Fahrzeugan-triebs noch keinesfalls als abgeschlossen betrach-tet werden. An den Antrieb werden einige Anforde-rungen gestellt. Die wichtigsten sind nachfolgendzusammengefasst. Der Begriff „ausreichende An-triebsleistung“ kann sehr unterschiedlich interpre-tiert werden. Die hier angegebenen Werte sind sogewählt, dass die zulässigen Geschwindigkeitenauch auf Straßen mit üblichen Steigungen gefahrenwerden können. Bei Nutzfahrzeugen liegen die aufdie Fahrzeugmasse bezogenen Leistungen deutlichdarunter, hier ist ein Abfall der Geschwindigkeit inder Steigung normal.

Anforderungen an den Antrieb:• ausreichende Leistung (Leistungsgewicht heute

bei Pkw üblich: < 25 kg/kW),• maximale Leistung möglichst wenig geschwindig-

keitsabhängig,• Leistungsabgabe schnell variierbar (von Schub-

betrieb bis Volllast),• hohe Leistungsdichte des Antriebs (Leistung/

Bauraum),• geringes Leistungsgewicht des Antriebs (Gewicht

Antriebsaggregat/Leistung),• hohe Energiedichte des Energiespeichers,• guter Wirkungsgrad,• geringe Schadstoffemission,• geringe Geräuschemission,• geringe Schwingungen,• zuverlässig,• hohe Lebensdauer,• günstig herstellbar,• recyclebar,• ungefährlich.

In Kapitel 3.1 wird zunächst auf Antriebskonzeptemit Verbrennungsmotor eingegangen. Die folgen-

den Unterkapitel befassen sich mit den einzelnenBauteilen des Antriebstrangs. Hierbei wird auchdie Speicherung der Antriebsenergie betrach-tet.

3.1 Antriebskonzepte

Die heute gebräuchlichen Antriebskonzepte ver-wenden einen Verbrennungsmotor, der über Ge-triebe und Wellen die Fahrzeugräder zumindesteiner Achse antreibt. Die erforderliche Raddrehzahlergibt sich aus der Fahrgeschwindigkeit. Da dieLeistung des Verbrennungsmotors stark drehzahl-abhängig ist (vgl. Kap. 8.3), benötigen wir einenDrehzahl-/Drehmomentwandler (vgl. Kap. 3.4),um im gesamten Geschwindigkeitsbereich fahren zukönnen. Bei Fahrzeugen in den USA wird hierzu fastausschließlich ein automatisch schaltendes Stu-fengetriebe, kombiniert mit einem hydrodynami-schen Wandler, verwendet. In Europa wird hinge-gen ein vom Fahrer mechanisch zu schaltendesStufengetriebe, kombiniert mit einer mechani-schen Reibkupplung, bevorzugt. Stufenlose Getrie-be gewinnen in letzter Zeit an Bedeutung.

Wie in Bild 3.1 dargestellt ist, wird der Motorbeim Pkw je nach gewähltem Konzept vorn (imBereich der Vorderachse), vor der Hinterachse (manspricht dann von Mittelmotor) oder im Fahrzeug-heck (hinter der Hinterachse) angeordnet.

Je nach Wahl der Motorlage und Einsatzzweckdes Fahrzeugs ist es sinnvoll, die Vorder-, die Hin-terachse oder alle Räder anzutreiben. Gebräuchlichsind hierbei folgende Konzepte, die nach Häufig-keit der in Deutschland zugelassenen Pkw sortiertsind:

Frontantrieb:• Motor und Drehzahl-/Drehmomentwandler vorn,

angetriebene Vorderachse,• Motor wahlweise längs vor oder hinter der Achse

angeordnet oder quer eingebaut.

16 3 Antrieb

Motoranordnung

Front

Front

Front/Heck

Mitte Heck

Heck

AngetriebeneAchse

Allradantrieb

Transaxle

Standardbauform Mittelmotor-anordnung

Heckantriebssatz

Frontantrieb

Standardantrieb:• Motor und Drehzahl-/Drehmomentwandler vorn

längs eingebaut,• angetriebene Hinterachse.

Allradantrieb:• alle Räder angetrieben,• Motor und Drehzahl-/Drehmomentwandler meist

vorn angeordnet, um eine günstige dynamischeAchslastverteilung beim Beschleunigen/Stei-gungsfahrt zu erreichen (vgl. Kap. 11.1.1),

• Mittelmotor- oder Heckmotoranordnung nur inAusnahmefällen bei sehr sportlichen Fahrzeugen.

Heckantrieb:• Motor hinter der Hinterachse,• Drehzahl-/Drehmomentwandler hinter oder im

Bereich der angetriebenen Hinterachse.

Mittelmotorkonzept:• Motor vor der Hinterachse längs oder quer ange-

ordnet,• Drehzahl-/Drehmomentwandler direkt vor oder im

Bereich der Hinterachse,• Hinterachse angetrieben.

Transaxle-Konzept:• Motor vorn längs eingebaut,• Drehzahl-/Drehmomentwandler im Bereich der

Hinterachse,• angetriebene Hinterachse.

Um Verwechslungen auszuschließen, sollte man beieiner angetriebenen Hinterachse (z. B. bei Stan-dardantrieb) von Hinterradantrieb und nur, fallsder Motor ebenfalls im Heck angeordnet ist, vonHeckantrieb sprechen.Die Einbaulage von Motor und Getriebe wirkt sichnicht nur auf die Raumausnutzung aus, sondernauch auf die Schwerpunktslage und das Trägheits-moment um die Fahrzeughochachse. Die sich darauszusammen mit der Wahl der angetriebenen Räderergebenden wichtigsten Unterschiede sind in Tabel-le 3.1 zusammengefasst.

Bei regelmäßigen Fahrbahnunebenheiten kanndie Antriebseinheit zu Vertikalschwingungen relativzum Fahrzeugaufbau angeregt werden. Wird hier-bei die Eigenfrequenz angeregt, so führen dieseSchwingungen zu merklichen Vertikalschwingungendes Aufbaus: man spricht von Stuckern. Bei Kon-

Bild 3.1: Typische Anordnungenfür Motor, Getriebe und angetrie-bene Achsen

3.1 Antriebskonzepte 17

Tabelle 3.1: Vergleich der Antriebskonzepte

Antriebskonzept/Kriterium

Front- Standard- Allrad- Heck- Mittel-motor-

Transaxle-

Traktionsvermögen:

Fzg. leer + – / 0 ++ + + 0bei geringerGriffigkeit vollbeladen – / 0 0 / + ++ + 0 / + +

Fzg. leer – / 0 0 ++ +/++ + 0 / +bei hoher Grif-figkeit vollbeladen – – 0 / + ++ + + +

Fahrverhalten:

Tendenz Eigenlenkverhalten (vgl.Kap. 11)

unter-steuernd

leicht unter-steuernd

unter-steuerndbis neutral

über-steuernd

neutral unter-steuerndbis neutral

Seitenwindempfindlichkeit ++ + + – – – +

Lastwechselreaktion ++ – + – – – – –

Agilität 0 0 – + ++ –

Tendenzielles Verhalten im Grenz-bereich

gutmütig gutmütig gutmütig kritisch giftig5) sehr6) gut-mütig

Reifenverschleiß anVA Vorderachse

HA Hinterachse

VA >> HA VA ≈ HA VA ≥ HA VA

18 3 Antrieb

• Der Antriebsstrang des Allradantriebs baut schwe-rer und hat größere Verluste. Hieraus ergeben sichbei gleicher Motorleistung geringere Fahrleistun-gen und bei gleicher Fahrweise ein höherer Kraft-stoffverbrauch.

• Bei der Mittelmotoranordnung ist der Motor nurschwer zugänglich. Dies ist bezüglich der Wartungvon deutlichem Nachteil.

• Beim Transaxle dreht die Transaxle-Welle mitMotordrehzahl. Diese muss sehr sorgfältig gela-gert werden, damit z. B. im 1. und 2. Gang keinestörenden Schwingungen auf die Karosserie über-tragen werden. Im direkten Gang (meist 4. Gang)dreht zwar bei Standardantrieb die Kardanwelleauch mit Motordrehzahl, hierbei sind aber dieFahrgeschwindigkeiten und damit auch das sons-tige Fahrgeräusch erheblich größer.

Die aufgeführten konzeptbedingten Eigenschaftenlassen sich durch konstruktive Maßnahmen undVeränderung des Packagings, wie in den verschie-denen Kapiteln gezeigt wird, in weiten Grenzen ver-

ändern. Somit lassen sich konzeptbedingte Nach-teile teilweise vermeiden.Bei Nutzfahrzeugen ist Standardantrieb und All-radantrieb gebräuchlich, Omnibusse haben hinge-gen meist Heckantrieb. Interessanterweise ist auchbei Gelenkbussen häufig die hinterste Achse ange-trieben, d. h., der vordere Teil des Omnibusses wirdim Antriebsfall über das Gelenk geschoben.

3.2 Ausführungen undKombinationen vonAntriebsmaschinen

Der heute im Fahrzeug gebräuchliche Motor ist dermit Benzin, Diesel oder teilweise mit Gas betrie-bene Verbrennungsmotor. Da die Beschreibung zurAuslegung und Technik des Verbrennungsmotorsselbst mehrere Bücher füllen kann, beschränken wiruns im Folgenden nur mit einer kurzen Funktions-beschreibung des 4-Takt-Motors. In Bild 3.2 ist der

Bild 3.2: Arbeitsprinzip des 4-Takt-Verbrennungsmotors [Adam Opel AG]

3.2 Ausführungen und Kombinationen von Antriebsmaschinen 19

Motor im Schnitt für die vier Arbeitstakte schema-tisch dargestellt. Im Motorgehäuse sind die Zylin-der eingearbeitet. In diesen Zylindern bewegen sichdie Kolben auf und ab. Da der Kolben über diePleuelstange mit der Kurbelwelle beweglich ver-bunden ist, wird die Auf- und Abbewegung desKolbens in der Zylinderlaufbahn in eine Drehbewe-gung der Kurbelwelle umgewandelt. Oberhalb desMotorgehäuses befindet sich der Zylinderkopf mitVentilen und Ein- und Auslasskanal. Der Einlass-kanal ist mit dem Ansaugtrakt verbunden, in demdas Luft-Kraftstoff-Gemisch durch Vergaser oderEinspritzanlage aufbereitet wird. Am Auslasskanalist der Auspuffstrang mit Abgasnachbehandlungdurch Katalysator usw. angebracht. Die dargestell-ten Ventile öffnen und schließen die Verbindungvon Einlass- und Auslasskanal zum Raum oberhalbdes Kolbens, der als Brennraum bezeichnet wird.Die Steuerung der Ventile erfolgt durch Nockenwel-len, die mit halber Kurbelwellendrehzahl drehen.

Betrachten wir den 1. Takt: Das Einlassventil istgeöffnet, und der Kolben bewegt sich nach unten.Da das Auslassventil geschlossen ist, saugt derMotor Luft-Kraftstoff-Gemisch an.Kurz nach Erreichen der tiefsten Stellung des Kol-bens, der als unterer Totpunkt bezeichnet wird,wird das Einlassventil ebenfalls geschlossen. Jetztbefinden wir uns im 2. Takt. Der Kolben bewegtsich nach oben, das Luft-Kraftstoff-Gemisch wirdverdichtet.Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts wirddas Luft-Kraftstoff-Gemisch beim Ottomotor durcheinen Zündfunken an der Zündkerze gezündet, esbeginnt der Arbeitstakt. Durch die explosionsartigeVerbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs entste-hen ein hoher Druck im Brennraum und somit einegroße Kraft auf den Kolben. Durch den Zündverzug

befindet sich der Kolben jetzt bereits wieder in derAbwärtsbewegung und überträgt die Kraft mit derPleuelstange auf die Kurbelwelle. Es entsteht einAntriebsmoment an der Kurbelwelle.Kurz vor Erreichen des unteren Totpunkts wirddas Auslassventil geöffnet, damit im 4. Taktdas verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch ausströmenkann.Kurz bevor der obere Totpunkt erreicht ist, wird dasEinlassventil geöffnet, und es beginnt wieder der1. Arbeitstakt. Das Auslassventil wird erst nachPassieren des oberen Totpunkts geschlossen. Dabeide Ventile zeitweise gleichzeitig offen sind,spricht man von Ventilüberschneidung. Hierdurchwird die angesaugte Luft-Kraftstoff-Menge vergrö-ßert und damit die Leistungsausbeute des Motorsverbessert. Da die optimalen Steuerzeiten derVentile drehzahl- und lastabhängig sind, werden beimodernen Verbrennungsmotoren die Steuerzeitendurch zusätzliche Verstelleinrichtungen am Ventil-trieb variabel gestaltet.

Wie wir in Kap. 3.3 sehen werden, bietet der mitBenzin oder Diesel arbeitende Verbrennungsmotor –verglichen mit dem Elektromotor – trotz desschlechten Wirkungsgrads die größte Reichweite,bezogen auf Speichergröße und -gewicht. Diefossilen Brennstoffe sind aber begrenzt, und durchden CO2-Ausstoß bei der Verbrennung werden Ver-änderungen der Atmosphäre hervorgerufen. Daherist es kurzfristig notwendig, den Wirkungsgrad desAntriebs mit Verbrennungsmotor zu steigern. EineMöglichkeit besteht im Hybridantrieb. Der Ver-brennungsmotor wird mit einem Elektromotor undeiner Batterie zur Zwischenspeicherung elektrischerEnergie kombiniert.

Hierbei sind zwei Anordnungen gebräuchlich(vgl. Bild 3.3):

Bild 3.3: Hybridantrieb serielleund parallele Anordnung

20 3 Antrieb

Serielle Anordnung:Der Verbrennungsmotor arbeitet mit konstanterDrehzahl und Last in einem Betriebspunkt mit ho-hem Wirkungsgrad und treibt den Generator an. Dieelektrische Energie des Generators dient zum Spei-sen des Antriebsmotors. Je nach momentanemLeistungsbedarf des Antriebsmotors wird entwederdie überschüssige Leistung des Generators zumLaden der Batterie verwendet oder zusätzliche Leis-tung für den Antriebsmotor, z. B. zum schnellenBeschleunigen mit hohem Leistungsbedarf, aus derBatterie entnommen. Im Schubbetrieb wird derAntriebsmotor ebenfalls als Generator geschaltetund lädt ebenfalls die Batterie. Um die Batterienicht zu überladen, wird der Verbrennungsmotorzwischenzeitlich abgeschaltet. Der Verbrennungs-motor muss hierbei so stark ausgelegt werden, dassbei Fahrt mit vorgesehener Dauergeschwindigkeitdie vom Generator abgegebene Leistung zum Spei-sen des Antriebsmotors ausreicht. Der Antriebsmo-tor wird hingegen stärker ausgelegt, damit einzügiges Beschleunigen möglich ist und im Genera-torbetrieb möglichst viel Bremsenergie zurückge-wonnen werden kann. Der günstigste Wirkungsgradergibt sich beim Betrieb mit maximaler Dauer-geschwindigkeit, wenn der Generator genau dieEnergie erzeugt, die der Antriebsmotor benötigt. Indiesem Fall gilt für den Wirkungsgrad der Antriebs-einheit:

η η η η= ⋅ ⋅ ≈ ⋅ ⋅ ≈max VM_opt G EM 0,35 0,92 0,87 0,28(Gl. 3.1)

Der ungünstigste Wirkungsgrad liegt vor, wenn derGenerator die Batterie zunächst lädt und der An-triebsmotor später bei abgeschaltetem Verbren-nungsmotor aus der Batterie gespeist wird:

η η η η η η= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅≈ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ≈

min VM_opt G Laden Entladen EM

0,35 0,92 0,85 0,85 0,87 0,20 (Gl. 3.2)

Im praktischen Betrieb liegt der Wirkungsgradzwischen diesen beiden Extremen. Er ist abhän-gig vom Fahrprofil und der Auslegung der Rege-lung.

Parallele Anordnung:Verbrennungsmotor und Elektromotor sind beideüber ein mechanisches Getriebe mit den Antriebsrä-dern verbunden. Denkbar ist hierbei auch, eineAchse vom Verbrennungsmotor und die zweite elekt-risch anzutreiben. Der Verbrennungsmotor ist sostark ausgelegt, dass ein alleiniger Fahrbetrieb mitdem Verbrennungsmotor auch bei der vorgesehenenmaximalen Dauergeschwindigkeit möglich ist. Istder Elektromotor ähnlich stark ausgelegt, so sprichtman vom Vollhybrid. Um bereits in den Genusseiniger Vorteile des Hybridantriebs zu gelangen,genügt es, den herkömmlichen Anlasser und dieherkömmliche Lichtmaschine durch einen so ge-nannten Starter-Generator mit ca. 10 kW Leistungzu ersetzen. Nun bieten sich verschiedene Betriebs-zustände, je nach momentan geforderter Leistungund Ladezustand der Batterie an:1. Zum scharfen Beschleunigen werden kurzzeitig

Verbrennungsmotor und Elektromotor gleichzei-tig eingesetzt – man spricht vom Booster-Betrieb, da der Elektromotor für zusätzliche Be-schleunigung sorgt.

2. Im Bereich der Höchstgeschwindigkeit wirdder Verbrennungsmotor allein eingesetzt, hierergeben sich keine Vorteile durch den Hybridan-trieb.

3. Im Teillastbereich, beispielsweise bei konstanterFahrt auf der Landstraße, arbeitet beim her-kömmlichen Antrieb der Verbrennungsmotor imTeillastbereich mit einem ungünstigen Wir-kungsgrad. Beim Hybridantrieb mit parallelerAnordnung wird die Last des Verbrennungsmo-tors zyklisch variiert, vgl. Bild 3.4. Der Verbren-nungsmotor arbeitet zunächst mit hoher Lastund somit günstigem Wirkungsgrad. Da wenigerLeistung für den Antrieb notwendig ist, wird derElektromotor auf Generatorbetrieb geschaltet,und die Batterie wird geladen. Sobald die Batte-rie annähernd maximal geladen ist, wird derElektromotor als Antriebsmotor eingesetzt undder Verbrennungsmotor heruntergeregelt und –falls möglich – sogar abgeschaltet. Durch dieseStrategie wird der mittlere Wirkungsgrad des An-triebs gesteigert.

3.2 Ausführungen und Kombinationen von Antriebsmaschinen 21

Im Stadtbetrieb wird zum Anfahren der Verbren-nungsmotor eingesetzt. Er läuft hierbei mit hoherLast, um einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen.Der Elektromotor kann hierdurch im Generatorbe-trieb arbeiten und die Batterie laden. Sobald einekonstante Geschwindigkeit und ein ausreichenderLadungszustand der Batterie erreicht sind, über-nimmt der Elektromotor die Antriebsaufgabe, undder Verbrennungsmotor wird abgeschaltet. Die not-wendige Antriebsleistung beträgt in der Ebene imStadtbetrieb nur wenige Kilowatt, sodass sogar derStarter-Generator als Antriebsmotor ausreicht. Beimnächsten Anhaltevorgang wird die Batterie wiedergeladen (Schubbetrieb). Erst zum nächsten Anfahr-vorgang wird der Verbrennungsmotor wieder gestar-tet. Im Stadtbetrieb sind dadurch die größten Ein-sparungen gegenüber herkömmlichen Antrieb mitVerbrennungsmotor erzielbar.Im Schubbetrieb, also bei Bergabfahrten oder beimVerzögern des Fahrzeugs, wird mit dem Elektromo-tor im Generatorbetrieb gebremst und damit diekinetische Energie zumindest teilweise zurückge-wonnen. Die Betriebsbremse des Fahrzeugs wird nurzusätzlich eingesetzt, wenn eine höhere Bremsver-zögerung vom Fahrer gewünscht wird oder ein Ge-neratorbetrieb aufgrund einer bereits voll gelade-nen Batterie nicht möglich ist. Je nach Größe vonBatterie und Elektromotor lassen sich hierdurch beidurchschnittlichen Fahrbetrieb ca. 5 bis 10 % Ver-brauchseinsparungen erzielen.

Bild 3.4: Verbrauchsoptimierte Lastregelung für konstante Fahrtim Teillastbereich bei Hybridantrieb mit paralleler Anordnung

Durch den Hybridantrieb ergeben sich somitfolgende Vorteile:• Der Verbrennungsmotor arbeitet in Betriebs-

punkten mit höherem Wirkungsgrad und kannzeitweise abgeschaltet werden.

• Rekuperation: Der Elektromotor arbeitet imBremsbetrieb als Generator und speist die Bat-terie, sodass ein Teil der Bremsenergie zurück-gewonnen wird.

• Booster-Betrieb bei paralleler Anordnung vonVerbrennungsmotor und Elektromotor: Zum kurz-zeitigen schnelleren Beschleunigen arbeitenbeide Motoren gleichzeitig. Hierdurch kann derVerbrennungsmotor kleiner und verbrauchs-günstiger ausgelegt werden.

Erkauft werden diese Vorteile allerdings durch mehrGewicht auf Grund des zusätzlich erforderlichenElektromotors und der Batterie, was wiederum zueiner Erhöhung des Fahrwiderstands führt.

Langfristig werden die Energiequellen zum Fahr-zeugantrieb direkt oder indirekt aus der Sonnen-energie stammen müssen. Es können sowohl nach-wachsende Rohstoffe zur Speisung des Verbren-nungsmotors verwendet als auch elektrische Energieerzeugt werden. Die Speicherung der elektrischenEnergie ist nach heutigem Stand für Fahrzeuge nurbedingt geeignet, wie wir in Kap. 3.3 sehen wer-den. Alternativ bietet es sich daher an, die elektri-sche Energie durch Elektrolyse in Wasserstoffumzuwandeln. Das Fahrzeug wird mit Wasserstoffbetankt und der Wasserstoff mit Hilfe der Brenn-stoffzelle in elektrische Energie umgewandelt, dieden Elektromotor des Fahrzeugantriebs speist (vgl.Bild 3.5). Denkbar ist auch die Verwendung desWasserstoffs als Brennstoff für den Verbrennungs-motor, wie es z. B. BMW an Versuchsfahrzeugen seiteinigen Jahren zeigt. Der Wirkungsgrad des Ver-brennungsmotors mit Wasserstoff ist zwar günstigerals bei Verwendung von Benzin, aber geringer alsder Wirkungsgrad der Brennstoffzelle (ca. 60 %)und des Elektromotors (ca. 90 %). Dafür ist dieFertigung der Brennstoffzelle nach heutigem Standnoch extrem teuer. Der Bauraumbedarf für Brenn-

22 3 Antrieb

Bild 3.5: Fahrzeugantrieb mit Brennstoffzelle und Elektromotor [Ballard]

stoffzelle und Elektromotor ist zur Zeit ebenfallsnoch größer als für den Antrieb mit Verbrennungs-motor.

3.3 Speicherung der Antriebs-energie

Beim Kraftfahrzeug muss im Gegensatz zum schie-nengebundenen Fahrzeug die Antriebsenergie imFahrzeug gespeichert werden. Die heutzutage fürden Fahrzeugantrieb verwendeten Brennstoffe bie-ten eine hohe Energiedichte. Sie werden aberüberwiegend aus fossiler Primärenergie gewonnen,die begrenzt ist. Daher werden in der folgendenTabelle die derzeit gängigen und die alternativenBrennstoffarten und Energiequellen bezüglich ihrerEnergiedichte gegenübergestellt. Bei Verwendungvon Brennstoffen wird die chemische Energie mitHilfe eines Verbrennungsmotors in mechanischeEnergie gewandelt. Aus Wasserstoff kann alternativmit Hilfe der Brennstoffzelle elektrische Energieerzeugt werden. Die elektrische Energie, die auch in

der Batterie gespeichert werden kann, wird mitHilfe des Elektromotors in mechanische Energiegewandelt. Bei der Gegenüberstellung des Speicher-aufwands interessiert uns, wie viel Speichermasseund wie viel -volumen ist notwendig, um einebestimmte mechanische Energie zu erhalten. Daherwird in Tabelle 3.2 der Wirkungsgrad des Antriebsmit berücksichtigt. Die angegebenen Werte sindhierbei nur Anhaltswerte, da der Wirkungsgrad vonVerbrennungsmotoren in starkem Maße vom Be-triebspunkt abhängt.

Die Energiedichte des Kraftstoffs, bezogen aufdie Masse und auf das Volumen, wird zunächst ohneund anschließend inklusive Speicher betrachtet. Beiden flüssigen Kraftstoffen erhöht sich das erforder-liche Volumen mit Speicher in erster Linie durch dasVorsehen von Ausgleichsvolumen für die Ausdeh-nung des Kraftstoffs bei Temperaturerhöhung undfür die Belüftungseinrichtungen. Bei Wasserstoffsind drei Speicherarten denkbar:• gasförmig,• flüssig,• Metallhydrid.

3.3 Speicherung der Antriebsenergie 23

Tabelle 3.2: Dichte des Energiespeichers

Alkohole Wasserstoff BatterieKraftstoff Benzin Diesel Erdgas

Metha-nol

Etha-nol

gasf. flüssig Hydrid Pb Li-Ionen

43 42,5 ca. 48 20 27 120 120 120Energiedichte [MJ/kg]des Kraftstoffs [MJ/l]

32,3 35,3 24,9 15,6 21,2

37 36 14*) 17 23 4,0 24 1,5 0,15 ≈1,5Energiedichte [MJ/kg]incl. Speicher [MJ/l]

28 30 17 13 18 1,9 3,5 2,9 0,25 ≈0,6

Gesamtwirkungsgrad η 0,2 0,3 0,25 0,12 0,22 0,5+) 0,5+) 0,5+) 0,7 0,7

7,4 10,8 3,5*) 3,7 5,1 2,0+) 12+) 0,8+) 0,1 0,42Arbeit am [MJ/kg]

Rad [MJ/l] 5,6 9,0 4,3 2,9 4,0 1,0+) 1,8+) 1,5+) 0,17 1,05

bezogene Speicher-masse

1 0,7 2,1*) 2,0 1,5 3,7+) 0,6+) 9,3+) 74 17,6

bezogenes Speicher-volumen

1 0,6 1,3 1,9 1,4 5,6+) 3,1+) 3,7+) 32,9 5,33

*) bei Verwendung eines GFK-Tanks, mit Stahltank nur ca. 50 % der angegebenen Werte+) bei Brennstoffzellen, mit Verbrennungsmotor nur ca. 40 % der angegebenen Werte

Die Energiedichte ist beim gasförmigen Wasserstoff,bezogen auf das Volumen, sehr gering. Die hierangegebenen Werte beziehen sich auf die Speiche-rung in Drucktanks mit 300 bar. Angestrebt werdenin Zukunft Drücke bis ca. 750 bar, um die Energie-dichte zu erhöhen. Aus Gewichtsgründen bestehendie Drucktanks aus einem gasdichten metallischenInnenbehälter, der mit hochfesten Fasern umwickeltwird, um die mechanische Festigkeit sicherzustellen.Verflüssigter Wasserstoff bietet eine erheblichhöhere Energiedichte. Da er bei Umgebungsdruckbereits bei –253 °C siedet, kann er nur in Tanks mitsehr wirkungsvoller Isolation gelagert werden. Ver-wendet werden hierzu doppelwandige Tanks mit sogenannter Vakuum-Superisolation. Hierbei werdenDrücke bis ca. 4 bar zugelassen. Trotzdem verblei-ben aber Abdampfverluste in der Größenordnungvon 1 bis 2 % des Inhalts pro Tag.Gasförmiger Wasserstoff wird von Metallpulver, dassich in Rohren befindet, absorbiert. Es entstehen sogenannte Hydride. Dabei wird Wärme frei, d. h.,beim Betanken wird Wärme abgegeben. Umgekehrt

muss Wärme zugeführt werden, um den Wasserstoffzu entnehmen. Daher wird der Metallhydrid-Was-serstoffspeicher als Röhrenwärmetauscher ausge-führt. Der in Metall eingelagerte Wasserstoff wirdvon Wasser umgeben, das den Wärmeaustauschbeim Befüllen und Entnehmen übernimmt. Der Me-tallhydrid-Speicher hat den Nachteil des sehr hohenGewichts.

Multipliziert man die Energiedichte inklusiveSpeicher mit dem Gesamtwirkungsgrad, so erhältman die Arbeit am Rad, bezogen auf die Speicher-masse bzw. auf das Speichervolumen. Um einenVergleich zu ermöglichen, werden in Tabelle 3.3 dieerforderliche Speichermasse und das erforderlicheSpeichervolumen auf den in Deutschland noch amhäufigsten eingesetzten Pkw-Antrieb – Verbren-nungsmotor mit Benzin – bezogen. Nur bei Verwen-dung des Dieselmotors und bei Verwendung derBrennstoffzelle und in flüssiger Form gespeichertenWasserstoffs kann die Speichermasse reduziert wer-den. Bei einem elektrischen Antrieb und Speiche-rung der Energie in Bleibatterien beträgt die Spei-

24 3 Antrieb

Tabelle 3.3: Speichergewicht und Speichervolumen bei Speicherung von 1000 MJ ≈ 280 kWh und damit erzielbare Reichweitebeim Pkw

Brennstoff/Antrieb Speichermasse in kg Speichervolumen in ℓ Reichweite in km

Benzin 27 36 250 . . . 800

Diesel 28 34 410 . . . 1250

Autogas 70 59 300 . . . 1000

Methanol 59 77 270 . . . 90

Ethanol 43 56 270 . . . 900

Wasserstoff, gasförmig (300 bar) 250 525 260 . . . 1450

Wasserstoff, flüssig (–255 oC) 42 290 270 . . . 1600

Wasserstoffmetallhydrid 670 350 240 . . . 1350

Blei-Batterie 6250 4000 330 . . . 700

Hochenergie-Batterie(NaNiCl2 – ZEBRA)

2500 2500 490 . . . 1200

chermasse das 75-Fache! Beim Speichervolumenkönnen wir erkennen, dass alle alternativen Kraft-stoffe und Energiequellen ein erheblich größeresSpeichervolumen benötigen.In Tabelle 3.3 sind Speichergewicht und Speicher-volumen bei Speicherung von 1000 MJ gegenüber-gestellt. Bei der Berechung der damit erzielbarenReichweite wurde der Einfluss des Speichers aufFahrzeuggröße und -gewicht berücksichtigt. Der Pkwmit Bleibatterie hätte dann ein Gesamtgewicht vonca. 10 Tonnen. Daher wäre die Reichweite des Fahr-zeugs mit Elektroantrieb und Bleibatterie, trotz deserheblich höheren Wirkungsgrads des Elektromotorsvergleichbar mit dem Fahrzeug mit benzingespeis-tem Verbrennungsmotor.

3.4 Antriebsstrang, Kennungs-wandler für Verbrennungs-motoren

Der Verbrennungsmotor läuft nur ab einer Mindest-drehzahl und bietet nur in einem engen Drehzahl-bereich die optimale Leistung, wie wir in Kap. 8genauer betrachten werden. Daher benötigt man

Bild 3.6: Schematisch dargestellte Anordnung des Antriebs beiStandardantrieb

eine Drehzahl-/Drehmomentwandlung zwischenMotor und Antriebsachse.

3.4.1 Anordnung, Aufbau, FunktionIn Bild 3.6 ist die Anordnung von Motor und An-triebsstrang bei Standardantrieb mit mechanischerReibkupplung und Stufengetriebe dargestellt.

Die mechanische Kupplung hat zwei Aufgaben:• Ermöglichen des Anfahrens aus dem Stillstand,• Zugkraftunterbrechung zwischen Motor und An-

triebsstrang zum Schalten.

Das Stufengetriebe hat die Aufgabe einer Dreh-zahl-/Drehmomentwandlung je nach Bedarf. Sollmit dem Fahrzeug eine große Steigung bei geringerGeschwindigkeit gefahren werden, so ist eine Über-setzung ins Langsame erforderlich, um das An-

3.4 Antriebsstrang, Kennungswandler für Verbrennungsmotoren 25

triebsmoment zu erhöhen. Bei hohen Fahrgeschwin-digkeiten ist hingegen aufgrund der begrenztenMotordrehzahl eine direkte Übersetzung erforder-lich, vgl. auch Kap. 8.

Bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe ist dieAnordnung prinzipiell gleich, statt einer mechani-schen Reibungskupplung ist ein hydrodynamischerWandler verbaut und anstelle des mechanischschaltbaren Getriebes ist ein Automatikgetriebeoder ein stufenloses Getriebe vorhanden.Die Kardanwelle ist nur bei Standardantrieb undAllradantrieb zur Übertragung des Getriebeaus-gangmoments auf das Achsgetriebe erforderlich. Inallen anderen Fällen bilden Stufengetriebe undAchsgetriebe eine Einheit. Allerdings wird beimTransaxle ebenfalls eine Welle zur Übertragung desMotormoments auf das Getriebe benötigt. in diesemFall spricht man von der Transaxle-Welle. Die Kar-danwelle verfügt beim Lkw über 2 Kardangelenke.Bei der Drehübertragung über ein Kardangelenkentsteht eine vom Beugewinkel abhängige Dreh-geschwindigkeitsungleichförmigkeit. Bei Verwen-dung von 2 Gelenken kann diese Ungleichförmigkeitbzgl. der gesamten Welle „aufgehoben“ werden.Hierzu sind die in Bild 3.7 dargestellten Anordnun-gen möglich, die als W- und Z-Anordnung bezeich-net werden. Nur wenn die Beugewinkel an beidenGelenken gleich groß sind, laufen Kardanwellenein-gang und -ausgang synchron.

Beim Pkw wird zur Schwingungsisolierung zu-mindest eines der beiden Kardangelenke durch eineHardy-Scheibe ersetzt, vgl. Bild 3.8.

Bei Verwendung von nur einem Kardangelenk mussder Beugewinkel klein gehalten werden. Die geringenverbleibenden Drehungleichförmigkeiten werden vonder Elastizität der Hardyscheibe aufgefangen.

Bild 3.7: Mögliche Anordnungen der Kardanwelle zur Vermei-dung einer Drehgeschwindigkeits-Ungleichförmigkeit

Bild 3.8: Hardy-Scheibe zur elastischen Drehübertragungdes Getriebeausgangmoments auf die Kardanwelle

Das Achsgetriebe übersetzt die Drehzahl ins Lang-same, damit die Übersetzung im Stufengetriebereduziert werden kann. Bei längs eingebautemMotor dient es zusätzlich zur Drehrichtungsumlen-kung um 90°. Das im Achsgetriebe integrierte Dif-ferenzial ermöglicht unterschiedliche Drehzahlender beiden Antriebsräder bei Kurvenfahrt.Die Antriebswellen ermöglichen die Übertragungdes Moments vom Achsgetriebe zu den Rädern. Siewerden beim Pkw heutzutage üblicherweise alshomokinetische Antriebswellen nach RZEPPA aus-geführt, vgl. Bild 3.9.Die homokinetische Antriebswelle ermöglicht einegleichförmige Übertragung der Drehbewegung un-abhängig vom Beugewinkel. Die Momentenüber-tragung erfolgt an den Gelenken über 6 Kugeln, diein halbkreisförmigen Kugelbahnen laufen. Durcheinen Gummibalg werden die Gelenke jeweils her-metisch geschlossen. Sie sind damit vor Umwelbe-lastungen geschützt und können mit Dauerfett zurSchmierung gefüllt werden. Die homokinetischenGelenke sind somit wartungsfrei. Die Gelenke erlau-ben einen Beugewinkel bis 40°. Genügen Beuge-winkel von max. 18°, so können die Kugelbahnenso ausgeführt werden, dass ein Längenausgleichüber das Gelenk erfolgen kann.

26 3 Antrieb

Bild 3.9: Rzeppa-(Birfield-)Gleichlaufgelenk

3.4.2 Ausführungen von Kupplungenund Wandlern

In Bild 3.10 ist das Funktionsprinzip der mechani-schen Reibkupplung dargestellt.Sie besteht aus der Kupplungsscheibe (1), derDruckplatte (2), dem Ausrücklager (3) und demAusrückmechanismus (4). Die auf der Kurbelwelledes Motors sitzende Schwungscheibe (5) bildeteine weitere Komponente der Kupplung. Die Kupp-lungsscheibe sitzt auf der Getriebeeingangswelle.Damit sie axial verschiebbar ist, das Drehmomentaber formschlüssig übertragen werden kann, ist aufder Getriebeeingangswelle ein Außenkeilprofil undauf der Kupplungsscheibe ein Innenkeilprofil ange-bracht, vgl. Bild 3.12. Die Kupplungsscheibe istmeist mehrteilig ausgeführt. Der innere Teil mitdem Keilwellenprofil ist gegenüber der Scheibe mitden aufgenieteten oder aufgeklebten Reibbelägendrehbar. Die Momentenübertragung erfolgt überradial angeordnete Schraubenfedern, die beim ruck-artigen Einkuppeln einfedern und damit Drehmo-mentstöße vermeiden.Die Reibbeläge der Kupplungsscheibe werden imnicht betätigten Zustand durch die Druckplatte andie Reibflächen auf der Schwungscheibe und ander Druckplatte gepresst. Die Flächenpressung liegthierbei zwischen 0,15 und 0,5 N/mm2. Die höheren

Bild 3.10: Funktionsprinzip der mechanischen Reibkupplung[1]

Werte beziehen sich auf die Pkw-Kupplung. BeimLkw werden geringere Werte gewählt, um eine Le-bensdauer der Kupplung von mindestens 400 000 kmbei üblichem Einsatz sicherzustellen. Die Anpress-kraft der Druckplatte erfolgt heutzutage mit einerMembranfeder. Gegenüber früheren Ausführungenmit Schraubenfedern bietet die Kennlinie derMembranfeder erhebliche Vorteile, wie Bild 3.11zeigt. Mit zunehmendem Verschleiß nimmt bei derSchraubenfeder die Anpresskraft ab. Bei der Memb-ranfeder bleibt die Anpresskraft bei Verschleißhingegen annähernd gleich. Zum Öffnen der Kupp-lung wird das Ausrücklager in Richtung Schwung-scheibe bewegt. Dies erfolgt mit Hilfe der Ausrück-

3.4 Antriebsstrang, Kennungswandler für Verbrennungsmotoren 27

Bild 3.11: Vorteile der Membranfeder gegenüber der früherenKupplungsausführung mit Schraubenfedern bei Kupplungsver-schleiß und beim Betätigen der Kupplung auf Grund ihrerKennlinie

mechanik, die über Seilzug oder Hydraulikzylinderund Leitungen vom Kupplungspedal betätigt wird.Da die Membranfeder zwischen der Druckplatte unddem Ausrücklager an der Schwungscheibe gelagertist, wird sie deformiert und wirkt ähnlich wie einKipphebel. Die Druckplatte wird von der Schwung-scheibe weggezogen, und die Kupplungsscheibekann sich jetzt frei zwischen Schwungscheibe und

Druckplatte bewegen. Die Membranfeder wird mitzunehmender Durchbiegung weicher, d. h., die not-wendige Kraft zum Öffnen der Kupplung wird mitzunehmendem Pedalweg geringer, vgl. Bild 3.11.

Damit das Ausrücklager nur im Bedarfsfall rotiert,berührt es die Membranfeder nur bei Betätigung desKupplungspedals. Beim Auskuppeln muss daher dasAusrücklager durch das Reibmoment an der Memb-ranfeder von null auf die Motordrehzahl beschleu-nigt werden. Es wird daher häufig an der Berührflä-che zur Membranfeder mit einer verschleißarmenBeschichtung aus PTFE oder ähnlichen Kunststoffenversehen.

Bei der automatisierten Kupplung wird der Aus-rückmechanismus elektronisch durch einen Stellmo-tor geregelt und einen Pneumatik- oder einen Hyd-raulikzylinder betätigt. Hierbei wird die Motordreh-zahl in Abhängigkeit der vom Fahrer durch dasFahrpedal vorgegebenen Drosselklappenstellungwährend des Anfahrvorgangs geregelt. Je schnellerder Fahrer anfahren will, desto höher wird dieDrehzahl gewählt. Zur Vermeidung von unnötigemVerschleiß sollte die Drehzahl, bei der der Motor

Bild 3.12: Ausgeführte mechanische Ein-Scheiben-Trockenkupplung mit Membranfeder [LUK]

1 Deckel, 2 Verstellring (Rampenring), 3 Druckfeder, 4 Tellerfeder, 5 Sensor-Tellerfeder, 6, 7 Bolzen, 8 Blattfeder, 9 Anpressplatte,10 Anschlag, 11 Kupplungsscheibe

28 3 Antrieb

Bild 3.13: Wirkprinzip einer hydrodynamischen Kupplung

sein maximales Moment abgibt, nicht überschrittenwerden.

Wenn wir das Trägheitsmoment der Kupplungs-scheibe vernachlässigen, gilt bei konstanter Motor-drehzahl: MK = MM. Die Kupplung ist damit ein reinerDrehzahlwandler.Bild 3.13 zeigt das Wirkprinzip einer hydrodyna-mischen Kupplung. Das Drehmoment wird durch dieTrägheitskräfte einer Flüssigkeit übertragen. Hierbeiergeben sich folgende Vorteile gegenüber einermechanischen Reibkupplung:• nahezu Verschleißfreiheit,• Drehmomentstöße und Schwingungen werden

weggedämpft.

Als Nachteile ergeben sich:• schlechter Wirkungsgrad, da zur Drehmoment-

übertragung immer Schlupf erforderlich ist,• keine vollständige Momentenunterbrechung, das

nachgeschaltete Getriebe muss daher lastschalt-bar sein.

Aufbauend auf der hydrodynamischen Kupplungwurde der Trilok-Wandler entwickelt und 1929 in

Deutschland zum Patent angemeldet. Beim Trilok-Wandler wird das Ausgangsmoment gegenüber demEingangsmoment erhöht, wenn die Ausgangsdreh-zahl deutlich kleiner als die Eingangsdrehzahl ist.Daher spricht man von einem Wandler und nichtvon einer Kupplung. Der prinzipielle Aufbau einesTrilok-Wandlers ist in Bild 3.14 dargestellt.Vereinfacht können wir uns seine Funktion folgen-dermaßen vorstellen: Das Öl wird im Pumpenradbeschleunigt und trifft auf die Schaufeln des Tur-binenrads. Durch die Umlenkung des Öls an denSchaufeln entstehen ein Impuls und somit das An-triebsmoment. Das Öl trifft nun auf das feststehen-de Leitrad. Dort wird es stark umgelenkt. Ein Teildes Öls trifft erneut auf das Turbinenrad und ver-stärkt damit das Antriebsmoment. Mit zunehmen-dem Verhältnis Turbinenraddrehzahl MT zu Pumpen-raddrehzahl MP wird die Differenzgeschwindigkeitzwischen Turbinenrad und dem aus dem Leitradströmenden Öl geringer. Dadurch nimmt die Dreh-momentüberhöhung ab. Je nach Auslegung derSchaufelgeometrie ist bei einem DrehzahlverhältnisMT/MP ≈ 0,85 die Differenzgeschwindigkeit null,d. h., es findet keine Drehmomentüberhöhung mehrstatt. Bei weiter steigendem Drehzahlverhältniswürde das Öl aus dem Leitrad das Antriebsmomentgegenüber dem Motormoment abschwächen. Damitdies nicht passiert, ist das Leitrad über einen Frei-lauf mit dem Gehäuse verbunden. Das Leitrad läuftjetzt frei mit und erzeugt keinerlei Impuls. DerWandler arbeitet in diesem Bereich als hydrodyna-mische Kupplung.Der Anfahrvorgang mit Wandler wird in Kap. 8.8betrachtet.

Bild 3.14: Prinzipieller Aufbaueines Trilok-Wandlers [2]