Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik

Wie Bewegung eine Voraussetzung des Lebens ist, wird ihr Gegenteil, Bewegungslosigkeit, Starre, mit Leblosigkeit oder gar mit Tod gleichgesetzt. Die Materie selbst ist unaufhörlich in Bewegung. So sagt Galileo Galilei: »Nichts ist älter in der Natur als Bewegung«. Und Pascal sagt in seinen Pensees: »Zu unserer Natur gehört die Bewegung; vollkommene Ruhe ist der Tod«. Nicht umsonst zählt Gefängnis seit jeher zu den besonders harten Strafen für Mensch und Tier. Es bedeutet nämlich nicht nur kein Aus-dem-Haus-gehen, Fahren, Fliegen, sondern auch starken Verlust an Informationsaufnahme und damit Mangel an Erkenntnis- Gewinn und Erkenntnis-Weitergabe. In der Urzeit emanzipierte die Fähigkeit zur Fortbewegung die Tiere von den Launen der Natur, befreite sie von den Fesseln eines festen Standortes. Fortbewegung war und ist für das Überleben einer Gattung immer eine wesentliche Grundvoraussetzung und somit ein Erfolgsprinzip der Evolution. Der Mensch hat seit alters her denWunsch sich schneller, weiter und mit größeren Lasten bewegen zu können, als er mit eigener Muskelkraft dazu im Stande wäre – und das möglichst ohne körperliche Anstrengung. Daher hat er zu jeder Zeit die Möglichkeiten der Technik geradezu begierig aufgegriffen: Im Altertum das Schiff, durchWind und Menschenkraft bewegt, mit der Erfindung des Rades den Wagen, der über Jahrhunderte von Tieren gezogen wurde, bis dann vor mehr als 170 Jahren die Eisenbahn eine erste Revolution in Sachen Mobilität herbeiführte.

Die Fahrzeugphysik stellt die Vernetzung von physikalisch- technischen Aufgaben an den Fahrzeugentwickler dar. Beispielhaft zeigt Abb. 3.1 die Anforderungen an die Karosserie, d. h. bauteilbezogen [1] und Abb. 3.2 die funktionsbezogene Vernetzung unterschiedlicher Anforderungen an das Gesamtfahrzeug und für die einzelnen Subsysteme [2]. Die physikalischen Grundgesetze und deren Auswirkungen auf die verschiedenen Teilgebiete sind bei der Auslegung des Fahrzeuges besonders zu berücksichtigen. Analog gilt dies auch für Fahrzeuge mit reinem Elektromotor (Batterie oder Brennstoffzelle). Ein sehr aktuelles Beispiel ist der Verbrauch an elektrischer Energie »on board« des Fahrzeuges. Er kann eine Größenordnung von einem Äquivalent von bis zu 3 l/100 km annehmen. Die Fahrzeugphysik erfordert die vernetzte Betrachtung aller Anforderungen innerhalb des Produktentstehungsprozesses. Dies gilt verstärkt für die elektrisch/elektronischen Komponenten, wo neue Hard- und Softwarestrukturen nach dem Motto, 1+1+Vernetzung ist leistungsfähiger als 2, im Bordnetz einsetzen müssen. Nicht die Optimierung einer einzelnen Eigenschaft oder Größe, sondern die Leistungsfähigkeit desGesamtsystems entscheidet über den Produkterfolg.

Das Design gewinnt innerhalb der Automobilentwicklung eine immer größere Bedeutung. Design ist eines der wichtigsten Mittel, eine Marke zu differenzieren und zu profilieren. Dies liegt nicht zuletzt daran, dass die technischen Möglichkeiten aller Hersteller sich in den letzten Jahren auch durch den Prozess der Markenbereinigung, mehr und mehr angeglichen haben. Natürlich gibt es auch technologisch noch erhebliche Unterschiede, für den normalen Kunden wahrnehmbar einer bestimmten Marke zuordenbar sind sie jedoch immer weniger. Das Grundkonzept Auto hat sich weltweit bei beinahe allen im direkten Wettbewerb stehenden Herstellern auf einem hohen Niveau eingerichtet. Umso mehr ist das Design ein Wahrnehmungsfeld, welches von den umworbenen Kunden einem konkreten Hersteller zugeordnet werden kann. Zu dieser Entwicklung hat auch beigetragen, dass das Know-how vieler Schlüsseltechnologien nicht mehr bei den Markenherstellern allein liegt, sondern sich zunehmend auf Entwicklungslieferanten konzentriert, bei denen sich dann alle Marken bedienen. Fazit: Technologische Merkmale zur Darstellung eines Markenprofils sind immer weniger tragfähig, wenngleich für die Gesamtperformance nicht ohne Bedeutung. Umso mehr gewinnt hier das Design an Bedeutung.

Durch das Design wird die Wahrnehmung der Marke geprägt.

Durch das Design wird die Wahrnehmung des Produktes geprägt.

In den über 100 Jahren des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen hat sich der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und einer Anfahr-/Schaltkupplung als bevorzugtes Antriebskonzept durchgesetzt und behauptet. Der Antrieb hat eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen, von denen die wichtigsten nachfolgend aufgelistet sind:

- Das Fahrzeug muss aus dem Stillstand anfahren können und bis zu einer bestimmten Endgeschwindigkeit jede gewünschte Geschwindigkeit einstellen lassen.

- Antriebsdrehmoment und -drehzahl müssen schnell regelbar sein, um dynamische Fahrvorgänge zu ermöglichen.

- Der Energieträger muss auf kleinem Raum bei geringem Gewicht einen hohen Energieinhalt bereitstellen. Ohne große Nutzlast- und Raumverluste soll eine möglichst hohe Reichweite ohne Unterbrechung oder Wiederbetankung möglich sein.

- Masse und das Bauvolumen sind möglichst klein zu halten.

- Das gesamte Systemmuss Erschütterungen und Bewegungen ertragen können.

- Der Antrieb soll kurzfristig (auch bei niedrigen und hohen Temperaturen) betriebsbereit sein.

Neben diesen grundlegenden technischen Anforderungen sind auch ökonomische Ziele bei der Herstellung und beim Betrieb des Fahrzeugs zu erfüllen, zunehmend ökologische Bedingungen einzuhalten sowie ein stetig wachsender Anspruch auf Bedienungskomfort zu befriedigen.

In der Anfangszeit des Automobils wurde die Karosserie – dem Beispiel des Kutschenbaus folgend – auf einem Rahmengestell befestigt. Diese Bauweise findet man heute nur noch bei Lastkraftwagen und großen Off-Road-Fahrzeugen. Im Bereich der Personenwagen hat sich die selbsttragende Karosserie durchgesetzt. Sie wurde 1935 von Opel erstmalig mit dem Modell Olympia in der Großserie eingeführt. Die Innovation bestand darin, dass die Karosserie für sich komplett vorgefertigt wurde. Anschließend wurden die restlichen Komponenten wie Motor, Kupplung, Getriebe, Vorder- und Hinterachse sowie der Auspuffanlage direkt an der Karosserie befestigt und zum Fahrzeug komplettiert. Damit ist die selbstragende Karosserie der wichtigste Aggregateträger, die zu dem noch vielen Anforderungen gerecht werden muss. Sie reichen von konsequentem Leichtbau über wirksamen Insassen- und Fußgängerschutz bis hinzu attraktivem Aussehen.

Automobile sind Fahrzeuge, deren Bewegung auf einer vorgegebenen Oberfläche, in der Regel einer Fahrbahn, vom Fahrer in Längs- und Querrichtung sowie um die Hochachse (Gierachse) in bestimmten, vom Straßenverlauf oder physikalisch vorgegebenen Grenzen, frei bestimmt werden kann. Hierbei sind die Quer- und Gierbewegung eng miteinander gekoppelt. In senkrechter Richtung zur Fahrbahn muss das Automobil hingegen dem Straßenverlauf ohne aktiven Eingriff des Fahrers folgen (Berg- und Talfahrt). Kurzwellige Fahrbahnunebenheiten sollten jedoch nur soweit auf das Fahrzeug übertragen werden, wie es die Fahrsicherheit, der Fahrerwunsch nach Fahrbahnkontakt und das subjektive Fahrkomfortempfinden erfordern. Das quer-, längs- und vertikaldynamische Verhalten eines Automobils wird durch eine Vielzahl von Parametern bestimmt. In vielen Bereichen liegen nicht-lineare Zusammenhänge und komplexe Kopplungen der Zustandgrößen vor. Daher stellt das Fahrwerk und in erweitertem Sinne die Fahrdynamik auch heute noch ein hoch interessantes Themengebiet dar, insbesondere wenn der Fahrer als Zustandserkenner, Regler und subjektiver Beurteiler berücksichtigt wird.

Steigende Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Umweltschutz und Komfort führten in den vergangenen Jahren zu einem starken Anstieg der Fahrzeugfunktionen. Wesentliche Treiber dafür waren verschärfte Abgas- und Sicherheitsbestimmungen; in den letzten Jahren kamen komplexe Infotainment- und Assistenzsysteme hinzu, die nur durch ein Zusammenwirken mehrerer Steuergeräte realisiert werden konnten. Deren intuitive Bedienung sowie Personalisierung der Funktionen erforderte eine systemübergreifende Mensch- Maschine-Schnittstelle (HMI – Human Machine Interfaces). Durch die massiv gestiegene Anzahl an elektrischen Verbrauchern nahm auch der Energiebedarf deutlich zu, sodass über elektronische Energiemanagementsysteme ein ausgeglichener Energiehaushalt sichergestellt werden musste.

Die Autoindustrie befindet sich im Übergang vom ersten zum zweiten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts in der vermutlich größten Umbruchphase ihrer Geschichte. Zu den externen Einflüssen gehören:

- Mittelfristige Abkehr von der bisherigen fossilen Energiebasis, infolge künftiger Verfügbarkeiten und Emissionsbegrenzungen

- Allmählicher Aufbau erweiterter und neuer Antriebskonzepte und zusätzlicher Energie-Infrastrukturen

- Trend zur Abkehr von bisherigen »Alleskönner-Fahrzeugen« hin zu Fahrzeugmodellen, die sich mehr nach dem Anwendungszweck richten, so für Mega-Cities und Agglomerationen

- Verschiebung wichtiger Märkte hin zu Schwellenländern, u. a. mit besonderen Low-Cost-Modellen.

Damit verbunden ergibt sich eine Reihe relevanter Konsequenzen und interner Einflüsse:

- Zusätzliche F&E-Aufwendungen für mehrere additive/alternative Antriebskonzepte

- Verstärkter Zwang zu extremen und damit kostenträchtigen Leichtbaukonzepten

- Damit zusammenhängend, zusätzliche Einrichtungen und Umstrukturierungen in Produktion und Wertschöpfungsketten

- Notwendigkeiten zu unternehmensübergreifenden Allianzen und Kooperationen, bis hin zu markenprägenden Komponenten und Systemen.

- Verfügbarkeit des In-house-Systemwissens bei komplexen Technologiebereichen, wie z.B. der Elektrochemie.