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Über dieses Buch

Fahrzeugingenieure in Praxis und Ausbildung benötigen den raschen und sicheren Zugriff auf Grundlagen und Details der Fahrzeugtechnik sowie wesentliche zugehörige industrielle Prozesse. Diese Informationen sind in der aktuellen Auflage systematisch und bewertend zusammengeführt. Neben der Berücksichtigung der aktuellen Fortschritte „klassischer“ Automobile wird ganz besonders auf die rasanten Entwicklungen für Elektro- und Hybridantriebe eingegangen. Die neuen Konzepte beeinflussen einen Großteil aller Subsysteme von Fahrzeugen und damit fast alle Teilkapitel vom Fahrzeugpackage über die Bordnetze und die Sicherheit bis hin zu den Anforderungen an das Werkstattpersonal. Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt ist die Zusammenführung von aktiver und passiver Sicherheit (integrale Sicherheit) und die daraus folgenden neuen Systeme. In der 7. Auflage wurden Neuerungen zu Plug-in sowie Range Extender eingearbeitet. Die Autoren sind bedeutende Fachleute der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie; sie stellen sicher, dass Theorie und Praxis vernetzt bleiben.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Mobilität

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.

Frank Hansen

2. Anforderungen, Zielkonflikte

Hans-Hermann Braess, Ekhard Zinke, Hans-Jürgen Nettlau, Egbert Fritzsche, Ulrich Seiffert

3. Fahrzeugphysik

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.

Carsten Repmann, Andreas Eilemann, Eberhardt Pantow, Markus Wawzyniak, Mihiar Ayoubi, Ulrich Seiffert

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.

Hans Dieter Futschik, August Achleitner, Gernot Döllner, Christiaan Burgers, Jürgen K.-H. Friedrich, Christian H. Mohrdieck, Herbert Schulze, Martin Wöhr, Peter Antony, Manuel Urstöger, Karl E. Noreikat, Markus Wagner, Edgar Berger, Manfred Gruber, 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.

Franz Pischinger, Philipp Adomeit, Richard Dorenkamp, Klaus-Peter Schindler, Roland Baar, Gerhard Gumpoltsberger, Jürgen Greiner, Christoph Sasse, Klaus Steinel, Heribert Lanzer, Hermann Pecnik, Gerhard Kurz, Dennis Bönnen, Emmanuel Jean, Klaus Spindler, Markus Beck, Bert Pingen, Ingo Drescher, Eckart Heinl

6. Aufbau

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.

Hans-Hermann Braess, Markus Wawzyniak, Lothar Teske, Helmut Goßmann, Heinrich Timm, Ludwig Hamm, Volker Peitz, Walter Pecho, Roland Lachmayer, Rudolf Stauber, René Konorsa, Klaus Werner Thomer, Thomas Herpel, Peer-Oliver Wagner, Ernst Peter Neukirchner, Georg Laukart, Thomas Vorberg

7. Fahrwerk

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.

Axel Pauly, Steffen Gruber, Norbert Ocvirk, James Remfrey, Heiner Volk, Roman Müller, Hansjörg Rieger, Andreas Bootz, Oliver Hohenöcker, Johann Niklas, Ludwig Seethaler, Erich Sagan, Thomas Unterstraßer, Martin Lauterbach, Maik Miklis, Gregor Fischer, Oliver Kircher, Thomas Schwarz

8. Elektrik/Elektronik/Software

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.

Roland Lachmayer, Bernd Kunkel, Thomas Scharnhorst, Gabriel Schwab, Ludwig Brabetz, Jürgen Leohold, Dirk Dudenbostel, Klaus Schneider, Thomas Volk, Wolfgang Pfaff, Heinz-Bernhard Abel, Heinrich-Jochen Blume, Gerhard Heyen, Markus Kreye, Guido Schneider, Peter Knoll, Günther Kasties, Karsten Lemmer, Manfred Broy, Jörg Helbig, Lothar Ganzelmeier

9. Fahrzeugsicherheit

Mark Gonter, Thomas Schwarz, Ulrich Seiffert, Robert Zobel

10. Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Ludwig Hamm, Volker Peitz, Berthold Krautkrämer, Reinhart Malik, Peter Solfrank, Robert Plank

11. Produktentstehungsprozess

Hans-Hermann Braess, Ulrich Widmann, Claus Ehlers, Thomas Breitling, Norbert Grawunder, Volker Liskowsky

12. Rennfahrzeuge

Willy Rampf, Ulrich Schulz, Mario Theissen

13. Ausblick – Wo geht es hin?

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.

Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert

Backmatter

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