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Hybridgetriebe

weitere Buchkapitel

Kapitel 5. Betriebsstrategie

Wesentlich für den Erfolg bei der Verbrauchsminimierung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ist die Wahl der situationsabhängig besten Betriebsstrategie durch den Hybridcontroller. Hierfür ist eine Vielzahl von Konzepten und Algorithmen bekannt, von denen einige in diesem Abschnitt vorgestellt werden.

Martin Doppelbauer

Kapitel 2. Elektrische Fahrzeugantriebe

In diesem Kapitel werden die wesentlichen Betriebseigenschaften von elektrischen Traktionsantrieben, insbesondere die Drehzahl-/Drehmomentkennlinie und die betriebspunktabhängigen Verluste, vorgestellt. Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu konventionellen Verbrennungskraftmaschinen werden aufgezeigt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Erläuterung von Grunddrehzahl- und Feldschwächbereich sowie auf den diversen Betriebsgrenzen im Dauer- und Kurzzeitbetrieb. Auch rein elektrische Antriebe benötigen ein Getriebe, um eine kompakte und kosteneffiziente Bauweise zu erreichen. Für die Platzierung des Elektromotors im Antriebsstrang stehen verschiedene Varianten zur Auswahl, deren technische Eigenschaften vorgestellt werden.

Martin Doppelbauer

Kapitel 14. Radnabenantriebe

Der klassische Pkw in verschiedenen Elektrifizierungsstufen wird um neue Fahrzeugkonzepte wie beispielsweise autonome Stadtfahrzeuge ergänzt. Grundsätzlich kann man die von einem oder mehreren Elektromotoren erzeugten Antriebskräfte auf verschiedenen Wegen übertragen. Bei derzeit realisierten Hybrid- und Elektrofahrzeugen dominieren getriebeintegrierte Traktionsmotoren, konventionelle Elektroantriebe werden heute als Zentralantriebe ausgeführt. Elektrische Radnabenantriebe verfolgen hingegen einen dezentralen Ansatz über das einzelne Rad und bieten dadurch ein hohes Potenzial, völlig neue Fahrzeugarchitekturen mit hoher Raumeffizienz zu verwirklichen.

Sebastian Wielgos

Kapitel 13. Dedizierte Hybridgetriebe

Antriebstopologien mit dedizierten Hybridgetrieben ermöglichen, verglichen zu rein elektrischen Fahrzeugen, die Themen Reichweite, durch hybrides Fahren, und Ladezeit, aufgrund der geringeren Batteriekapazität, gemäß den Kundenerwartungen zu erfüllen. Steigende Stückzahlerwartungen führen dazu, dass zunehmend die Optimierung des Gesamtsystems in den Vordergrund rückt. Dazu gehört auch die Möglichkeit, den mechanischen Getriebeteil zu vereinfachen, etwa durch Entfall des Rückwärtsgangs, und stattdessen mindestens eine in das Getriebe integrierte elektrische Maschine zu nutzen, um den vollen Funktionsumfang darzustellen. Solche Getriebekonzepte werden als dedizierte Hybridgetriebe oder „Dedicated Hybrid Transmissions“ (DHT) bezeichnet.

Andreas Kinigadner, Christian Lauinger, Laurent Bayoux

Kapitel 20. Akustik

Die Elektrifizierung des Antriebs verändert nicht nur das akustische Verhalten der Fahrzeuge, sondern stellt auch neue Herausforderungen für Gesetzgebung und Entwicklung dar. Um gesundheitliche Schäden und Belästigungen durch den Fahrzeuglärm und im weiteren Sinne den Verkehrslärm zu vermeiden, ist ein möglichst geringer Außengeräuschpegel wünschenswert und durch Grenzwerte nach oben gesetzlich limitiert. Hybrid-, aber insbesondere Elektrofahrzeuge haben bei geringen Fahrgeschwindigkeiten hier einen klaren Vorteil, der aber gleichzeitig auch als Nachteil gesehen werden kann. Grund dafür ist, dass im rein elektrischen Fahrbetrieb und im niedrigen Geschwindigkeitsbereich die gewohnten Geräusche fehlen, welche bislang auch als akustisches Signal zur Wahrnehmung von Fahrzeugen im Straßenverkehr dienten.

Johannes Blickensdorff, Marc Boulliung, Markus Burkard, Christian Dold, Bo-Göran Emretsson, Klaus Genuit, Bernhard Graf, Matthias Kurch, Pierre Millithaler, Carsten Mohr, Mark Nichols, Alfred Pecher, Michael Richter, Thorsten Rittgerott, Sven Satzinger, Dominik Stretz, Alexander Ulz

14. Produktentstehungsprozess bei Fahrzeuggetrieben

Das Kapitel stellt den Produktentstehungsprozess (PEP) für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit dar. Der PEP reicht von der Strategischen Produktplanung (Abschn. 14.1), über die Produktentwicklung und die Fertigungsplanung bis zum Start of Production (SOP). Getriebe sind komplexe mechatronische Systeme. Es ist eine Herausforderung, ein klares Verständnis für die Anforderungen zu schaffen und die funktionalen Sachverhalte zu durchdringen. Die Entwicklung muss übergreifend über die Fachdisziplinen Mechanik, Elektronik und Softwaretechnik erfolgen (Abschn. 14.2). Als Vorgehensmodell hat sich das V-Modell etabliert. Zum Erreichen der Entwicklungsziele und zur Kontrolle des Projektfortschritts wird der gesamte PEP in überschaubare Etappen unterteilt: die Freigabestufen (Abschn. 14.3). Zur Beherrschung der Zuverlässigkeit bedarf es eines ganzheitlichen Prozesses. Vorgehen und Werkzeuge des Zuverlässigkeitsmanagements werden in Abschn. 14.4. vorgestellt. Simulation und Versuch sind gleichwertige Methoden zur Problemlösung. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn beide Methoden kombiniert werden. Das bedeutet numerische Simulation (Abschn. 14.5) und praxisnahe Versuche auf Komponenten- und Systemebene (Abschn. 14.6) gehören zusammen.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

11. Beispiele ausgeführter Konstruktionen von Fahrzeuggetrieben

In diesem Kapitel werden exemplarisch Getriebekonstruktionen vorgestellt, ihr konstruktiver Aufbau besprochen, Funktionen erläutert und interessante Lösungen beschrieben. Die in den vorderen Kapiteln behandelte Theorie zu Getriebekonzepten sowie zur Auslegung und Gestaltung von Komponenten und Teilsystemen soll nun hier anhand ausgeführter Serienkonstruktionen griffig werden. Es ist nicht das Ziel, die neuesten und allerletzten Entwicklungen zu zeigen, vielmehr soll das Grundlegende und Allgemeingültige herausgearbeitet werden. Abschn. 11.1 beschäftigt sich mit 32 verschiedenen Pkw-Getrieben. Es werden quer und längs eingebaute Getriebe unterschiedlicher Ausführungen und Hersteller vorgestellt, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) und verschiedene Konfigurationen von Hybridantrieben sowie reinen E-Antrieben. Abschn. 11.2 geht dann auf 22 verschiedene Nkw-Getriebe ein und zeigt die ganze Bandbreite von MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybridantriebe und reine E-Antriebe. Zur leichteren Orientierung ist zu Beginn des Pkw- und Nkw-Teils eine Übersichtstabelle mit den vorgestellten Getrieben abgebildet. In Abschn. 11.3 werden ausgeführte Achsgetriebe von Pkw und Nkw vorgestellt sowie verschiedene Differentialgetriebe und Sperrdifferentiale. Im Abschn. 11.4 werden schließlich ausgewählte Teile des Allradantriebs gezeigt. Bezüglich der Grundkonzepte auf denen die ausgeführten Konstruktionen dieses Kapitels basieren sei auf die Getriebeschemata in Kap. 6 verwiesen.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

6. Systematik der Fahrzeuggetriebe: Konstruktive Grundkonzepte

Bevor auf die Auslegung und Gestaltung wichtiger Komponenten von Fahrzeuggetrieben eingegangen wird, sollen zunächst konstruktive Grundkonzepte von Getrieben vorgestellt und systematisch behandelt werden. Das Kapitel legt damit die Basis zum Verständnis der ausgeführten Seriengetriebe, die in Kapitel 11 „Beispiele ausgeführter Konstruktionen“ erörtert werden. Es startet mit Erläuterungen zu Anordnungsmöglichkeiten der Getriebe in Pkw- und Nkw-Antriebssträngen sowie dem grundsätzlichen Aufbau von Getrieben. In Abschn. 6.5 werden dann systematisch die Getriebekonzepte für Pkw anhand von Räderschemata entwickelt. Dies geschieht für quer und längs eingebaute Getriebe, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) sowie für verschiedene Konzepte von Hybridantrieben und reinen E-Antrieben. Die Darstellung der Getriebekonzepte für Nkw in Abschn. 6.6 erfolgt analog, obgleich Nkw-Getriebe sich bei den Konzepten in vielerlei Hinsicht von Pkw-Getrieben unterscheiden. Auf diese Besonderheiten, wie beispielsweise deren Aufbau als Gruppengetriebe, wird eingegangen. Behandelt werden Konzepte für Nkw-MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybrid- und E-Antriebe. Konzepte für Endantriebe (Achsgetriebe, Differentialgetriebe, Verteilergetriebe) von Pkw und Nkw werden in Abschn. 6.7 systematisch dargestellt. Für Nkw von hoher Bedeutung sind ferner Nebenabtriebe (Abschn. 6.8) und Dauerbremsen, sogenannte „Retarder“ (Abschn. 6.9).

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

14. Elektrifizierte Antriebssysteme

Eine möglichst kraftsparende Ortsveränderung und der damit verbundene Transport von Gütern und Personen war seit Beginn der Menschheit ein wesentliches Bedürfnis. Sehr früh wurde erkannt, dass dazu Transportmittel und Kraft‐ bzw. Antriebsquellen erforderlich waren. Je nach Transportaufgabe entwickelte sich daraus eine Vielzahl unterschiedlicher Symbiosen von Transportmitteln und Antriebssystemen.Heute ist der Verbrennungsmotor die dominierende Antriebsquelle. Das ist ein Ergebnis des aktuellen Stands der Entwicklung. Das war nicht immer so und muss in Zukunft auch nicht so bleiben. Der Verbrennungsmotor ist technologisch nur eine Möglichkeit von vielen, die wir heute als alternative Antriebe bezeichnen. Ein Motor allein ist auch noch kein Antriebssystem. Wie lange der Verbrennungsmotor eine wesentliche Antriebsquelle sein wird, hängt – neben vielen nicht technischen Randbedingungen – von der technologischen Entwicklung des Motors selbst und der Kombinationsfähigkeit mit anderen Antriebssystemen und Transportmitteln ab. Für einen zukunftsweisenden Weg des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, die Eigenschaften alternativer Antriebssysteme zu kennen und zu erkennen, aus welchen Gründen sich bestimmte Technologien durchgesetzt haben und andere nicht, und darauf abgestimmte Motoren zum Einsatz zu bringen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Peter Fischer, Dipl.-Ing. Stefan Neunteufel

17. Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebsstrangs

Die verbrennungsmotorischen Antriebe stehen im Augenblick vor der größten Herausforderung ihrer mehr als hundertjährigen Geschichte. Die Entwicklung alternativer Antriebe, insbesondere von batterieelektrischen Antrieben, wird teilweise so euphorisch eingeschätzt, dass sogar über ein generelles Verbot von Verbrennungsmotoren ab 2030 offen diskutiert wird. Doch selbst bei einer realistischen Einschätzung der technischen, wirtschaftlichen und marktpolitischen Realitäten ergeben sich für den Verbrennungsmotor signifikante Herausforderungen (Fraidl et al. 2017):

Dr.-techn. Gunter Fraidl, Dr.-techn. Paul Kapus

14. Elektrifizierte Antriebssysteme

Eine möglichst kraftsparende Ortsveränderung und der damit verbundene Transport von Gütern und Personen war seit Beginn der Menschheit ein wesentliches Bedürfnis. Sehr früh wurde erkannt, dass dazu Transportmittel und Kraft‐ bzw. Antriebsquellen erforderlich waren. Je nach Transportaufgabe entwickelte sich daraus eine Vielzahl unterschiedlicher Symbiosen von Transportmitteln und Antriebssystemen.Heute ist der Verbrennungsmotor die dominierende Antriebsquelle. Das ist ein Ergebnis des aktuellen Stands der Entwicklung. Das war nicht immer so und muss in Zukunft auch nicht so bleiben. Der Verbrennungsmotor ist technologisch nur eine Möglichkeit von vielen, die wir heute als alternative Antriebe bezeichnen. Ein Motor allein ist auch noch kein Antriebssystem. Wie lange der Verbrennungsmotor eine wesentliche Antriebsquelle sein wird, hängt – neben vielen nicht technischen Randbedingungen – von der technologischen Entwicklung des Motors selbst und der Kombinationsfähigkeit mit anderen Antriebssystemen und Transportmitteln ab. Für einen zukunftsweisenden Weg des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, die Eigenschaften alternativer Antriebssysteme zu kennen und zu erkennen, aus welchen Gründen sich bestimmte Technologien durchgesetzt haben und andere nicht, und darauf abgestimmte Motoren zum Einsatz zu bringen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Peter Fischer, Dipl.-Ing. Stefan Neunteufel

17. Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebsstrangs

Die verbrennungsmotorischen Antriebe stehen im Augenblick vor der größten Herausforderung ihrer mehr als hundertjährigen Geschichte. Die Entwicklung alternativer Antriebe, insbesondere von batterieelektrischen Antrieben, wird teilweise so euphorisch eingeschätzt, dass sogar über ein generelles Verbot von Verbrennungsmotoren ab 2030 offen diskutiert wird. Doch selbst bei einer realistischen Einschätzung der technischen, wirtschaftlichen und marktpolitischen Realitäten ergeben sich für den Verbrennungsmotor signifikante Herausforderungen (Fraidl et al. 2017):

Dr.-techn. Gunter Fraidl, Dr.-techn. Paul Kapus

A modular concept for hybridized manual transmissions

Manual transmissions combine the advantages of lowest weight, highest efficiency and lowest cost compared with all other light vehicle transmission types. This is reflected in the market share and the expected total volume of manual transmissions in the global markets. However, the concept of a manually shifted transmission needs to be adapted to upcoming market requirements:the need to integrate hybrid features in the powertrains to meet future legislated emission limitstightened NOx and particulate emission limits in cities and potential restrictions for the use of Diesel powered vehicles in inner city districtsneed for compatibility of today’s manual transmissions with advanced driver assistance functionsThe GETRAG concept to address this challenge is based on a step-by-step upgrade of the transmission’s function, where each step is building on the previous and provides a functional enhancement on it’s own. All components and functions are fully integrated into the transmission in consideration of the installation package in the vehicle engine bay thus minimizing the complexity and specific effort to offer hybrid and conventional powertrains versions in the same vehicle. The GETRAG hybrid manual transmission (HMT) concept offers specific advantages for small and mid size powertrains as a cost efficient option to create mild hybrid variants on the base of a 48V electric system. By the use of a standardized GETRAG hybrid part kit shared with the GETRAG Hybrid DCT program (6HDT200 / 7HDT300) the cost are held low while technical and development risks are minimized. For vehicle assembly the integrated solution offers the benefit of a fully tested unit ready to be mounted into the vehicle. The modularity of the system enables upgrade opportunities to automated hybrid transmissions (AHT) and – package neutral - to high voltage hybrid units for PHEVs and therefore purely electric driving in restricted inner cities.

Dr. Frank Casimir

9. Dynamische magnetoelastische Drehmomentsensorik für zukünftige Antriebsstrangregelung

Magnetoelastische Drehmomentsensoren werden seit 20 Jahren in der Formel 1 im Antriebsstrang zur Regelung eingesetzt. Mittlerweile hat diese Technologie einen Reifegrad erreicht auch Großserienapplikationen zu ermöglichen. Die Applikationsbandbreite reicht von der Erkennung von Fehlzündungen des Motors bis hin zur Traktionskontrolle der Antriebsräder. Ermöglicht wird dies durch Verwendung schon vorhandener Wellen ohne geometrische Modifikationen an diesen vorzunehmen. Durch eine einmalige Magnetisierung unter Verwendung der magnetischen Eigenschaften des Materials wird eine lebenslange Drehmomentmessung ohne Alterungseffekte ermöglicht. Einzigartig an der Magnetoelastischen Technologie ist die Ausführung einer wirklich kontatklosen Messmethode welche keinerlei Komponenten oder Modifikationen auf dem Bauteil selbst benötigt, welches für die Übertragung der Kräfte und Drehmomente verwendet wird. Die Magnetoelastik ermöglicht Messungen in Serienanwendungen die bis heute nur unter Laborbedingungen durchgeführt werden konnten da Sie bezüglich Leistungsfähigkeit und Kosten derzeit konkurrenzlos ist.

Johannes Gießibl

Das Hybridgetriebe 2025 aus Sicht eines Dienstleisters

In der Vergangenheit wurden oftmals Hybridtriebstränge durch einfache Hinzunahme der elektrischen Komponenten und der notwendigen Koppelelemente generiert. Bei diesem Vorgehen entstanden typischerweise sehr komplexe Triebstränge, in denen oftmals Funktionalitäten doppelt vorhanden waren. Zukünftig werden mit Hilfe der Elektrifizierung des Antriebsstranges einige im klassischen Getriebe benötigten Bauteile entfallen können, womit ein kostengünstigeres Hybridgetriebe möglich wird.

Klaus Kalmbach, Mathias Lutz

Familiengründer OM654

Der Plug-In Hybridantrieb in der neuen E-Klasse verbindet sportliche Fahrleistungen mit dem Komfort einer Oberklasselimousine. Dabei kommen das neu entwickelte und hocheffiziente Neungang-Wandler-Hybridgetriebe sowie bewährte Hochvoltkomponenten aus dem Hybridbaukasten zum Einsatz. Diese Kombination aus Antriebstechnik und intelligentem Antriebsmanagement weist den Weg zu maximaler Energieeffizienz.

Dr. Markus Kemmner, Peter Lückert, Torben Roth, Tillmann Braun

Der neue Plug-In Hybridantrieb

Stefan Schmiedler, Jochen Strenkert, Dr. Matthias Maisch, Franz Nietfeld

29. Hybridantriebe

In den Anfängen der Automobilentwicklung konkurrierten verschiedene Antriebskonzepte miteinander. Neben Otto- und Dieselmotoren wurden auch Dampfmaschinen und Elektromotoren als Fahrzeugantriebe eingesetzt. ferdinand porsche gilt als einer der ersten, der im Jahr 1900 bei seinem damaligen Arbeitgeber „K.u.K. Motorenwagen- und Automobil-Fabrik Jacob Lohner&Co“ ein Fahrzeug mit Hybridantrieb entwickelt hat. Bei dem „Lohner-Porsche Mixte“ handelte es sich um einen Seriellen-Hybridantrieb mit Radnaben-Elektromotoren und einem Vierzylinder-Verbrennungsmotor von Daimler, Abb. 29.1.

Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer, Dipl.-Ing. Carsten von Essen, Prof. Dr.-Ing. Eduard Köhler, Dr.-Ing. Martin Hopp

63. Unstetigförderer für Stückgut

Schon ein Schubkarren zeigt die typischen Merkmale eines Unstetigförderers für Schüttgut: Ein Arbeitsspiel besteht aus Beladen – Transportieren – Entladen – Rückfahrt. Ein Unstetigförderer wird an der Ladestelle beladen oder er nimmt hier seine Last selbst auf, er fährt zur Abladestelle, wird dort entladen, und fährt leer wieder zurück. Hier sollen nur Unstetigförderer für den innerbetrieblichen Massenguttransport im Tagebau und an Großbaustellen angesprochen werden. Beim Stichwort Massenguttransport denkt man erst einmal an die Stetigförderer (Kap. 64), und hier besonders an die Förderbandanlagen im Braunkohlentagebau oder bei Massengutumschlagsanlagen (Abb. Abb. 64.2, Kap. 64). Wenn aber entweder der Beladeort oder der Entladeort zu oft wechseln, oder sich durch den Abbau ständig verändern, dann müssen auch hier Unstetigförderer eingesetzt. werden. Man denkt hier an den Erztagebau, bei welchem Gestein gebrochen und abtransportiert werden muss; oder an den Autobahnbau, wo ganze Hügel abgetragen und Senken aufgefüllt werden müssen. Folgerichtig sind diese innerbetrieblichen Unstetigförderer auch unter der EN ISO 6165:2013-02 (D) – Erdbaumaschinen subsumiert [Häfner(2014)]. Je nach Transportentfernung unterscheidet man hier Radlader („Load & Carry“) und Muldenkipper, und bei letzteren wiederum Schwer-Lkw und Dumper [Eymer et al.(2012)].

Dr.-Ing. Johannes Sebulke

4. Formen und neue Konzepte

In diesem Kapitel werden wichtige Aspekte des Designs beleuchtet. Angefangen beim Design Prozess, der die interdisziplinäre Arbeitsmethode beschreibt, über „Advanced Design“, bei dem die Experten die Design-Richtung und Ideen für die Zukunft entwickeln, bis hin zum Beitrag des Designs zum Markenimage.

Dipl.-Ing. Dipl. Wirtsch. Ing. August Achleitner, Dipl.-Ing. (FH) Peter Antony, Dr. Edgar Berger, Dipl.-Ing. Christiaan Burgers, Dr.-Ing. Gernot Döllner, Dipl.-Ing. (FH) Norbert Ebner, Dipl.-Des. Hans Dieter Futschik, Dipl.-Ing. (TU) Manfred Gruber, Dr.-Ing. Gerrit Kiesgen, Dr. Robert B. Inderka, Dr.-Ing. Sicong von Malottki, Prof. Dr. Christian H. Mohrdieck, Prof. Dipl.-Ing. Karl E. Noreikat, Dipl.-Ing. Manuel Urstöger, M. Sc. Christoph Schildhauer, Herbert Schulze, Markus Wagner, Klaus Wolff, Dr. Martin Wöhr

5. Antriebe

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 und bis zur Höchstgeschwindigkeit jede beliebige Geschwindigkeit darstellen können.- Antriebsdrehmoment und -drehzahl müssen schnell regelbar sein, um dynamische Fahrvorgänge zu ermöglichen.- Der Energieträger muss auf kleinem Raum bei geringem Gewicht einen hohen Energieinhalt aufweisen. Ohne große Nutzlast- und Raumverluste soll eine möglichst hohe Reichweite ohne Unterbrechung oder Wiederbetankung möglich sein.- Die Masse und das Bauvolumen sind möglichst klein zu halten.- Das gesamte System muss Erschütterungen und Bewegungen standhalten können.- Der Antrieb soll kurzfristig (auch bei niedrigen und hohen Temperaturen) betriebsbereit sein.

Prof. Dr.-Ing. Roland Baar, Dr.-Ing. Henning Baumgarten, Dipl.-Ing. Markus Beck, M.Sc. Marius Böhmer, Dr. Dennis Bönnen, Dipl.-Ing. Richard Dorenkamp, Dr. Thorsten Düsterdiek, Georg Eichner, Dr. Jürgen Greiner, Dr.-Ing. Gerhard Gumpoltsberger, Dr.-Ing. Jan Hentschel, Dipl.-Ing. Michael Hinz, Dipl.-Ing. Emmanuel Jean, Hugo Kroiss, Gerhard Kurz, Dipl.-Ing. Roman Lahmeyer, Dipl.-Ing. Heribert Lanzer, Dr.-Ing. Martin Nijs, Ing. Hermann Pecnik, Dipl.-Ing. MSc Bert Pingen, Prof. Dr. Dr. E.h. Franz Pischinger, Dr. Christoph Sasse, Dr. Klaus-Peter Schindler, Dr. Torsten Schütte, Dipl.-Ing. Mike Souren, Dipl.-Ing. Klaus Spindler, Dipl.-Ing. Klaus Steinel, Dr.-Ing. Matthias Thewes, Michael Zeiser

7. Elektrifizierung des Antriebsstrangs

Bereits in Kap. 1 und auch in Kap. 6 sind Aspekte der Elektrifizierung gestreift worden. In diesem Buch ist den Hybrid- und Elektroantrieben ein eigenes Kapitel eingeräumt, die Gründe dafür sind:Die Spezifika elektrischer Antriebe, in Kombination mit dem konventionellen, verbrennungsmotorischen Antrieb und als ausschließlicher Fahrantrieb, werden in diesem Kapitel besprochen. Dabei wird unter dem Begriff elektrischer Antrieb die Kopplung einer für den Fahrzeugbetrieb optimierten elektrischen Maschine, einer zugehörigen Leistungselektronik (Umrichter, Inverter) und der erforderlichen Sensorik und Absicherung zusammengefasst.

Robert Fischer, Ferit Küçükay, Gunter Jürgens, Burkhard Pollak

4. Formen und neue Konzepte

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.

Dipl. -Des. Hans Dieter Futschik, Dipl. -Ing. Dipl. Wirtsch. Ing. August Achleitner, Dr.-Ing. Gernot Döllner, Dipl.-Ing. Christiaan Burgers, Dr.-Ing. Jürgen K.-H. Friedrich, Dr. Christian H. Mohrdieck, Herbert Schulze, Dr. Martin Wöhr, Dipl.-Ing. (FH) Peter Antony, Dipl. -Ing. Manuel Urstöger, Prof. Dipl.-Ing. Karl E. Noreikat, B.Eng. Markus Wagner, Dr. Edgar Berger, Dipl. -Ing. Manfred Gruber, Dr.-Ing. Gerrit Kiesgen

5. Antriebe

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.

Prof. Dr. Dr. E.h. Franz Pischinger, Dr.-Ing. Philipp Adomeit, Dipl. -Ing. Richard Dorenkamp, Dr. Klaus-Peter Schindler, Prof. Dr.-Ing. Roland Baar, Dr.-Ing. Gerhard Gumpoltsberger, Dr. Jürgen Greiner, Dr. Christoph Sasse, Dipl. -Ing. Klaus Steinel, Dipl. -Ing. Heribert Lanzer, Ing. Hermann Pecnik, Gerhard Kurz, Dr. Dennis Bönnen, Dipl.-Ing. Emmanuel Jean, Dipl. -Ing. Klaus Spindler, Dipl.-Ing. Markus Beck, Dipl.-Ing. MSc Bert Pingen, Dr. rer. nat. Ingo Drescher, Dr.-Ing. Eckart Heinl

Systematik der Fahrzeuggetriebe: Konstruktive Grundkonzepte

In diesem Kapitel werden konstruktive Grundkonzepte der Fahrzeuggetriebe systematisch vorgestellt. Daraus abgeleitete Konstruktionen werden in Kapitel 12 „Beispiele ausgeführter Konstruktionen“ exemplarisch behandelt.

Beispiele ausgeführter Konstruktionen von Fahrzeuggetrieben

In diesem Kapitel werden exemplarisch Getriebekonstruktionen vorgestellt und ihr konstruktiver Aufbau besprochen. Bezüglich der Räderanordnungen der vorgestellten Grundkonzepte sei auf die Getriebeschemata in den Abschnitten 6.6 „Pkw-Getriebe“, 6.7 „Nkw-Getriebe“, 6.8 „Endantriebe“ und 6.9 „Nebenabtriebe“ verwiesen.

7. Getriebe für elektrifizierte Antriebe

Infolge der unterschiedlichen Drehmoment/ Drehzahl-Charakteristiken von Verbrennungsmotoren und Elektromotoren ist die Getriebeauslegung an den elektrifizierten Antriebsstrang anzupassen. Nachfolgend werden die grundsätzlichen Unterschiede und Möglichkeiten aufgezeigt. Dabei spielen neben der Antriebskonfiguration auch die Betriebszustände infolge der Elektrifizierung eine wichtige Rolle.

Weiteres Thema: Anwendungsbeispiele

Dr.-Ing. Marjam Eghtessad, Univ. Prof. Dr.-Ing. Ferit Küçükay, M.Sc. Mark Schudeleit

29. Hybridantriebe

In den Anfängen der Automobilentwicklung konkurrierten verschiedene Antriebskonzepte miteinander. Neben Otto- und Dieselmotoren wurden auch Dampfmaschinen und Elektromotoren als Fahrzeugantriebe eingesetzt. FERDINAND PORSCHE gilt als einer der ersten, der im Jahr 1900 bei seinem damaligen Arbeitgeber „K.u.K. Motorenwagen- und Automobil-Fabrik Jacob Lohner&Co“ ein Fahrzeug mit Hybridantrieb entwickelt hat. Bei dem „Lohner-Porsche Mixte“ handelte es sich um einen Seriellen-Hybridantrieb mit Radnaben-Elektromotoren und einem Vierzylinder- Verbrennungsmotor von Daimler, Bild 29-1.

Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer, Dipl.-Ing. Carsten von Essen, Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eduard Köhler, Dr.-Ing. Martin Hopp

5. Fahrzeugauslegung

Bei der Auslegung von Kraftfahrzeugen und deren Teilsystemen insbesondere des Antriebs ist eine Vielzahl von Anforderungen und Vorgaben zu berücksichtigen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei zum einen die Fahrleistungen, die das Fahrzeug erreichen soll. Hierzu zählen Kriterien wie die Höchstgeschwindigkeit sowie das Beschleunigungs- und Steigvermögen. Zum anderen spielen der Energieverbrauch sowie das Emissionsverhalten eine ebenfalls wichtige Rolle bei der Auslegung eines Fahrzeugs. In diesem Kapitel werden die Grundlagen zur Auslegung von Kraftfahrzeugantrieben vermittelt. Neben den fahrzeugseitigen Widerständen werden die bei Verbrennungsmotoren sowie Elektro- und Hybridantrieben zu beachtenden Aspekte und Möglichkeiten erläutert. Die praktische Anwendung wird abschließend an einigen ausgewählten Fahrzeugbeispielen veranschaulicht.

Jan-Welm Biermann

4. Hybridkomponenten

In diesem Kapitel wird auf für Hybridfahrzeug relevante Energiewandler und Energiespeichersysteme eingegangen sowie auf eingesetzte Nebenaggregate. Neben Funktion und Aufbau werden auch Vor- und Nachteile der verschiedenen Arten beschrieben bzw. sinnvolle Adaptionen für den Einsatzzweck. Die Ausführungen reichen von verschiedenen Verbrennungskraftmaschinen über Elektromotoren und Brennstoffzellen bis hin zu elektrochemischen, mechanischen und hydropneumatischen Speichersystemen.

Peter Hofmann

6. Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

In diesem Kapitel wird eine Auswahl verschiedener weltweit am Markt befindlicher Serienhybrid- bzw. veröffentlichter Konzeptfahrzeuge vorgestellt. Die Auswahl erfolgte exemplarisch nach Novität der Lösungen und verfügbarem (bzw. zur Veröffentlichung freigegebenem) Material. Angefangen von Hybrid-Motorrädern werden verschiedene Personenwagen bis hin zu Supersportwagen beschrieben und die technischen Daten gezeigt.

Peter Hofmann

7. Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Zunehmend werden auch in Nutzfahrzeugen Hybridsysteme eingesetzt, da Fahrzeuge im kommunalen, gewerblichen und industriellen Einsatz vielfach gut definierte Einsatzprofile erfüllen. Darauf abgestimmt, lassen sich entsprechend ausgelegte Hybridsysteme entwickeln, die die Vorteile vielfach besser umsetzen können, als es beim viel weniger strukturierten Individualverkehr möglich ist. Dabei sind die Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership TCO) die Entscheidungsgrundlage für Einsatz, Art und Auslegung des Hybridsystems.

Beispielhaft seien hier Stadtbusse genannt, die auf Grund der häufigen Stopps, der hohen Stillstandsanteile, des überwiegenden Teillastbetriebs und der relativ hohen Betriebsdauer sowie durch ihren Einsatz im emissionssensiblen Stadtbereich prädestiniert für eine Hybridisierung sind. In diesem Kapitel werden beginnend mit Hybridsystemen für Nutzfahrzeuge ausgeführte Hybrid-Busse und Hybrid-Lkw beschrieben.

Peter Hofmann

Elektrisches Hybridgetriebe für vielerlei Anwendungen

Um bei Plug-in-Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen mit Range Extender die Vortriebskraft auf die Räder zu bekommen, hat Hofer EDS ein neuartiges Hybridgetriebe konzipiert. Es kombiniert die Betriebsarten einer speziellen Asynchronmaschine mit denen eines elektrischen Achsantriebs.

Dr.-Ing. Heinz Schäfer

3. Komponenten des Hybridantriebs

Der Verbrennungsmotor liefert die gesamte in einem Hybridfahrzeug umgesetzte Energie (außer beim Plug-in-Hybrid), weshalb seine optimale Auslegung bei Hybridkonzepten eine wesentliche Rolle spielt. Die Leistung, die der Verbrennungsmotor liefern soll, hängt von dem gewählten Hybridkonzept ab. Parallelhybride als Vollhybridvariante haben meist einen stärkeren Elektromotor und können deshalb mit einem relativ kleinen Verbrennungsmotor kombiniert werden, wohingegen beim Mild- oder Mikrohybrid der Antrieb maßgeblich vom Verbrennungsmotor erfolgt. Bei einem seriellen Hybrid wird die vom Verbrennungsmotor abgegebene Bewegungsenergie in der Regel nicht direkt zum Vortrieb verwendet, sondern in elektrische Energie umgewandelt, die gegebenenfalls in der Batterie zwischengespeichert wird und den Elektromotor für den Antrieb versorgt. Die Auslegung des Verbrennungsmotors richtet sich also sehr stark nach dem Einsatzzweck des Fahrzeugs und nach der Antriebsstruktur.

Dr. Notker Amann, Dr.-Ing. Matthias Beck, Dipl.-Ing. Otmar Bitsche, Dipl.-Ing. Pedro Casals, Bernd Cebulski, Dr. Christine Ehret, Dr.-Ing. Jochen Faßnacht, Andreas Greff, Dipl.-Ing. (FH) Franz Gretzmeier, Dr. Günter Gutmann, Dipl.-Ing. Frank Hentschel, Markus van Heyden, Dr.-Ing. Markus G. Kliffken, Dr. Dieter Kraft, Dr. Axel Müller, Roland Norden, Robert Stawiarski, Markus Wagner, Dipl.-Ing. Toni Viscido, Dr. Harald Weiler

2. Hybride Antriebsstrukturen

Der Wortstamm gibt bereits den entscheidenden Hinweis auf die Konstruktion eines Hybridantriebes. Nach der Festlegung in IEC/TC69 (International Electrotechnical Commission/Technical Committee 69) [IEC69] verfügt ein Hybridantrieb über mindestens zwei verschiedene (fahrzeugeigene) Energiewandler sowie zwei verschiedene Energiespeicher, die zu Traktionszwecken eingesetzt werden. Eine weitere Definition für Hybridfahrzeuge ist in der ECE-R83 beschrieben: ein Fahrzeug mit mindestens zwei verschiedenen (fahrzeugeigenen) Energiewandlern und zwei verschiedenen (fahrzeugeigenen) Energiespeichern für den Antrieb des Fahrzeuges [ECE-R83]. Die SAE (Society of Automobile Engineers) [J1715] definiert: „Ein Hybridfahrzeug besteht aus zwei oder mehr Energiespeichern mit ihren dazugehörigen Energiewandlern, die wahlweise gemeinsam oder jeweils getrennt das Fahrzeug antreiben“.

Dr. Siegfried Saenger-Zetina, Markus Wagner

5. Antriebe

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 System muss Erschütterungen und Bewegungen ertragen können.

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

Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h. Hans-Hermann Braess, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert

4. Formen und neue Konzepte

Das Design gewinnt innerhalb der Automobilentwicklung eine immer größere Bedeutung.

Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h. Hans-Hermann Braess, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert

Kapitel 7. Ausgeführte Lkw- und Bus-Hybridkonzepte

Derzeit werden hybride Fahrzeugantriebe als ein Schritt in Richtung umweltfreundlicher Fahrzeuge gesehen, wobei der Schwerpunkt der öfentlichen Wahrnehmung auf dem Pkw liegt. Neben Pkw bieten aber auch andere Fahrzeugklassen, wie Nutzfahrzeuge oder Baumaschinen, interessante Anwendungsmöglichkeiten für hybride Antriebe. Grundsätzlich ist die Motivation ein Hybridantriebssystem in einem Lkw oder Bus einzusetzen gleich wie beim Pkw, siehe auch Kapitel 3, Motivation zum Bau von Hybridantriebssystemen. Beachtenswert scheint, dass Fahrzeuge im kommunalen, gewerblichen und industriellen Einsatz vielfach gut definierte Einsatzprofile erfüllen. Darauf abgestimmt, lassen sich entsprechend ausgelegte Hybridsysteme entwickeln, die die Vorteile vielfach besser umsetzen können, als es beim viel weniger strukturierten Individualverkehr möglich ist.

Kapitel 4. Hybridkomponenten

In der Regel werden bei Hybridfahrzeugen konventionelle Verbrennungskraftmaschinen mit einem zweiten Energiewandlersystem — in den meisten Fällen einem elektrischen Antriebssystem — kombiniert. In diesem Kapitel werden kurz verschiedene Arten von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, die für den Einsatz in Hybridfahrzeugen in Betracht kommen. Dabei wird in erster Linie auf die für den Hybridantrieb relevanten Eigenschaften und Besonderheiten sowie auf Vor- und Nachteile beim Einsatz in Hybridfahrzeugen eingegangen. Für eine detaillierte und tiefergehende Beschreibung von Verbrennungskraftmaschinen wird auf entsprechende Fachliteratur wie beispielsweise [151] verwiesen. Neben klassischen Hubkolbenmotoren wird auch auf Rotationskolbenmotoren sowie Gasturbinen eingegangen. Brennstoffzellen zählen zwar nicht zu den Verbrennungskraftmaschinen, da sie aber ebenfalls chemische — im Kraftstoff gebundene — Energie in eine andere Energieform umwandeln, werden sie auch in diesem Kapitel behandelt.

Kapitel 6. Ausgeführte Pkw- und Motorrad-Hybridkonzepte

Der Toyota Prius ist der bekannteste Vertreter der Sparte der Hybridfahrzeuge. Erstmals auf den Markt gekommen ist er im Oktober 1997 in Japan. 2001 wurde in Amerika und Europa eine überarbeitete Version des Prius der 1. Generation eingeführt und 2003 folgte die 2. Generation.

Abb. 6.1

zeigt diese zwei Generationen. Mittlerweile wurde bereits die 3. Generation vorgestellt.

Abb. 6.1.

Toyota Prius der 1. Generation (links) [113] und der 2. Generation (rechts) [114]

15. Regelung ausgewählter Hybridtopologien: parallel und leistungsverzweigt

Hybridfahrzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung, vor allem wegen der Möglichkeit zur Kraftstoffeinsparung, aber auch wegen ihrer zusätzlichen Agilität aufgrund der kurzfristig erreichbaren erhöhten Drehmomente. Durch die flexible Gestaltung von elektrischen Maschinen, Batterien und Nebenaggregaten lassen sich unter Beibehaltung des Standardbauraums verschiedene Antriebsstrangkonzepte realisieren. Um diese steuern und regeln zu können, ist eine bibliothekenbasierte und flexible Software-Architektur notwendig. In diesem Beitrag werden anhand zweier Praxisbeispiele die Gemeinsamkeiten, die Komplexität und die Unterschiede bei der Steuerung und Regelung von zwei zunächst verschiedenen Hybridantriebssträngen, parallel-mild Hybrid und leistungsverzweigt-voll Hybrid, vorgestellt.

Dipl.-Ing. Siegfried Saenger Zetina, Dr.-Ing. Torsten Scholt, Dipl.-Ing. Konstantin Neiß

4. Formen und neue Konzepte

Der sprachliche Ursprung des Wortes Design stammt aus dem Lateinischen (designare = bezeichnen, angeben, bestimmen, ernennen, (ab-) zeichnen, (nachbilden), im romanischen und angelsächsischen Sprachgebrauch ist der Begriff heute für nahezu jede gestaltende Handlung in Gebrauch (zum Beispiel Hair Design = Friseur, Light Design = Beleuchtung, Fashion Design = Mode, Software Design = Entwicklung von Computerprogrammen, etc). Das Oxford English Dictionary erwähnt für den Begriff „Design“: Sketch or plan for a future product, und für den Begriff „Industrial Design“: The art of making designs for objects which are to be produced by machine. In jedem Fall ist zu beachten, dass Design im englischen Sprachgebrauch wesentlich weiter gefasst ist und in der Bedeutung die gesamte (auch rein technische) Entwicklung einschließen kann, während der Begriff im deutschen Sprachraum immer eine gestalterisch-kreative Komponente impliziert.

Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert

14. Entwerfen und Ordnen von Funktionseinheiten

Unter dieser Rubrik sollen einige im Maschinenbau häufig angewandte Funktionseinheiten — wie Verbindungen und einfache Getriebe — entworfen und geordnet werden. Hierbei soll das methodische Vorgehen nochmals deutlich gemacht werden.

Dr.-Ing. Rudolf Koller
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