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Über dieses Buch

Dieses Werk behandelt die Nutzfahrzeugtechnik, die durch die unterschiedlichsten Aufgaben, die Nutzfahrzeuge übernehmen müssen, ein weites Themenfeld umfasst. Bei der Entwicklung eines solchen Fahrzeuges muss berücksichtigt werden, dass es möglicherweise zum Langstrecken-Gütertransport oder zur Straßenreinigung eingesetzt werden wird. Bei der Umsetzung von technischen Lösungen müssen rechtliche Restriktionen und ökonomische Anforderungen umgesetzt werden. Diesem Themenfeld möchte das Buch gerecht werden, indem es über die rechtlichen Grundlagen, die Fahrphysik, die Fahrgestell- und Aufbaukonstruktion sowie die Antriebstechnik informiert. Auch die Elektronik spielt durch die wachsende Anzahl von Fahrerassistenzsystemen ebenso wie die Motor- und Getriebesteuerung eine wichtige Rolle. Besonders hervorzuheben ist die Nutzfahrzeugaerodynamik, welche hier intensiv behandelt wird, da sie im Zuge der CO2-Diskussion einen wertvollen Beitrag leisten kann. Dabei steht das Verständnis des Gesamtfahrzeugs im Vordergrund. Der Leser wird nach der Lektüre das Zusammenspiel von Einsatzzweck, gesetzlichen Vorgaben, Fahrphysik und den daraus folgenden Nutzfahrzeugkomponenten verstehen und auf dieser Basis Entscheidungen treffen können.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung in die Nutzfahrzeugtechnik

Zusammenfassung
Die Nutzfahrzeugtechnik entstand als eigenständiges Entwicklungsgebiet, als sich der Lastkraftwagen (LKW) vor mehr als hundert Jahren konstruktiv von den ersten Personenkraftwagen mit Verbrennungsmotor löste. Der LKW hat heute noch in der Regel vier Räder, den vorne eingebauten Motor und den Antrieb auf der Hinterachse. Dennoch ist der Umbruch der Technik bei allen Komponenten unverkennbar. Die Dieselmotoren der LKW-Hersteller haben den größten Anteil an Entwicklungsschritten und ein Einfluss auf die Entwicklung der Dieselmotoren der PKW ist gegeben. Der wassergekühlte Viertakt-Dieselmotor mit Hubkolbentriebwerk ist weltweit noch die bevorzugte Antriebsquelle. Die Getriebe arbeiten meist vollautomatisch im Rahmen des Fahrzeugmanagements. Die Anpassung an die Performance der Motoren und die jeweiligen Arbeitsbedingungen des LKWs bürgen für einen ökonomischen und ökologischen Betrieb. Für die Hersteller steht der Kundennutzen im Vordergrund und die Mittel und Wege zum Einhalten der gesetzlichen Rahmenbedingungen regen den Wettbewerb an.
Erich Hoepke, Stefan Breuer

2. Fahrmechanik

Zusammenfassung
Die Fahrmechanik ist die Lehre der Kräfte und Bewegungen an einem Fahrzeug, sie setzt sich zusammen aus der Dynamik – der Lehre der Kräfte – und der Kinematik – der Lehre des räumlichen und zeitlichen Zusammenhangs von Bewegungen. Sie ist die Basis zum Verständnis des Gesamtfahrzeugs. Dieses ist gerade beim Nutzfahrzeug sehr wichtig, da es meistens von unterschiedlichen Gruppen konzipiert wird. Das Fahrgestell wird überwiegend getrennt von dem Nutzaufbau gefertigt.
Unterteilt wird die Fahrmechanik richtungsabhängig in die Längs-, Quer- und Vertikaldynamik, Definition der Richtungen siehe Abb. 2.1. Die Längsdynamik beschäftigt sich mit den Kräften in Längsrichtung (x-Richtung), also dem Fahrwiderstand, dem Kraft- und Leistungsbedarf, den Fahrgrenzen und dem Bremsen. Die Querdynamik analysiert die Kräfte in Querrichtung (y-Richtung), wie sie z. B. bei einer Kurvenfahrt auftreten, aber auch bei Geradeausfahrt mit Seitenwind. Die Vertikaldynamik beschreibt Kräfte und Bewegungen in vertikale Richtung (z-Richtung), die in Form von Schwingungen auf den Fahrer und das Ladegut einwirken. Das Bestimmen von Rad- und Achslasten fällt ebenfalls zur Vertikaldynamik. Die Drehbewegung um die Koordinatenachsen heißen Wanken, Nicken und Gieren.
In diesem Kapitel wird der Kraft- und Leistungsbedarf eines Nutzfahrzeugs analysiert, die Fahrgrenzen sowie statische und dynamische Achslasten beschrieben. Die Kennungswandlung, d. h. das Anpassen der Motorcharakteristik an den Bedarf, wird in Kap. 7 beschrieben.
Stefan Breuer, Stephan Kopp

3. Konzeption von Nutzfahrzeugen

Zusammenfassung
Unter den vielen gesetzlichen Bestimmungen, Vorschriften und Normen setzen die im Hinblick auf einen möglichst ungehinderten Verkehrsfluss und mit Rücksicht auf die Schonung der Straßenverkehrswege festgeschriebenen Grenzen für Abmessungen (§ 32 StVZO) sowie Gewichte und Achslasten (§ 36 StVZO) die wesentlichen Rahmenbedingungen für das Fahrzeugkonzept dar.
Während bis in die 1980er Jahre hinein in den europäischen Staaten bisweilen sehr unterschiedlich Vorschriften bestanden, wurde im Zuge der Harmonisierungsbestrebungen innerhalb der Europäischen Union deren Richtlinie 96/53/EWG [1] bis September 1977 verbindlich in nationales Recht (StVZO) [2] umgesetzt. Jedoch gibt es in einzelnen Mitgliedsstaaten auch abweichende Bestimmungen. Hier stellen die Werte der EU-Richtlinie nur erlaubte Werte dar [3].
Hans-Jürgen Burger

4. Nutzfahrzeug-Fahrgestell

Zusammenfassung
Während die Fahrzeughersteller Sattelzugmaschinen oft bereits fertig nutzbar mit Sattelkupplung anbieten, werden Lastkraftwagenfahrgestelle für den Solo- oder Anhängerbetrieb im Allgemeinen nicht nur von einem OEM komplett fertiggestellt. Der Hersteller bietet meist nur das Fahrgestell ohne Aufbau an. Dabei handelt es sich um ein industriell produziertes und fahrbereites Fahrzeug, welches anschließend in zum Teil handwerklich strukturierten Aufbaubetrieben durch einen zur vorgesehenen Nutzung passenden Aufbau veredelt wird. Bei den großen Omnibussen gibt es dagegen Komplettfahrzeuge ab Herstellerwerk. Nur Mini- und Midibusse werden in Europa noch auf tragenden Fahrgestellen aufgebaut.
Primäre Kriterien zur Auswahl eines Fahrgestells wie auch der Sattelzugmaschine sind das Gesamtgewicht, die Achsformel, die Motorisierung, die Fahrerhausabmessung und die Fahrwerkbauart. Bei den für einen Aufbau vorgesehenen Fahrgestellen ist darüber hinaus der passende Radstand und die geeignete Rahmenhöhe interessant. Individuelle Ausstattungsoptionen betreffen unter Anderem Fahrerhaus, Nebenantriebe, Räder/Bereifung, Getriebe und Fahrwerk.
Aufbauhersteller übernehmen oft eine große technische Verantwortung. So werden Rahmen inklusive Gelenkwellen gekürzt oder verlängert, Anbauteile wie Tanks oder Abgasanlagen verlegt und sogar zusätzliche Achsen eingebaut. Die Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs – maßgeblich durch den Aufbau bestimmt – entscheidet wesentlich über das Fahrverhalten, so dass beispielsweise auch Fahrstabilitäts-Regelsysteme individuell anzupassen sind.
Bernd Rhein

5. Nutzfahrzeugtragwerke und deren Aufbauten

Zusammenfassung
Traditionell werden im Nutzfahrzeugbau hauptsächlich die Werkstoffe Stahl und Holz eingesetzt. Forderungen nach gesteigerten Nutzlastverhältnissen und wirtschaftlicher Produktionsweise haben jedoch das Spektrum der eingesetzten Werkstoffe wesentlich erweitert. Neben die Baustähle S235JR (St 37-2) und S355JR (St 52-3) treten hochfeste Feinkornbaustähle und der Forderung nach Stoffleichtbau entsprechend zunehmend Aluminium-Knetlegierungen. Hölzer werden zu mehrschichtigen Sperrholzplatten veredelt, Kunststoffe eignen sich für Formteile mit sphärisch gekrümmten Flächen oder werden unter der Zielsetzung des Formleichtbaus zusammen mit Schaumstoffen zu Sandwich-Verbundplatten verarbeitet.
Schweißbare Stähle stellen nach wie vor aus primär wirtschaftlichen (Werkstoffkosten) und technologischen Gründen (Umformbarkeit, Schweißeignung) die vorherrschende Werkstoffgruppe im Nutzfahrzeugbau dar. Dabei lässt sich die Grenze der Umformbarkeit als Verhältnis \(r_{\text{i},\min}/d\) des kleinsten zulässigen Biegeradius \(r_{\text{i},\min}\) zur Blechdicke d beim Abkanten beschreiben, welches annähernd in direkter Abhängigkeit zur Bruchdehnung A 5 steht [1]:
$$\frac{r_{\text{i},\min}}{d}=\frac{1}{2}\left({\frac{100\%}{A_{5}}-1}\right)$$
(5.1)
Im direkten Vergleich zu Aluminium-Werkstoffen (Tab. 5.1) zählen neben den Materialkostenvorteilen die höheren Festigkeitswerte (Streckgrenze \(R_{\text{e}}\), Bruchfestigkeit \(R_{\text{m}})\) und die größere Materialeigensteifigkeit (Elastizitätsmodul E, Gleitmodul G).
Hans-Jürgen Burger

6. Antrieb

Zusammenfassung
Die Klassifizierung der Nutzfahrzeuge erfolgt allgemein nach der Gesamtmasse des Fahrzeuges und ist beispielsweise ausschlaggebend für die unterschiedlichsten Gesetzgebungsvorschriften, wie die Begrenzung von Abgasemissionen und die Regelung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges. Der Übergang von der leichten zur schweren Klasse im Sinne des Antriebes ist nicht exakt definiert und bewegt sich eher fließend in einem Bereich zwischen 3,5 t und 6,5 t. In der schweren Klasse wird noch einmal zwischen leichten, mittleren und schweren Nutzfahrzeugen unterteilt. Die maximal zulässige Gesamtmasse liegt innerhalb Europas für den öffentlichen Straßenverkehr bei 44,0 t (Tab. 6.1).
In der schweren Klasse werden heute oberhalb 6,5 t ausschließlich abgasturboaufgeladene, ladeluftgekühlte Dieselmotoren eingesetzt. Die leichten Nutzfahrzeuge im Bereich der schweren Klasse (\(<\) 6,5 t), die noch über einen Saugmotorantrieb verfügen, werden durch die stetige Verminderung der zulässigen Abgasemissionen und aufgrund ihrer geringeren Wirtschaftlichkeit in absehbarer Zeit von den ladeluftgekühlten Turbomotoren endgültig abgelöst bzw. verdrängt werden.
Thomas Esch, Ulrich Dahlhaus

7. Getriebe

Zusammenfassung
Im Abschn. 2.1 wurden die Fahrwiderstände berechnet und daraus der Leistungsbedarf ermittelt. Dieser muss vom Motor in Arbeitsgemeinschaft mit Kupplung und Getriebe gedeckt werden. Die Ursache für die Notwendigkeit dieser zusätzlichen Baugruppen liegt im Funktionsprinzip des Motors. Neben seinen zahlreichen, bedeutenden Vorteilen wie niedrigem Leistungsgewicht, gutem Wirkungsgrad und geringem Platzbedarf hat er folgende Nachteile [1, 2]:Bevor auf die Drehzahl- und Drehmomentwandlung näher eingegangen wird, sollen die vorstehend aufgezählten Nachteile näher erläutert werden.
Stefan Breuer, Thomas Esch

8. Elektrik und Elektronik

Zusammenfassung
Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und gesetzliche Bestimmungen sind die für den Einsatz von Elektrik und Elektronik im Nutzfahrzeug bestimmenden Faktoren. Gemäß dieser Voraussetzung haben z. B. elektronische Systeme im Nutzfahrzeug in den zurückliegenden Jahren einen maßgeblichen Einfluss u. a. auf den Kraftstoffverbrauch, das Fahr- und Bremsverhalten sowie Abgas- und Geräuschemissionen gewonnen.
Es lassen sich folgende generelle Trends erkennen:
1.
Mechanik wird durch Elektromechanik ersetzt (z. B. elektrisch unterstützte Lenkung).
 
2.
Elektromechanik wird durch Elektronik ersetzt (z. B. elektronische Blinkersteuerung).
 
3.
Mechanik/Elektromechanik/Elektronik wird durch Software ersetzt (z. B. Ermittlung des optimalen Zielgangs bei automatisch gesteuerten Getrieben).
 
Daraus ergibt sich, dass die Funktionalität des Nutzfahrzeuges immer stärker durch elektrische oder elektronische Systeme und durch Software bestimmt wird, d. h. Elektrik und Elektronik werden zunehmend wichtiger.
Wolfgang Appel

Backmatter

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