Fluidtechnik in Kraftfahrzeugen

Die Fachgebiete Fluidtechnik und Kraftfahrzeugtechnik sind unabhängig voneinander entstanden. Die Fluidtechnik behandelt die Lehre von fliessenden (strömenden) Medien (Flüssigkeiten oder Gasen). Sie wird oft der Strömungslehre zugeordnet. Berücksichtigt man konkrete Anwendungen mit Flüssigkeiten als Strömungsmedium, so wird von der Hydromechanik gesprochen. Diese kann wiederum in Hydrostatik und Hydrodynamik unterteilt werden. In diesem Buch wird bewusst vom Begriff Fluidtechnik ausgegangen, da so gemäß Abb. 1 die für die Fahrzeugtechnik typischen Anwendungen insgesamt erfasst werden können. In Kraftfahrzeugen werden z. B. hydraulische oder pneumatische Bremssysteme, hydraulische Lenkunterstützungen, hydraulische oder pneumatische Dämpfer, hydrodynamische Wandler, Hydraulikzylinder und Hydraulikpumpen bzw. -motoren für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt.

Eine wesentliche Grundvoraussetzung für das Betreiben von Kraftfahrzeugen ist die Lenkbarkeit des Fahrzeuges. Die vom Fahrer gewünschte Spureinhaltung soll deshalb so gewährleistet werden, dass sich einerseits Brems- und Lenkvorgänge ebenso wie andere auf das Fahrzeug wirkende Kräfte die Fahrstabilität nicht negativ beeinflussen und andererseits ein möglichst hoher Fahrkomfort erreicht wird. Damit wird deutlich, dass die Gestaltung der Bodenaufstandsfläche des Reifens auf der Fahrbahn von zentraler Bedeutung ist, da sich daraus die übertragbare Kraft ergibt.

Der Einsatz fluidtechnischer Komponenten stellt im Personen- und Nutzfahrzeugsektor gegenwärtig ein breites Spektrum dar. Neben den für die aktive Sicherheit maßgeblich verantwortlichen Brems-, Lenk- und Fahrdynamiksystemen findet man zunehmend im Komfortbereich hochentwickelte Hydraulikanwendungen. Auch sind unterstützende Funktionen innerhalb von Motor, Getriebe und Kupplung zu nennen, die sich trotz ihrer relativen Unscheinbarkeit bewährt haben und sich auf einem hohen technischen Niveau befinden. Nicht unerwähnt sollen die sich mittlerweile in nahezu allen Kraftfahrzeugen befindlichen Klimaanlagen bleiben, in denen viel fluidtechnisches Know-how steckt.

Im Sinne der Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung [4.1] sind selbstfahrende Arbeitsmaschinen „Fahrzeuge, die nach ihrer Bauart und ihren besonderen mit dem Fahrzeug fest verbundenen Einrichtungen zur Leistung von Arbeit … bestimmt und geeignet sind“. Unter diesen Voraussetzungen wären selbstfahrende Arbeitsmaschinen Fahrzeuge und es scheint damit gerechtfertigt, in einem Fachbuch über Fluidtechnik in Kraftfahrzeugen auch etwas über die Fluidtechnik in selbstfahrenden Arbeitsmaschinen zu sagen. Dies gilt auch dann, wenn im Bereich der Arbeitsmaschinen heute noch mehr von Hydraulik, statt Fluidtechnik – durchaus im Hinblick auf die Vielfalt der Anforderungen an Fluide (vgl. Abschn. 2.2) im Selbstverständnis dieses Buches – gesprochen wird.

Motorräder sind Einspurfahrzeuge, die nicht eigenstabil sind. Eine Ausnahme stellen Beiwagengespanne dar, die hier nicht betrachtet werden. Das Motorrad befindet sich immer im labilen Gleichgewicht und neigt zum Umfallen. Eine Stabilisierung erfolgt durch die bei Rotation der Räder entstehenden Kräfte. Diese dynamische Stabilisierung wird auch beim Lenken ausgenutzt. Motorräder werden durch die zum Einleiten der für die Kurvenfahrt notwendigen Schräglage gelenkt (Ausnahme: sehr geringe Geschwindigkeit). In der Kurve stehen Fliehkraft und Schwerkraft im Gleichgewicht. Damit wird deutlich, dass der Fahrer mit seinen Erfahrungen unmittelbar in den Regelkreis (s. Abschn. 2.1) integriert ist und einen wesentlichen Einfluss auf das gesamte Fahrverhalten hat. Des Weiteren wirken sich Störkräfte insbesondere bei der Kurvenfahrt auf die Fahrstabilität aus. Durch das Motorrad selbst sind die Federung, die Bremsanlage und der kontinuierliche Kraftfluss von entscheidender Bedeutung [5.1]. Auf Besonderheiten, die ebenfalls mit der Fluidtechnik verbunden sind wird nicht eingegangen. Stellvertretend dafür soll z. B. eine neuartige Kettenschmieranlage [5.2] genannt werden.

Die Konstruktion von Rennwagen wird seit Beginn des Motorsports vorrangig von folgenden Faktoren geprägt [6.1]:

Der weltweite Wettbewerb und die verschärften Umweltforderungen in der Automobilindustrie zwingen die Hersteller, ständig technische Verbesserungen und optische Veränderungen vorzunehmen. Kurze Entwicklungszeiten, Leichtbau und Betriebsfestigkeitsprüfungen sind unabdingbar. Die damit verbundenen sehr komplexen Anforderungen lassen sich nur erfüllen, indem Simulationsprogramme für eine optimale Konstruktion und Fertigungsvorbereitung sowie moderne Prüfstände für experimentelle Untersuchungen eingesetzt werden. Ein wesentliches Ziel ist es, Bauteile, Baugruppen aber auch komplette Fahrzeuge auf Betriebsfestigkeit auszulegen und unter möglichst realen Bedingungen zu testen. Bevor es zu Fahrten in einem Testgelände kommt, werden diese Objekte auf Prüfanlagen, die realitätsnahe Bedingungen simulieren (auch klimatisch), untersucht. Damit sind Auswirkungen dynamischer Beanspruchungen auf das Fahrzeug bzw. das Bauteil frühzeitig analysierbar und ggf. folgend konstruktiv änderbar. Da ein Großteil der Versuchsstände und Belastungseinrichtungen einen oder mehrere hydraulische Antriebe haben, sollen einige von ihnen beispielhaft vorgestellt werden. Gleichzeitig sollen dem Ingenieur in der Praxis entsprechende Projektierungshinweise – wie sie systematisch von Riedel und der IAMT Prüfsysteme [7.1–7.4] ausgearbeitet wurden – gegeben werden, die bei der Hydraulikauslegung derartiger komplexer Prüfstände zu berücksichtigen sind.