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www.f07.uni-stuttgart.de/transmitter 2/2007 trans mitter trans mitter EINBLICK Lernfabrik für aIE FORSCHUNGSCLUSTER AUTOMOTIVE Entwicklung zuverlässiger Getriebe Halten ohne Energie Umweltfreundlichkeit ein Autoleben lang Unabhängig vom Motor Werkstoffe – leicht und sparsam Automobilforschung im Verbund INTERVIEWS Prof. Jochen Wiedemann Fachschaft NEWS MAGAZIN DER FAKULTÄT MASCHINENBAU UNIVERSITÄT STUTTGART

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■ EINBLICK

■ Lernfabrik für aIE

■■■■■ FORSCHUNGSCLUSTERAUTOMOTIVE

■ Entwicklung zuverlässigerGetriebe

■ Halten ohne Energie

■ Umweltfreundlichkeit einAutoleben lang

■ Unabhängig vom Motor

■ Werkstoffe – leicht undsparsam

■ Automobilforschung imVerbund

■ INTERVIEWS

■ Prof. Jochen Wiedemann

■ Fachschaft

■■■■■ NEWS

MAGAZIN DER FAKULTÄT MASCHINENBAU – UNIVERSITÄT STUTTGART

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IMPRESSUM/INHALT

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Inhaltsverzeichnis

Editorial 4Birgit Spaeth

Wandlungsfähigkeit leicht gemacht 5Lernfabrik aIE: von der digitalen Welt in die reale ProduktionBirgit Spaeth

SCHWERPUNKT AUTOMOTIVE

Cluster AUTOMOTIVE 8Komplexes Anforderungsprofil für „automobil-affine“ Uni-InstituteJochen Wiedemann

Die Entwicklung zuverlässiger Getriebe 11Trends, Methoden, LösungenBernd Bertsche, Michael Wacker und Jochen Gäng

Halten ohne Energie 14Piezomotoren bieten Potenzial für Kfz-AnwendungenWolfgang Schinköthe und Elmar Rothenhöfer

Umweltfreundlichkeit ein Autoleben lang 16Wie Daimler-Chrysler Mobilität nachhaltig sichertThomas Weber

Unabhängig vom Motor 18Aktive Abgastechnik für RegenerationsmaßnahmenGerd Gaiser, Patrick Mucha und Josef Rudelt

Werkstoffe – leicht und sparsam 23Material- und Verfahrensentwicklung für Automobilanwendungen am IFKBMartin Silber, Enbiya Türedi, Martin Wenzelburger

Automobilforschung im Verbund 25Interview mit Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann (IVK/FKFS)Birgit Spaeth

Engagement im Interesse der Studierenden 27Interview mit Vertretern der Fachschaft MaschinenbauRobert Stanek

News 28Neuer Prüfstand zur Untersuchung von FahrzeuggetriebenPreisgekrönte VeröffentlichungDeutsch-Ägyptisches WissenschaftsjahrMesstechnik-Preis für junge ForscherNeue Vorlesung „Turbochargers“ in englischer Sprache

Impressum

transmitter4. Jahrgang, Nr. 2/2007

HerausgeberFakultät 7 – Maschinenbau –der Universität StuttgartPfaffenwaldring 970569 StuttgartInternet: www.f07.uni-stuttgart.de

RedaktionDr. Birgit Spaeth (V.i.S.d.P.)Institut für Industrielle Fertigungund Fabrikbetrieb (IFF)Universität StuttgartNobelstraße 1270569 StuttgartTelefon: 0711/970-1810Telefax: 0711/970-1220E-Mail: [email protected]: www.iff.uni-stuttgart.de

Schlussredaktion und LayoutPeter FendrichEcoText International PartGHermannstraße 570178 StuttgartTelefon: 0711/615562-0E-Mail: [email protected]: www.ecotext.eu

TitelbildPiezo-Einspritzung im AutomotorBild: DaimlerChrysler AG

AnzeigenALPHA-Informationsgesellschaft mbHFinkenstraße 1068623 LampertheimTelefon: 06206/939520Telefax: 06206/939232Internet: www.alphawerbung.de

DruckGO · Druck · Media · VerlagEinsteinstraße 12-1473230 Kirchheim/TeckInternet: www.go-kirchheim.de

Auflage: 11.000 Ex.

Stuttgart: F7, Uni Stuttgart, 2007

IMPRESSUM/INHALT

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Liebe Leserinnen und Leser,

der diesjährige Tag der Wissenschaft an der Univer-sität Stuttgart stand keineswegs zufällig unter demMotto „Die mobile Gesellschaft“. Der StuttgarterWissenschaftssommer hatte ja bereits im Jahr 2004„Mobilträume“ zum Thema gemacht. Mobilität – dasliegt auf der Hand – ist ein typisches Stuttgarter The-ma. Und dies eben nicht nur auf Seiten der Industrie,sondern auch in der Wissenschaft.Im „Cluster Automotive“, das den Schwerpunkt die-ser Transmitter-Ausgabe bildet, stellen StuttgarterUniversitätsinstitute und deren Industriepartner aktu-elle Forschungsergebnisse und Innovationen vor, undCluster-Sprecher Professor Jochen Wiedemann er-klärt im Interview, warum uns die Forschung rundums Auto so wichtig ist.Im weitesten Sinne um Bewegung geht es auch inder innovativen Lernfabrik für advanced IndustrialEngineering, die kürzlich am Institut für Industrielle

EDITORIAL

Fertigung und Fabrikbetrieb eingeweiht wurde, dennhier soll Wandlungsfähigkeit gelehrt werden.

Das Sommerheft des Stuttgarter Maschinenbau-Magazins eröffnet mit einem Bericht über Werde-gang, Ziel und Perspektiven der Lernfabrik aIE undgibt einen Einblick in das Schulungskonzept.Die Fachschaft Maschinenbau meldet sich in einemInterview zu Wort und am Schluss des Heftes findenSie wieder Neuigkeiten aus verschiedenen Institutender Fakultät.

Eine interessante Lektüre wünscht

Birgit Spaeth

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EINBLICK

ür die Existenzsicherung undF die Wettbewerbsfähigkeit vonUnternehmen ist es unerlässlich,dass die Produktionsplaner und Fab-rikorganisatoren lernen, wie Schwan-kungen auf dem Markt schnell aus-geglichen werden können, ohne dielaufende Produktion zu behindern“,so formuliert Prof. Engelbert West-kämper, Leiter des IFF und desFraunhofer IPA, ein grundlegendesProblem. Das bisher so genannte „In-dustrial Engineering“ – die Arbeits-und Prozessplanung – muss künftigmit Werkzeugen der digitalen Fabrikund modularen Produktionssystemenzur Erhöhung der Wandlungsfähig-keit verknüpft werden. ZusätzlicheOptimierungspotenziale lassen sichmit dem Einsatz innovativer Techno-logien innerhalb der digitalen und vir-tuellen Fabrik und der Betrachtungdes gesamten Lebenszyklus heben.Es wird so für die Stuttgarter Produk-tionsforscher zum „advanced Indus-trial Engineering“.

Der Bedarf, künftig Fabriken undProduktionssysteme kontinuierlichoptimieren zu können, ist also rie-sig, das Fort- und Weiterbildungs-angebot mit Fokus auf aIE und zu-geschnitten auf die Anforderung derPraxis ist jedoch heute nicht mehrausreichend. Prof. Westkämper ini-tiierte daher die innovative Lernfa-brik aIE, die Mitte Juni am IFF er-öffnet wurde.IFF-Projektleiterin Dr.-Ing. VeraHummel hat mit Ihrem Team einKonzept erarbeitet, das sowohl dastechnische System als auch dieLerninhalte einer solchen Fort- undWeiterbildung umfasst. Einzigartigund innovativ ist dabei die Kombi-nation aus Vermittlung von Kompe-tenzen durch eine physische Mo-dellfabrik, eine digitale Lerninselund theoretischen Modulen.„Die rasche Umsetzung von For-schungsergebnissen und Know-howaus Hochschulen und Forschungs-einrichtungen in die Unternehmens-

praxis ist eine entscheidende Vor-aussetzung für wirtschaftlichen Er-folg“, sagte der Baden-Württember-gische Forschungsstaatssekretär Dr.Dietrich Birk bei der Eröffnung undkonstatierte dann: „Mit der Lernfa-brik steht hierfür ein interessantesInstrument zur Verfügung.“

Was ist die Lernfabrik für aIE?

Die Lernfabrik für aIE geht einen inder deutschen Forschung bisher ein-maligen Weg bei der Vermittlung vonneuen theoretischen Erkenntnissenaus einem SFB in ein Ausbildungs-konzept. Dabei haben die StuttgarterForscher die digitale und virtuelleWelt einer Modellfabrik – abgebil-det, simuliert und systemtechnischintegriert in so genannten digitalenLerninseln – durch ein technisch re-ales wandlungsfähiges Produktions-system, dem iTRAME (intelligenttransformable reconfigurable assem-bly manufacturing equipment) er-

Wandlungsfähigkeit leicht gemachtMit der Lernfabrik aIE von der digitalen Welt in die reale Produktion

Schnell und ohne große Unterbrechung die Produktion auf eine neue Variante einstellen: In Zeiten wirt-schaftlicher Turbulenzen ist diese Fähigkeit für Ingenieure, Planer, Manager und Gestalter von Fabrikenunverzichtbar. Die am IFF gerade neu eröffnete Lernfabrik für aIE ist der Grundbaustein einer exzellen-ten nachuniversitären Aus- und Weiterbildung für Industrial Engineers aus der Praxis. Ab dem Jahr2008 wird die innovative Lernumgebung auch für Doktoranden und Studenten zur Verfügung stehen.

KONTAKT ■■■

Dr.-Ing. Vera HummelInstitut für Industrielle Ferti-gung und Fabrikbetrieb (IFF)Nobelstraße 1270569 StuttgartTel: 0711/[email protected]

Das Lernfabrik-Team desInstituts für IndustrielleFertigung und Fabrik-betrieb mit LeiterinDr.-Ing. Vera Hummel

Bild:IFF

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EINBLICK

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FerFerFerFerFertigungstechnischestigungstechnischestigungstechnischestigungstechnischestigungstechnischesKolloquium in StuttgarKolloquium in StuttgarKolloquium in StuttgarKolloquium in StuttgarKolloquium in Stuttgarttttt

am 20. und 21.9.2006am 20. und 21.9.2006am 20. und 21.9.2006am 20. und 21.9.2006am 20. und 21.9.2006reits in diesem Herbst Fachleutenaus der Industrie für Fort- und Wei-terbildungszwecke zur Verfügungstehen und ab 2008 auch in die Aus-bildung und Studienpläne des Ma-schinenbaus einbezogen werden.

Das Schulungskonzept derLernfabrik

Die Inhalte der Lernfabrik-Kurse ge-hen über das klassische Wirkungsfelddes Industrial Engineering hinaus,denn es wird das Grundlagenwissender Arbeits- und Prozessplanung mit

gänzt. Beides wurde auf der Basisvon Methoden der Wandlungsfähig-keit und Rekonfigurierbarkeit entwi-ckelt und installiert. Hardware undSoftware unterstützen aktiv schnelleUmplanungen und deren Umsetzungin die Realität mit dem Ziel derWandlungsfähigkeit von Unterneh-mensstrukturen.Das zukünftig benötigte Fachwissender Engineering-Experten muss vonexzellenten Hochschuleinrichtun-gen wie der Universität Stuttgart be-reitgestellt werden. Deshalb wirddie Stuttgarter Lernfabrik aIE be-

Methoden, Modellen und Verfahrenzur Erhöhung der Wandlungsfähig-keit kombiniert. Das Credo der Stutt-garter Produktionsforscher lautet:„Fabriken sind künftig Produkte, diezum Erhalt der Wirtschaftlichkeitpermanent adaptiert werden.“Die Vermittlung dieses umfassendenund komplexen Themenspektrumsverlangt nach einem innovativenLehr- und Bildungskonzept. Für dieunterschiedlichen Zielgruppen giltes, fachlich tief greifende Lehrver-anstaltungen mit zeitgemäßen Lern-methoden zu verknüpfen.Es ist nur mit modernsten Lehrwerk-zeugen möglich, den notwendigenhohen Erfahrungsschatz in kurzerZeit zu erreichen und die Fähigkei-ten und Fertigkeiten erlebbar ma-chen. Die Kursteilnehmer müssen dieChance haben, die Methoden derWandlungsfähigkeit in der virtuellenWelt vorzubereiten, praktisch zu er-fahren und sich davon begeistern zulassen. Die Lernfabrik für aIE erfülltdiese Anforderungen ideal.Mit der Lernfabrik für aIE könnenExperten aus der Industrie, Forscherund schließlich auch Studierendeam Wissenschaftsstandort Stuttgartauf eine in der Welt einmalige In-frastruktur für die Grundlagenfor-schung, die angewandte Forschungund die universitäre Aus- und Wei-terbildung zugreifen.

Innovative Ausbildung in der Lernfabrik Stuttgart

Vision der Lernfabrik für aIE

Bild

er: I

FF

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EINBLICK

Von der Forschungin die PraxisVon 1997 bis 2006 haben Wissen-

schaftler an der Universitäten Stutt-

gart und Mannheim den Sonder-

forschungsbereich (SFB) 467 „Wand-

lungsfähige Unternehmensstruk-

turen für die variantenreiche Serien-

fertigung“ bearbeitet. Gemeinsam

wurde ein „Stuttgarter Unter-

nehmensmodell“ entwickelt, wel-

ches die Wandlungsfähigkeit von

Unternehmensstrukturen und hier

beides, Technik und Organisation, in

turbulenten Umgebungen unter-

stützt. Die grundlegenden Erkennt-

nisse und Ergebnisse einzelner Teil-

projekte des SFB werden nun in ei-

nem Transferbereich TFB 059 in den

Jahren bis 2008 validiert und in die

Anwendung überführt.

Mit der „Lernfabrik“ wird ein neuar-

tiger Weg des Transfers in die Anwen-

dung beschritten. Die Grundlagen

dieser Lernfabrik waren Gegenstand

mehrerer Teilprojekte des SFB 467,

an denen Institute der Betriebswirt-

schaftslehre, der Informatik und der

Fertigungstechnik beteiligt waren. In

diesem Rahmen wurde auch eine vir-

tuelle Fabrik als Modellfabrik reali-

siert.

Diese Basis wurde zum Aufbau einer

Lernumgebung für die universitäre

Ausbildung und nachuniversitäre

Aus- und Weiterbildung genutzt. Die-

se Lernumgebung besteht aus einer

physischen Lernfabrik und digitalen

Lerninseln. Die am SFB beteiligten

Wissenschaftler der beiden Institute

IFF sowie des Betriebswirtschaft-

liches Institut, BWI, erhalten mit der

Lernfabrik und der Kooperation mit

Unternehmen die einmalige Chance,

ihre Ergebnisse in ein anwendungs-

orientiertes Ausbildungssystem zu

überführen. Die Industriebeteiligung

sichert die praktische Relevanz des

Konzeptes.

Das Schulungskonzept der Lernfab-rik besteht aus mehreren Seminar-und Trainingseinheiten, die in dervirtuellen Lerninsel und der physi-schen Modellfabrik stattfinden. Vor-gesehen sind dafür 30 Schulungsta-ge, die sich über ein Jahr verteilen.Die Evaluation des Schulungskon-zeptes erfolgt durch eine Pilotgrup-pe, die im Herbst 2007 starten soll.Dafür werden noch weitere teilneh-mende Unternehmen gesucht.

Birgit Spaeth

Rektor Ressel, Professor Westkämper und Staatssekretär Birk (rechts) bei der Eröffnung der Lernfabrik

Bild

er:

IFF

/IPA

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Das Cluster Automotive derFakultät Maschinenbau

Bild: IVK

CLUSTER AUTOMOTIVE

Cluster AUTOMOTIVEKomplexes Anforderungsprofil für „automobil-affine“ Uni-Institute

Die individuelle Mobilität mit dem Pkw sowie die notwendige Verteilung von Rohstoffen, Industriegüternund Lebensmitteln durch Nutzfahrzeuge sind unverzichtbare Bestandteile unseres täglichen Lebens. Die Au-tomobil- und Zulieferindustrie ist der wichtigste Wirtschaftszweig in Baden-Württemberg und schafft fürviele Menschen Arbeit und Wohlstand. Die steigenden Fahrleistungen bei allen Verkehrsträgern in Verbin-dung mit der anstehenden CO2-Problematik, die Aufrechterhaltung und Weiterentwicklung der Wettbe-werbsfähigkeit der deutschen Automobil- und Zulieferindustrie, sowie die sich daraus ergebenden Anforde-rungen an universitäre Lehre und Forschung geben den Handlungsrahmen vor, in dem die automobil-affi-nen Institute der Universität Stuttgart, die im Cluster Automotive zusammengeschlossen sind, agieren.

chwerpunkte heutiger und zu-S künftiger Lehr-, Forschungs-und Entwicklungsarbeiten sind:■ Energieeffizienz und Ressour-

censchonung■ Verminderung der Schadstoff-

emissionen■ Geräuschminderung und Kom-

fort■ Steigerung der aktiven und pas-

siven Sicherheit■ Sicherung und Erhöhung der

Funktionssicherheit mechatro-nischer Systeme

■ Optimierung der Entwicklungs-und Produktionsprozesse

■ Weiterentwicklung der Simulati-ons- und Testumgebungen

■ Neue Werkstoffe und Fügetech-niken

■ Sensorik und Aktuatorik

■ Softwaretechnik und Kommuni-kation

■ Alternative Kraftstoffe und En-ergiespeicherung im Fahrzeug

Cluster Automotive derFakultät Maschinenbau

Im Hinblick auf die Erfordernisseeiner nachhaltigen Mobilität bildetdas Institut für Verbrennungsmoto-ren und Kraftfahrwesen (IVK) mitdem kooperierenden Forschungsin-stitut für Kraftfahrwesen und Fahr-zeugmotoren Stuttgart (FKFS, Stif-tung bürgerlichen Rechts) den Kerndes Clusters Automotive. Wesentli-che Arbeitsfelder des Clusters sindz. B. die Reduzierung aller Fahrwi-derstände mit dem Ziel der Verrin-gerung des Kraftstoffverbrauchs

und der Emissionen, wozu die welt-weit führende Fahrzeug-Windkanal-anlage der Universität Stuttgart, dieeine realistische Fahrbahnsimulati-on mit drehenden Rädern am Fahr-zeug bzw. Fahrzeugmodell erlaubt,eine wesentliche Voraussetzung dar-stellt. Aber auch das Thermoma-nagement, also der intelligente, be-darfsgerechte Umgang mit den imFahrzeug verfügbaren Wärmeströ-men, stellt ein beachtliches Poten-zial für Verbrauchsminderungenund Komfortsteigerungen dar. Diekonsequente Ausnutzung aller En-ergiesparmöglichkeiten im Mobili-tätsbereich erfordert darüber hinausLeichtbauerfolge sowohl in stoffli-cher als auch konstruktiver und fahr-zeugkonzeptioneller Form. Begrün-det ist dies durch die Tatsache, dass

■■■ KONTAKT

Prof. Dr.-Ing. Jochen WiedemannInstitut für Verbrennungs-

motoren und Kraftfahrwesen(IVK) und Forschungsinstitut für

Kraftfahrwesen und Fahrzeug-motoren Stuttgart (FKFS)

Pfaffenwaldring 1270569 Stuttgart

Tel.: 0711/[email protected]

www.ivk.uni-stuttgart.dewww.fkfs.de

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CLUSTER AUTOMOTIVE

bis auf den Luftwiderstand alleFahrwiderstände von der Masse ei-nes Fahrzeugs abhängen und eineReduzierung der Fahrzeugmassesomit ebenfalls ein erhebliches Po-tenzial bezüglich einer Verringe-rung des Kraftstoffverbrauchs bie-tet. Dieses Potenzial wird ausge-schöpft durch eine intelligente Ver-knüpfung von Werkstofftechniken,Fügetechnologien und Bauweisenim Sinne eines Multi-Material-De-signs. Dazu sind noch erheblicheAnstrengungen unter anderem inden Materialwissenschaften, in derErforschung hybrider Fügetechno-logie und in wirtschaftlichen Pro-duktionstechnologien erforderlich.Die Lärmbekämpfung ist ein Ge-biet, das für die Motoren- und Fahr-zeugtechnik, aber auch für den Stra-ßenbau sowie andere ingenieurwis-senschaftliche Disziplinen, wichti-ge Synergien schafft. Seit der akus-tischen Nachrüstung des Fahrzeug-Windkanals können Windgeräuscheam Pkw in Originalgröße isoliert er-forscht und Reduktionsmaßnahmenabgeleitet werden. Darüber hinausstehen Versuchseinrichtungen zurMessung der Reifen-Fahrbahn-Ge-räusche sowie aller weiteren Ge-

räuschemissionen des Fahrzeugszur Verfügung. Damit ist eine ganz-heitliche Betrachtung aller Fahr-zeuggeräusch-Emissionen und -Im-missionen möglich.Die Verbrennungsmotoren werdenauch in Zukunft ihre zentrale Be-deutung für die Kraftfahrzeuge be-halten. Bei den zukünftigen Brenn-verfahren wird die Forschung undEntwicklung durch die weitere Ver-minderung der CO

2- und anderer

Schadstoffemissionen geprägt sein.Schwerpunkt ist die Wirkungsgrad-optimierung der Brennverfahren(sowohl mit konventionellen alsauch alternativen Kraftstoffen wieErdgas oder Wasserstoff) bei gleich-zeitiger Verbesserung des mechani-schen Wirkungsgrades und Redu-zierung der Geräuschemissionenunter ganzheitlicher Betrachtungdes gesamten Antriebsstranges.Hierfür stehen modernste Versuchs-und Simulationseinrichtungen zurVerfügung. Insgesamt sind 16 stati-onäre und hochdynamische Motoren-prüfstände – ausgerüstet mit fort-schrittlicher Messtechnik (Akustik-,Abgas- und Verbrennungsanalyse) –vorhanden, die das Motorenspektrumvon kleinen Zwei-Takt Motoren bis

zu Heavy-Duty-Motoren abdecken.Es gibt zum Beispiel einen voll-re-flexionsarmen, hochdynamischenMotorenprüfstand für PkwW bisLight-Duty-Motoren, in dem auchvollständige Kaltstartsimulationendurchgeführt werden können. Soweitbekannt, ist dies der einzige akusti-sche Motorenprüfstand dieser Güte-klasse an deutschen Hochschulen.Weiterhin ist als absolute Einmalig-keit an deutschen Universitäten einTÜV zugelassener, hochdynamischerGasmotorenprüfstand (Wasserstoffund Erdgas) vorhanden, einschließ-lich der gesamten Peripherie für denBetrieb mit Wasserstoff.Die Fahrzeugsicherheit und dieFahrzeugdynamik stellen weitereForschungsschwerpunkte dar. Dazugehören unter anderem die Fahrsta-bilität, zum Beispiel bei Seitenwindoder anderen Störungen, Reifen-kennfelder, Fahrbahngriffigkeit so-wie das Bremsverhalten. Dabei wirdes künftig immer mehr um die Wei-terentwicklung fahrdynamischerSteuer- und Regelsysteme gehen,bis hin zum autonomen oder teilau-tonomen Fahren. Aber auch demFußgängerschutz wird besondereAufmerksamkeit gewidmet.Wesentliche Arbeitsgebiete derKraftfahrzeug Mechatronik, die alsKlammer zwischen den klassischenGebieten der Fahrzeug- und Moto-rentechnik fungiert, sind Entwick-lungsmethoden und Testverfahrenfür vernetzte Steuergeräte, Daten-bussysteme sowie Diagnose, Zuver-lässigkeit und Sicherheit elektroni-scher Systeme. Fragestellungen derAktuatorik/Sensorik werden mitMitteln der Regelungs- und Steue-rungstechnik ebenso bearbeitet wiemechatronische, zum Beispiel X-by-Wire-, Systeme. Weitere Arbei-ten betreffen die Schnittstellen in-terner Systeme und die Schnittstel-len zu externen Systemen, wie zuNavigationssystemen im Rahmeneines Verkehrs- und Informations-managements. Für wissenschaftli-che Arbeiten am elektrischen Ener-giebordnetz und die Optimierungdes Antriebsstrangs mit Hybridan-trieben wird ein neuer Vier-Rad-Antriebsstrangprüfstand aufgebaut.

Das Institutsgebäude desInstituts für Verbrennungs-motoren und Kraftfahr-wesen (IVK) und des For-schungsinstitut für Kraft-fahrwesen und Fahrzeug-motoren Stuttgart (FKFS)

Bild: IVK

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CLUSTER AUTOMOTIVE

Simulations- undAuslegungswerkzeug

Bild: IVK

Dem Softwareentwurf unter Ver-wendung von formalen Methodenkommt insgesamt eine steigendeBedeutung zu.Der Einsatz alternativer (gasförmi-ger) Kraftstoffe – insbesondere desWasserstoffs – wird neuartige Fahr-zeugkonzepte bedingen. Das Bemü-hen, die Brennstoffzelle in Fahrzeu-gen einzusetzen, erfordert neben op-timierten Methoden des Energiema-nagements und der Energierückge-winnung, geeignete Speichersystemefür Energie und Kraftstoff. Dies kön-nen optimierte Batterie-/Kondensa-torkonzepte sowie Druck-, Kryogen-und andere Speichersysteme sein.Eine viel versprechende Forschungs-linie ist die Kombination einesBrennstoffzellenfahrzeugs mit Rad-nabenmotoren. Durch den Entfall ei-nes Großteils des Antriebsstrangs undsomit auch der rotierenden Massenreduziert sich der Beschleunigungs-widerstand des Fahrzeugs, wodurchinsbesondere im Stadtverkehr Ener-gieeinsparungen möglich sind.Während der Kern des ClustersAutomotive – auch im Sinne einer

Integration aller Aktivitäten in Leh-re und Forschung – durch das IVKund das FKFS gebildet wird, sokann dieses in Grundlagen und An-wendung hochkomplexe Gebiet ander Universität Stuttgart und spezi-ell in der Fakultät Maschinenbaunur durch die zusätzliche Mitarbeiteiner Vielzahl von spezialisiertenbestens ausgewiesenen Institutenvollständig und kompetent abge-deckt werden.Das effiziente Automobil der Zu-kunft und sein Antriebsstrang erfor-dern einen intelligenten Mix ausmöglicherweise aktiven Werkstof-fen sowie die dazu optimierten Pro-duktionsprozesse. Softwaregesteu-erte Betriebsstrategien unterstützenden zur Zeit noch größten Ver-brauchsfaktor, den Fahrer, bei einerwirtschaftlichen und emissionsar-men Fahrweise. Weitere Beiträgezur Emissionsminderung ergebensich aus weiterentwickelten Getrie-ben, auch in Verbindung mit hybri-den oder alternativen Antrieben undKraftstoffen. Hier kommt es sowohlauf die Institute aus den Konstruk-

tionswissenschaften als auch ausder Thermodynamik und der Ver-fahrenstechnik an. Software- undggf. infrastrukturbasierte Kommu-nikationssysteme zur Stau- undUnfallvermeidung leisten ihren Bei-trag zur Steigerung des volkswirt-schaftlichen Nutzens des Individu-alverkehrs, der heute leider oft alsBedrohung und viel zu selten alsChance und Aktivposten gesehenwird.Die Berufschancen für unsere Absol-venten sowie die Erfolgschancen un-serer heimischen Automobilindus-trie, die im Wirtschaftsraum Baden-Württemberg in fast einzigartigerWeise konzentriert ist, werden imglobalen Wettbewerb durch die früh-zeitige und zielgerichtete Einbindungmodernster Simulationstechniken –insbesondere auch mit Hochleis-tungsrechnern – unterstützt.. Auchdie fahrzeugrelevanten ingenieurwis-senschaftlichen Grundlagen sind imCluster vertreten, wie zum Beispieldie Institute der Mechanik mit The-men wie FEM, Akustik (BEM) undMehrkörpersimulation, die Strö-mungstechnik, die Thermodynamiksowie die Materialwissenschaften.Da sich komplexe Themen der Fahr-zeugforschung heute nicht mehrausschließlich im universitären Um-feld bearbeiten lassen, sieht sich dasCluster Automotive als Brücke undBindeglied zur Automobil- und Zu-lieferindustrie in Baden-Württem-berg sowie zu den Gremien der in-dustriellen Verbundforschung (AiF).Es kooperiert mit außeruniversitä-ren Forschungseinrichtungen, zumBeispiel FhG und DLR, am Stand-ort Stuttgart und darüber hinaus.Sein Ziel ist die Konzentration undKoordination der fahrzeugtechni-schen Aktivitäten der UniversitätStuttgart sowie deren Verzahnungmit der Industrie und der außeruni-versitären Forschung in Baden-Württemberg zur Steigerung desNiveaus von Lehre und Forschungsowie zur Erhaltung des technolo-gischen Vorsprungs der baden-württembergischen Fahrzeugindus-trie zur Sicherung von Arbeitsplät-zen und Wohlstand.

Jochen Wiedemann

Der Gründer des FKFS,Prof. Wunnibald Kamm,

entwickelte mit dem K-Wa-gen den Prototypen eines

aeordynamischen Autos

Bild: FKFS

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lle Fahrzeuge benötigen Ge-A triebe um Drehmomente undDrehzahlen für den jeweiligen Ein-satz wandeln zu können, egal ob essich um Land-, Wasser- oder Luft-fahrzeuge handelt. Entsprechenddem Einsatzgebiet, dem Verwen-dungszweck und der Vorlieben desAnwenders bieten unterschiedlicheHersteller eine Vielzahl an Getrie-betypen an. Innovative Produktesteigern zunehmend die Komplexi-tät in der am Markt verfügbarenGetriebelandschaft. Eine systema-tische Einteilung der Fahrzeugge-triebe ist in Bild 1 zu erkennen.In den letzten Jahren hat sich derFahrzeugmarkt stark verändert.Insbesondere bei Pkws führte derTrend zur Individualisierung zu ei-ner starken Segmentierung mit zahl-reichen Fahrzeugklassen. Dadurchhat sich auch die Bauartenpalette derGetriebe aufgefächert. Während frü-her Handschaltgetriebe und konven-tionelle Wandlerautomaten denMarkt dominierten, geht heutzutageder Trend weg vom „Einheitsgetrie-be“ hin zur individuellen Lösung.Laut Expertenprognosen wird derAnteil an automatisierten Fahrzeug-getrieben zukünftig weiter anstei-gen. Zukünftige Innovationen imBereich Getriebe werden immer stär-ker durch die Integration von Elek-trik, Elektronik, Hydraulik, Aktua-torik und Sensorik bestimmt.Dies eröffnet dem Entwickler weitreichende Möglichkeiten bei derUmsetzung der gewünschten Pro-dukteigenschaften. Eine Informati-onsvernetzung ist bei automatisier-ten Getrieben standardisiert, so dassübergeordnete Funktionen in dasSystem integriert werden können.Im Rahmen der Fahrzeuggetriebe

werden all diese Funktionen in ei-nem Getriebesteuergerät umgesetzt,das während des Betriebs alle inne-ren und äußeren Aufgaben der Ge-triebesteuerung übernimmt.Bild 2 zeigt ein Blockschaltbild ei-nes Getriebesteuergerätes. Hier wird

deutlich, welche Bedeutung heutzu-tage die Informationsvernetzungund die zugehörige Funktionskom-plexität besitzt.Egal ob ein automatisiertes oder ma-nuelles Getriebe betrachtet wird, dieHauptaufgabe eines Fahrzeuggetrie-

bes ist es, das Zugkraftangebot desAntriebsaggregats den Einflussgrö-ßen von Fahrzeug, Fahrstrecke, Fah-rer, Verkehr und Umwelt zielgenauanzupassen. Eine technische undwirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeitsind weitere Randbedingungen für

den erfolgreichen Einsatz dieser Pro-dukte. Das Getriebe bestimmt hierbeientscheidend neben Kraftstoffver-brauch, Bedienungsfreundlichkeit,Verkehrssicherheit sowie Fahr- undTransportleistung auch die Zuverläs-sigkeit von Autos und Nutzfahrzeu-

Die Entwicklung zuverlässiger GetriebeTrends, Methoden, Lösungen

Fahrzeuggetriebe sind heute komplexe mechatronische Systeme. Die Systemzuverlässigkeit ist einebesondere Herausforderung. In diesem Artikel* werden Tendenzen im Getriebebau sowie die Bedeutungder Zuverlässigkeit vorgestellt. Bei dieser Betrachtung werden vier Defizite identifiziert. Neben den der-zeitigen Vorgehensweisen stellen wir eine ganzheitliche Zuverlässigkeitsmethodik in frühenEntwicklungsphasen vor und erläutern sie anhand eines Beispielgetriebes.

KONTAKT ■■■

Institut für MaschinenelementePfaffenwaldring 970569 StuttgartTel. 0711/685-66170Prof. Dr.-Ing. B. [email protected]. Michael [email protected]. Jochen Gä[email protected]

Bild 1: SystematischeEinteilung der Schalt-getriebe in Fahrzeugen

Bild 2: Blockschaltbildeiner elektronischenGetriebesteuerung

* Die Forschungen zu diesemArtikel entstanden im Rahmender DFG-Forschergruppe 460„System-Zuverlässigkeit. DieVersion für den Transmitter wur-de stark gekürzt. Die ausführli-che Version ist im Tagungsbanddes 7. Internationalen StuttgarterSymposiums Automobil- undMotorentechnik, Wiesbaden:Vieweg Verlag, 2007erschienen.

CLUSTER AUTOMOTIVE

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CLUSTER AUTOMOTIVE

gen. Da neue unzuverlässige Fahr-zeuggetriebekonzepte das Produkt-image schädigen können hat die Zu-verlässigkeit eine hohe Priorität.Die Zuverlässigkeit ist die Wahrschein-lichkeit dafür, dass ein Produkt wäh-rend einer definierten Zeitdauer untergegebenen Funktions- und Umge-bungsbedingungen nicht ausfällt.

Kunden wünschenZuverlässigkeit

Beim Autokauf ist die Zuverlässig-keit immer häufiger das Topkriteri-um. Nur gelegentlich, wenn die Pro-duktkosten als wichtiger angesehenwerden, erscheint die Zuverlässigkeitauf Platz 2. Diese Forderung der Kun-den sollte zwar umgesetzt werden, inder Realität halten sich die Firmenbei der spezifischen Nachfrage zumThema Zuverlässigkeit jedoch häu-fig bedeckt. Laut Kraftfahrt-Bundes-amt haben die Rückrufaktionen we-gen sicherheitskritischer Mängel inden letzten Jahren kontinuierlich zu-genommen. Zwischen 1998 und 2004gab es fast eine Verdreifachung derRückrufaktionen (Bild 3).

Bisherige Methoden setzenzu spät an

Derzeitige mechatronische Zuver-lässigkeitsanalysen, die in qualita-

tive und quantitative Methoden un-terteilt werden können, werden se-parat in den einzelnen Domänenverwendet. Bei den qualitativenZuverlässigkeitsmethoden liegt dasHauptaugenmerk auf Fehlern undFehlerursachen. Ausfalldaten müs-sen bei diesen Methoden nichtzwingend vorhanden sein. Die be-kannteste Zuverlässigkeitsmethodestellt die FMEA dar. Das Ziel derMethode ist, die Risiken undSchwachstellen eines Produkts sofrüh wie möglich zu erkennen, umrechtzeitig Verbesserungen durch-führen zu können.Im Gegensatz zu qualitativen Metho-den basieren die quantitativen Metho-den auf Statistiken und Wahrschein-lichkeitstheorien. Wenn nun Ausfall-daten, etwa durch Tests, Feldrückläu-fer, Simulationen oder auch Berech-nungen vorhanden sind, können quan-titative Methoden angewendet wer-den. Hierbei werden durch mathema-tische Verteilungen die zeit- oder last-wechselabhängigen Ausfalldatenanalysiert. Nachteilig bei der quan-titativen Betrachtungsweise ist dashäufige Fehlen von Ausfalldaten infrühen Entwicklungsphasen. Aus die-sem Grund wird die Methodik zu-meist in späteren Entwicklungspha-sen eingesetzt.Vier Defizite begründen die Forde-rung nach einer neuen weitergehen-

den Methode, einer Zuverlässig-keitsbewertung in frühen Entwick-lungsphasen:■ Zuverlässigkeiten werden derzeit

isoliert in jeder Domäne betrach-tet.

■ Die Zuverlässigkeitsermittlungerfolgt meist in späten Entwick-lungsphasen.

■ Notwendige Daten für die Zuver-lässigkeitsberechnungen fehlenhäufig.

■ Es werden meist nur Bauteil- undBaugruppenzuverlässigkeiten er-mittelt.

Zuverlässigkeitsbewertungin frühen Entwicklungs-phasen

Ein zu entwickelndes, zuverlässig-keitstechnisches Vorgehen in frühenEntwicklungsphasen muss sich anden Systementwurf des V-Modellsangliedern lassen (Bild 4).

Hopp oder Topp beim Stufen-automatgetriebe

Zur Verdeutlichung der neuen Me-thode wird als Beispiel ein Teil ei-nes Stufenautomatgetriebes, dieWandlerüberbrückungskupplung,verwendet (Bild 5). Für dieses Sys-tem wäre Schritt 1 der Zuverlässig-keitsbewertung, das Aufstellen derTopfunktionen, wie folgt:■ Schließen und Öffnen der Kupp-

lung beim Anfahren und beimAbbremsen in den Stillstand.

■ Verhindern der Drehschwingungs-durchleitung an das Getriebedurch fahrzustandsabhängigeSchlupfregelung.

■ Koordiniertes Öffnen der Kupp-lung beim Überholvorgang, umeine Leistungsoptimierung imidealen Drehzahlbereich des Tur-boladers zu gewährleisten (Kom-forterhöhung durch Rückschalt-vermeidung).

Die damit verbundenen Topfehl-funktionen werden im einfachstenFall durch eine Negierung gefun-den. Es ist aber auch möglich, dasseiner Topfunktion mehrere Topfehl-funktionen zugeordnet werden. Bei

Bild 3: Entwicklungder Rückrufaktionen

von 1998 bis 2004

Bild: KBA

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13transmitter 2/2007

Bild 5: Stufenautomat-getriebe mit Wandler-überbrückungskupplung

Bild: IMA

Bewertungsklasse 2b Bewertungsklasse 3a Bewertungsklasse 3b

CLUSTER AUTOMOTIVE

der Wandlerüberbrückungskupp-lung sind dies:■ Kupplung schließt nicht.■ Kupplung öffnet nicht beim An-

halten.■ Drehschwingungstilgung nicht

optimal (undefinierter Schlupf).■ Kupplung öffnet bei Kick-Down-

Signal nicht.

Darüber hinaus werden die aufge-stellten Topfehlfunktionen vier Be-anstandungsklassen zugeordnet.Funktionen, welche der Klasse 1zugewiesen werden, sind sicher-heitskritisch. Sie stellen eine Gefahrfür Leib und Leben dar. Im Gegen-satz dazu ergibt sich in der Klasse 4eine Funktionseinbuße bei denKomfortfunktionen. Diesen einzel-nen Beanstandungsklassen werdenZuverlässigkeitszielwerte zugeord-net, welche sich zumeist aus mar-ketingstrategischen bzw. sicher-heitstechnischen Überlegungen er-geben.Im letzten Schritt werden die vor-liegenden Ergebnisse mit den ge-setzten Zielen verglichen. LiegenSoll- und Istwert in einem ähnlichenBereich, muss keine weitere Arbeitdurchgeführt werden. Falls nun aberSoll- und Istwert weit auseinanderliegen, ist eine Optimierung not-wendig. Hierbei werden alle kriti-schen Komponenten aus den Domä-

nen herausgegriffen und ihre Eigen-schaften, zum Beispiel deren Grö-ße, Material oder logische Zusam-menhänge, überarbeitet.In einem nächsten Schritt werdendiese verbesserten Komponenten

integriert und die Zuverlässigkeits-analyse ein weiteres Mal begonnen.Dies geschieht so lange, bis dasgewünschte Ziel erreicht wird.

Bernd Bertsche, Michael Wacker

und Jochen Gäng

Bild 4: Angliederungder Zuverlässigkeits-bewertung an denSystementwurf

Bild: IMA

Wandlerüberbrückungskupplung

Zuverlässigkeitsbewertung in frühenEntwicklungsphasen

Systementwurf (VDI2206)

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14 transmitter 2/2007

ie Bewegung piezoelektri-D scher Motoren resultiert ausder kraftschlüssigen Übertragunggerichteter piezoelektrischer Einzel-dehnungen über einen Reibkontaktzwischen zwei Körpern (Bild 1). DieAmplitude und die Frequenz, mitder die Dehnungen auf- und abge-baut werden, bestimmen die maxi-male Geschwindigkeit des Abtriebs.Aus diesem speziellen Funktions-prinzip resultiert eine der interessan-testen Eigenschaften dieser Antrie-be: Positionen können dauerhaft undohne jede zusätzliche Energie gehal-ten werden.Piezoelektrische Motoren sind vorallem interessant für Anwendungenmit geringer Einschaltdauer. In die-sem Fall ist der mechanische Ver-schleiß der Reibflächen nicht aus-schlaggebend. Durch verschleißar-me keramische Reibbeläge kanneine ausreichende Lebensdauer er-reicht werden, die von Herstellernmit bis zu 20.000 Stunden angege-ben wird. Der Wirkungsgrad piezo-elektrischer Motoren ist gering undbeträgt nur etwa 15 bis 25 Prozent.Einzelne Funktionsprinzipien von

Ultraschallmotoren erreichen höhe-re Wirkungsgrade, doch sind signi-fikante Steigerungen nicht zu erwar-ten. Durch den einfachen Aufbausind sehr trägheitsarme Antriebemöglich, die geringe Zeitkonstantenerreichen. Dieser Vorteil verstärktsich bei kleineren Antrieben. Nach-teilig sind die dabei zunehmendenBetriebsfrequenzen, die sich bei re-sonanten Motoren einstellen. Dieteilweise hohe Betriebsspannungpiezoelektrischer Motoren sinkt beikleinen Motoren auf nur noch we-nige Volt. Der Betriebstemperatur-bereich ist mit denen elektrischerMotoren vergleichbar und generellbestehen für einen Betrieb unterhohen oder niedrigen Umgebungs-temperaturen nur wenige Einschrän-kungen.Die Betriebsumgebung der Motorenmuss hinsichtlich Sauberkeit jedochgewissen Anforderungen genügen,um die Eigenschaften des Reibkon-takts nicht durch Verschmutzung zubeeinträchtigen. Die folgende Auf-listung zeigt eine Zusammenfas-sung der charakteristischen Vor- undNachteile.

Vorteile:■ Integrierte Haltefunktion■ Statische Positionierung■ Kein Energieverbrauch nach Ab-

schluss der Positionierung■ Geringe Zeitkonstanten beim An-

fahren und Abbremsen■ Direktantrieb mit geringer Dreh-

zahl und hohem Drehmoment■ Kompakte Abmessungen und

gute SkalierbarkeitNachteile:■ Reibkontakt mit Verschleiß■ Spezielle Elektronik erforderlich■ Teilweise hohe Spannungen für

die Anregung■ Erhöhter Temperatureinfluss auf

Leistungsparameter der Motoren■ Notwendigkeit für saubere Be-

triebsbedingungen am Reibkon-takt

Piezomotoren in Handysund Kameras

Die größte Bedeutung, gemessen anihrer Verbreitung, haben resonanteUltraschallmotoren. Sie stellen dieschnellsten piezoelektrischen An-triebe dar. Die bekannteste Anwen-

Halten ohne EnergiePiezomotoren bieten Potenzial für Kfz-Anwendungen

Piezoelektrische Motoren haben geringe Drehzahlen und sind insbesondere wegen ihrer hohenLeistungsdichte bei kleinen Abmessungen als Kleinantriebe oder Hilfsantriebe interessant. Die großeAnzahl an Funktionsprinzipien erlaubt den Aufbau unterschiedlichster Motoren, so dass Betriebs-spannungen, Kräfte und Geschwindigkeiten in einem großen Bereich angepasst werden können.Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Vor- und Nachteile der Antriebstechnikund zeigt die große Vielseitigkeit anhand von Beispielen.

■■■ KONTAKT

Institut für Konstruktionund Fertigung in der

Feinwerktechnik (IKFF)Pfaffenwaldring 9

70569 StuttgartTel. 0711/685-66402Wolfgang Schinköthe

Elmar Rothenhö[email protected]

stuttgart.de

Bild 1: FunktionsprinzipBild 2: Autofocus-Antrieb

CLUSTER AUTOMOTIVE

* Dieser Artikel erschien in einerausführlichen Fassung im

Tagungsband des 7. Internatio-nalen Stuttgarter Symposiums

Automobil- und Motorentechnik,Vieweg-Verlag, 2007

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CLUSTER AUTOMOTIVE

Bild 4: Ultraschallmotor treibt höhenverstellbare Kopfstütze an

dung ist der Autofokusantrieb inObjektiven der Firma Canon. Bild2 zeigt den Stator eines Wanderwel-lenantriebs, der sein Abtriebsmo-ment über einen Ring direkt auf diezu bewegende Optik abgibt.

Ultraschallantriebe bieten in dieserAnwendung deutliche Vorteile ge-genüber herkömmlichen Lösungen.Die Motorgeometrie kann perfekt indie Anwendung integriert werdenund die Anzahl an erforderlichenKomponenten ist minimal. Auf-grund des Durchmessers des Mo-tors steht ausreichend Drehmomentfür den Einsatz als Direktantrieb zurVerfügung. Die manuelle Bedie-nung des Objektivs ist dennochohne Beschädigung des Antriebsmöglich. Historisch gesehen stellenWanderwellenmotoren die erfolg-reichste Bauform piezoelektrischerAntriebe dar. Heute erschließen sichjedoch aber vor allem einige derkleinsten piezoelektrischen Antrie-be einen großen Markt als Antriebein den Fokussiereinheiten der Ka-meras der neusten Mobiltelefone.Bild 3 zeigt zwei Module, die Las-ten von 20 Gramm über einige we-nige Millimeter bewegen könnenund in diesem Bereich elektromag-netischen Antrieben hinsichtlich derLeistungsdichte überlegen sind.

Ultraschall imAuto-Innenraum

Im Automobilbereich sind Anwen-dungen piezoelektrischer Motorenvor allem aus dem Fahrzeuginnen-raum bekannt. Dort stehen die For-derungen nach geräuscharmem Be-trieb und häufig die sichere Fixie-rung erreichter Endpositionen imVordergrund. Bild 4 zeigt eine durcheinen Ultraschallmotor angetriebe-ne höhenverstellbare Kopfstütze.Der Antrieb macht einen Halteme-chanismus überflüssig und ermög-licht durch ein Schneckengetriebeeine hohe Belastung der Kopfstütze.Bild 5 zeigt die Anwendung einesWanderwellenmotors für die elek-tronische Steuerung der Drossel-klappe. Die Verwendung eines Ul-traschallmotors reduziert das Ge-samtgewicht des Moduls durch denVerzicht auf weitere Bewegungsum-former.Die Randbedingungen für den Ein-satz von Ultraschallmotoren in elek-trischen Schiebedächern werden un-tersucht. Die hohen erforderlichenKräfte stellen für viele resonanteAntriebe jedoch ein Problem dar, dasgegenwärtig nur durch den paralle-len Betrieb mehrerer Motoren lös-bar ist.Eine neuere Entwicklung eines pie-zoelektrischen Schrittantriebs miteiner Mikroverzahnung könnte aberauch hier eine Lösung darstellen undzu einer weiteren Verbreitung derAntriebe führen (Bild 6). Die Mik-roverzahnung erlaubt Formschluss,so dass ein hohes Drehmoment vonbis zu 5 Nm erreicht werden kann.

Fazit

Die Weiterentwicklung dieser Mo-toren bleibt spannend. Forschungs-projekte mit dem Ziel elektrome-chanische Komponenten durchnoch leistungsfähigere piezoelekt-rische Motoren zu ersetzen, zeigendas Potenzial. In der Zukunft darfmit einer weiteren Verbreitung die-ser unkonventionellen Antriebe ge-rechnet werden.

Wolfgang Schinköthe,

Elmar Rothenhöfer

Bild 5: Wanderwellenmotor für die elektronische Steuerung derDrosselklappe

Bild 6: Piezoelektrischer Schrittantrieb für hohe Drehmomente

Bild 3: Module für eine Handykamera

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16 transmitter 2/2007

b ein Fahrzeug den ökologi-O schen Anforderungen gerechtwird, lässt sich nicht allein am Ver-brauch oder den Emissionen mes-sen. Ferner ist der gesamte Produkt-lebenszyklus mit all seinen Teilbe-reichen zu betrachten. Die neue C-Klasse ist nach der im Jahre 2005vorgestellten S-Klasse das zweiteMercedes-Modell, dessen umwelt-orientierter Entwicklungsprozessvon unabhängigen Gutachtern über-prüft und bestätigt wurde. Merce-des-Benz bleibt damit die weltweiteinzige Automobilmarke mit Um-welt-Zertifikat gemäß ISO-Norm.

Nachhaltige Mobilität imFahrzeugalltag

Verbrauchs- und Emissionsredu-zierung werden auch in Zukunft imVordergrund der Bemühungen umnachhaltige Mobilität stehen. Aufunserem Weg zur verbrauchsarmenund nachhaltigen Mobilität müssenwir neben der Optimierung der An-triebe weitere Potenziale in denFahrzeugen ausschöpfen. Dazu ge-hört die Reduzierung der Fahrwider-

stände ebenso wie die Steigerungdes Gesamtwirkungsgrades. ZurSteuerung der Nebenaggregate undzu einem umfassenden Energiema-nagement gibt es dabei ebenso in-teressante Lösungen wie zur weite-ren Verbesserung von Aerodyna-mik, Rollwiderstand und Fahrzeug-gewicht.Als Konsequenz der gestiegenenSicherheitsanforderungen und Kun-denbedürfnisse hat in den letztenzehn Jahren das Fahrzeuggewicht inden verschiedenen Segmenten zwi-schen 0,5 und einem Prozent proJahr zugenommen, wobei 20 Kilo-gramm Mehrgewicht ungefähr einProzent Mehrverbrauch bedeuten.Durch intelligenten Leichtbau kannjedoch eine gezielte Gewichtsredu-zierung erreicht werden. Es gilt, dasGewichtswachstum zu stoppen und– wo möglich – umzudrehen. DurchEinsatz von Aluminiumwerkstoffenund hochfesten Stählen haben wirbei der neuen C-Klasse die Rohka-rosserie gegenüber dem Vorgän-germodell um acht Kilogrammleichter gestaltet, wodurch das Ge-samtgewicht konstant gehalten wer-

den konnte. Im Mittelpunkt wirdaber auch weiterhin die Optimie-rung des Antriebsstrangs stehen.

Optimierte Verbrennungs-motoren mit und ohneHybrid-Option

Alle Szenarien gehen davon aus,dass auch in den kommenden Jahr-zehnten der Verbrennungsmotor einedominierende Rolle spielen wird.Heutige Otto- und Dieselmotorenbieten selbst nach den erreichtenVerbesserungen der letzten Jahrenoch weitere Potenziale, um sowohlden Verbrauch zu verbessern alsauch Emissionen zu verringern.Unser Ziel ist es, den Benziner soeffizient wie den Diesel und denDiesel so sauber wie einen Ben-ziner zu machen. Ein konsequenterSchritt war Anfang des Jahres 2006die Vorstellung des weltweit erstenOttomotors mit strahlgeführter Di-rekteinspritzung und Piezoinjek-toren, die mittlerweile beim CLS se-rienmäßig angeboten wird. DieseTechnik bringt gegenüber Moto-ren mit konventioneller Einsprit-

Umweltfreundlichkeit ein Autoleben langWie DaimlerChrysler Mobilität nachhaltig sichert

Das Auto verwirklicht das ureigenste Bedürfnis der Menschen nach Unabhängigkeit und individuellerMobilität. Sein Erfolg brachte es zunehmend in ein Spannungsfeld zwischen dem Wunsch nach mehrLeistung, Komfort und Fahrspaß einerseits und der Forderung nach mehr Sicherheit, niedrigeremVerbrauch und weniger Emissionen andererseits. Gleichzeitig ist Mobilität in Verbindung mit ent-sprechender Infrastruktur eine Voraussetzung für wirtschaftliches Wachstum. Angesichts endlicherRessourcen und der weltweit steigenden Nachfrage nach Mobilität stellt sich für die Automobil-industrie die Herausforderung, Fahrzeuge zu entwickeln, die alle Anforderungen erfüllen.

Saubere Diesel für jedeFahrzeugklasse

Bild: DaimlerChrysler AG

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■■■ KONTAKT

Daimler-Chrysler AGDr.-Ing.Thomas Weber

Tel. 0711/17-0www.daimlerchrysler.com

Dr.-Ing. Thomas Weber,Mitglied des Vorstands

der DaimlerChrysler AG, ver-antwortlich für Konzern-

forschung und EntwicklungMercedes Car Group

genehmigte dem Transmittereinen gekürzten Nachdruckseines Beitrages für das 7.

Internationale StuttgarterSymposium Automobil-

und Motorentechnik.

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zung 10 Prozent Kraftstoffersparnis.Besonders vielversprechende Pers-pektiven bei der weiteren Optimie-rung von Dieselmotoren verbindenwir mit „Bluetec“ – der neuen Ge-neration modernster Dieselantriebe.Durch ein innovatives modularesTechnologiepaket werden die Stick-oxide um bis zu 80 Prozent reduziert– die einzige Abgaskomponente, dieheute bei Dieselmotoren konzeptbe-dingt noch über dem Wert von Ben-zinern liegt. Durch diese Technolo-gie haben unsere Dieselfahrzeugedas Potenzial, die weltweit strengs-ten Emissionsvorschriften zu erfül-len, und so in jeder Fahrzeugklassezum saubersten Diesel der Welt zuwerden.Die Hybridtechnik ist eine weitereMöglichkeit, Verbrennungsmotoreneffizienter zu machen. Bei uns kom-men Hybridantriebe zunächst dortzum Einsatz, wo sie am effektivs-ten sind: im Stadtverkehr bei Bus-sen. Bei Hybrid-Bussen sind wirheute mit 60 Prozent MarktanteilWeltmarktführer. Zudem haben wirmit dem hybridgetriebenen FusoEco Canter in 2006 den umwelt-freundlichsten Leicht-Lkw der Weltauf den Markt gebracht. Und um dasumfangreiche Hybrid Know-hownoch besser zu bündeln, arbeiten wirteils in Kooperation mit BMW und

General Motors, teils nur mit BMWzusammen. Unser Ziel dabei ist, un-terschiedlichste technische und mo-dellspezifische Anforderungen zubedienen, um das jeweils für denKunden richtige Angebot zusam-men zu stellen.

Saubere und regenerativeKraftstoffe

Nur in Verbindung mit sauberen undstandardisierten Kraftstoffen lassensich Verbrauch und Emissionen derFahrzeuge weiter reduzieren. Sau-bere Kraftstoffe weltweit würdenbei jedem der insgesamt etwa 950Millionen Fahrzeuge sofort und spür-bar die Emissionen deutlich senken.Besonders großes Potenzial sehen

Hybridantriebe

Bild: DaimlerChrysler AG

wir bei alternativen und syntheti-schen Kraftstoffen die möglichstaus regenerativen Quellen stammen.Sie ermöglichen niedrigste Abgas-emissionen und eine nahezu CO

2-

neutrale Mobilität. Um die nachhal-tige Nutzung von Biokraftstoffen zufördern, haben wir uns 2005 in der„Magdeburger Erklärung“ mit derUmweltorganisation der VereintenNationen (UNEP) auf eine Zusam-menarbeit in diesem Bereich ver-ständigt. DaimlerChrysler wird dietechnischen Voraussetzungen schaf-fen, die das Betanken von Personen-wagen mit bis zu 10 Prozent Bei-mischung von Biodiesel bezie-hungsweise Bioethanol erlauben.Zudem werden wir uns gemeinsamfür die Entwicklung von Standards

Fuso Eco Canter Hybrid

Bild: DaimlerChrysler AG

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18 transmitter 2/2007

■■■ KONTAKT

J. Eberspächer GmbH & Co. KG,Gerd Gaiser

Eberspächerstraße 2473730 Esslingen

Tel.: 0711/[email protected]

Unabhängig vom MotorAktive Abgastechnik für Regenerationsmaßnahmen

Die Reinigung von Dieselabgasen erforderte bisher aktive motorische Maßnahmen wie dieaktive Regeneration von Partikelfiltern mit Hilfe einer motorischen Nacheinspritzung oder einfach einemotorische Aufheizstrategie für höhere Abgastemperaturen, damit der Katalysator schneller heiß wird.Das hat Nachteile, etwa dass sich der Verbrauch erhöht oder das Öl verdünnt wird. Entwicklerdes Esslinger Automobilzulieferers Eberspächer stellen im Transmitter ihrevom Motor unabhängige Abgasnachbehandlung vor.

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für den nachhaltigen Anbau von Bi-omasse für Biokraftstoffe einset-zen.

Brennstoffzellen für eineemissionsfreie Zukunft

Brennstoffzellen-Antriebe bietenlangfristig die beste Perspektive,wenn es um emissionsfreies und ef-fizientes Autofahren geht. Wir sindzuversichtlich, marktreife Produktezwischen 2012 und 2015 anbieten zukönnen. Insbesondere die deutsche

Automobilindustrie ist nun gefragt,die verbleibenden technologischenHerausforderungen zu meistern, umim internationalen Vergleich die Vor-reiterrolle zu behaupten.

Nachhaltige Mobilität: AlleBeteiligten sind gefordert!

Die Aufgabe, Verbrauch und Emis-sionen weiter zu reduzieren, ist eineganzheitliche Verpflichtung allerBeteiligten. Wir als Automobilhers-teller stellen uns dieser Verantwor-

ie vollständige EntkopplungD von Abgas-nach-behandlungund Motorbetrieb ist das Ziel beiEberspächer. Die für die Abgasnach-behandlung erforderlichen Bedin-gungen werden mit dem Fuel Pro-cessor in der Abgasanlage selbst er-zeugt. Der Motor kann ohne Rück-sicht auf die Abgasnachbehandlungleistungs- und verbrauchsoptimiertbetrieben werden. Bereits am einfa-chen Beispiel der Abgastemperatur-Erhöhung für die Katalysatoraufhei-zung bedeutet dies offensichtliche

thermodynamische Vorteile: Wird dieAbgastemperatur-Erhöhung moto-risch erzeugt, so ist eine höhere Tem-peratur des Motorblocks die Folge,verbunden mit größeren Wärmever-lusten über Kühlwasser und Umge-bung. Turbolader, Krümmer und Vor-rohr stellen weitere „Ballast“-Wär-mekapazitäten dar, die aufgeheiztwerden müssen und deren äußereWärmeabfuhr zusätzliche Verlusteerzeugt. So ist die für die Aufheizungdes Katalysators verfügbare Wärmedeutlich kleiner als die ursprünglich

erzeugte Wärme. Demgegenüberkann bei aktiven Maßnahmen in derAbgasanlage selbst, die Wärme dorterzeugt werden, wo sie benötigt wird:unmittelbar vor dem Katalysator.

Der Fuel Processor:die aktive Komponente

Der Fuel Processor kann völlig un-abhängig vom Motorbetriebspunktbetrieben werden. Das System istkaltstartfähig und ermöglicht einehohe Wärmefreisetzung für die Re-

Orion VII Hybrid

Bild: DaimlerChrysler AG

tung. Aber sicher ist auch, dassFahrzeugtechnik allein diese Aufga-be nicht lösen kann. Zukünftig müs-sen in einem integrierten Ansatzauch verstärkt die Mineralölindus-trie, die Politik und unsere Kundenihren Beitrag dazu leisten. Nur inKombination mit der Einführung al-ternativer Kraftstoffe, der Verbes-serung der Verkehrsinfrastrukturund Maßnahmen zu umweltbewuss-ter Fahrweise kann Mobilität nach-haltig sichergestellt werden.

Thomas Weber

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19transmitter 2/2007

generation des Partikelfilters – auchbei ungünstigen Betriebspunkten.Durch den motorunabhängigen Be-trieb kann die Regeneration einesPartikelfilters auch im Leerlauf undim Schubbetrieb durchgeführt wer-den (Bilder 1 u. 2)

Verschiedene Betriebsweisen

Verschiedene Betriebsweisen er-möglichen wahlweise eine vollstän-dige Verbrennung oder eine partiel-le Oxidation und eine reaktive Ver-dampfung des eindosierten Kraft-stoffes. Die Menge des thermisch

oxidierten und die des reaktiv ver-dampften Kraftstoffes kann gesteu-ert werden; auch ein gleitenderÜbergang zwischen diesen Be-triebszuständen ist möglich.

Burner Mode

Beim Kaltstart wird der Kraftstoffvollständig im Fuel Processor ther-misch oxidiert. Die entstehende Wär-me heizt das Abgas auf (Bild 3b). DieWärmefreisetzung erfolgt hierbeivollständig im Fuel Processor. Diebläuliche Flammfärbung in Bild 3bzeigt die saubere, vollständige Ver-

brennung. Dieser Betriebspunkt wirdgewählt um den Katalysator auf Be-triebstemperatur aufzuheizen. Auchdie Regeneration eines Partikelfiltersbei niedrigen Abgastemperaturen be-ginnt mit dieser Betriebsweise.

Reactive Evaporation Mode

Sobald die Temperatur des aufge-heizten Abgases ausreichend hochist, kann auch der BetriebspunktReaktivverdampfung angesteuertwerden (Bild 3a). Hierbei wird eindefinierter Teil des eindosiertenKraftstoffes im Fuel Processor oxi-

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Bild 1: Prototyp desFuel Processors

Bild 2: Anordnung desFuel Processors in einerAbgasanlage

Bild 3: UnterschiedlicheBetriebsweisen desFuel Processors:a) Reactive EvaporationModeb) Burner Modec) Burst Mode

Fuel Processor

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Bild 4: Temperaturenbeim Kaltstart vor Kataly-

sator ohne und mit FuelProcessor

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diert. Die dabei freigesetzte Wärmeunterstützt die weitere reaktive Ver-dampfung zusätzlichen Kraftstof-fes, der dann am nachfolgendenKatalysator oxidiert wird.

Burst Mode

Durch geeignete Wahl der Bedin-gungen kann neben der reaktivenVerdampfung auch eine partielleOxidation des Kraftstoffes erreichtwerden. Die dabei entstehendenpartiell oxidierten Kohlenwasser-stoffe lassen sich am nachfolgendenKatalysator deutlich besser umset-zen als reiner Kraftstoff.Ist bei niedrigen Abgastemperatu-ren gleichzeitig eine hohe Wärme-leistung erforderlich, ist dies durchverteilte Wärmefreisetzung im FuelProcessor und am nachfolgendenKatalysator möglich. Hierbei wirdder Kraftstoff im Fuel Processor nurteilweise oxidiert; die freigesetzteWärme dient der weiteren Aufhei-zung des Abgases. Die vollständi-ge Oxidation dieser teiloxidierten

Zwischenprodukte erfolgt (mit demgrößten Teil der Wärmefreisetzung)am nachfolgenden Katalysator. Einesolche hohe Wärmeleistung wirdbeispielsweise dann benötigt, wennwährend einer Regeneration einMotorlastpunkt mit hoher Drehzahlund geringem Drehmoment erreichtwird und die Regeneration auch beidiesen ungünstigen Bedingungenweitergeführt werden soll.

Funktionsintegration in derAbgasanlage

Mit dem Fuel Processor lässt sich nuneine Reihe von Funktionen in dieAbgasanlage integrieren, die bishernur mit motorischen Maßnahmenoder überhaupt nicht möglich waren.Der besondere Vorteil liegt in derSynergie aus folgenden Funktionen:

Aktive Katalysator-Aufhei-zung beim Kaltstart

Eine aktive Katalysator-Aufheizungkann für Dieselfahrzeuge dann er-

forderlich werden, wenn die Tempe-ratur für die Konditionierung desFahrzeugs für den Emissionszyklusvon derzeit 25°C auf 7°C abgesenktwird, wie sie für den Otto-Motorderzeit schon vorgeschrieben ist. Indiesem Fall ist aller Voraussichtnach eine aktive Aufheizung desKatalysators erforderlich, um dieGrenzwerte des Testzyklus zu erfül-len. Zur beschleunigten Aufheizungdes Katalysators beim Kaltstartwird der Fuel Processor im Be-triebspunkt „burner-mode“ betrie-ben.Dabei erfolgt die thermische Oxi-dation des Kraftstoffes in der Kern-zone des Fuel Processors. Durch dieentstehende Wärme werden dasAbgas und damit auch der Kataly-sator sehr schnell auf seine Be-triebstemperatur aufgeheizt.Bild 4 zeigt die Temperaturen amKatalysatoreintritt mit und ohneFuel Processor in einer Messung amMotorprüfstand. In der Anordnungmit Fuel Processor wird die Ansp-ringtemperatur des Katalysatorssehr schnell erreicht. Die Verringe-rung der THC Emissionen im ers-ten Teil des NEFZ ist in Bild 5 dar-gestellt.

Aktive, vom Motor unab-hängige Regeneration desPartikelfilters

Für diese Anwendung wird durchden Fuel Processor in Verbindungmit dem nachgeordneten Partikelfil-ter die Abgastemperatur bis auf dieRegenerationstemperatur des Parti-kelfilters angehoben (Bild 7).Sofern hierbei die Abgastemperaturunterhalb der Light-off-Temperaturdes Katalysators liegt, wird derKraftstoff im Fuel Processor ther-misch oxidiert und dadurch dieTemperatur des Abgases angeho-ben.Bei ausreichend hoher Abgastempe-ratur kann der Fuel Processor so ge-steuert werden, dass nur ein Teil desKraftstoffes in der Kernzone desFuel Processors thermisch oxidiertwird, während der andere Teil desKraftstoffes den Fuel Processor auf-bereitet verlässt und am nachfolgen-

Bild 5: Emissionen beimKaltstart ohne und mit

Fuel Processor

Bilder: Eberspächer

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Bild 6: VerteilteWärmefreisetzungwährend der DPF-Re-generation in einemLeerlauf-nahen Last-zustand des Motors.

Bilder: Eberspächer

den Katalysator oxidiert wird. Da-mit lässt sich durch Steuerung desFuel Processors eine außermotori-sche Regeneration auch bei solchenAbgastemperaturen durchführen,die unterhalb der Anspringtempera-tur des Katalysators liegen. Dies er-möglicht die außermotorische Re-generation auch bei Lastzyklen, beidenen die Abgastemperatur beiniedriger Last auf niedrige Tempe-raturen absinkt.Bild 6 zeigt ein Schema des Sys-tems. Die Farben entsprechen dabeiden Temperaturen während der Re-generation in einem Leerlauf-nahenLastzustand des Motors.

Die Motor-unabhängige Durchfüh-rung der Regeneration ermöglichtauch eine regelmäßige Regenerati-on des Partikelfilters ohne das Ri-siko einer Ölverdünnung. So kanneine Überladung des Partikelfiltersvermieden und es kann preisgüns-tiges Cordierit als Filtermaterial ver-wendet werden (siehe Bild 7).

Aufheizstrategie für den SCR-Katalysator beim Kaltstart

Bei Abgassystemen mit SCR-Kata-lysator wird dieser üblicherweisehinter Katalysator und Partikelfilterunter dem Fahrzeugboden angeord-net. Daher erfolgt die Erwärmungdes SCR-Katalysators beim Kalt-start nur langsam. Hier kann derFuel Processor das Aufheizverhal-ten des SCR-Systems deutlich be-schleunigen.Bild 8 zeigt Temperaturen hinterdem Partikelfilter, also vor demSCR-System beim Kaltstart. DerVerlauf macht deutlich, dass durchaktives Temperaturmanagement mitdem Fuel Processor die Arbeitstem-peratur des SCR-Katalysators be-reits nach kurzer Zeit erreicht wer-den kann (siehe Bild 8).

Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators

Hier wird für die kurzzeitige Rege-nerationsphase durch den Fuel Pro-cessor im Betriebspunkt Reaktiv-verdampfung Kraftstoff in das Sys-

ständen wesentlich einfacher mitdem Fuel Processor erzeugen alsdurch motorische Maßnahmen.

Optional:aktive Wärmenutzung

Eine weitere optionale Systeminte-gration erlaubt eine Wärmenutzung.In diesem Fall kann die zur Kataly-satoraufheizung und zur Partikelfil-ter-Regeneration erzeugte Wärmezurückgewonnen und für die Behei-zung des Innenraumes verwendetwerden.Die begrenzte Heizleistung moder-ner Dieselmotoren wird so verbes-sert. Für die Versuche wurde hierfür

tem dosiert. Gleichzeitig wird dieAnsaugluft des Motors soweit ge-drosselt, dass ein zu hoher Luftüber-schuss vermieden wird. Am Oxida-tionskatalysator erfolgt nun einepartielle Oxidation des Kraftstoffesunter Bildung von Reformat mitzumindest kleinen Mengen an COund H

2. Die Regeneration des NO

x-

Speicherkatalysators erfolgt mit demReformat.In gleicher Weise können die Bedin-gungen für die Desulfatisierung desNO

x-Speicher-katalysators herge-

stellt werden. Die hierfür erforder-lichen fetten Bedingungen beigleichzeitig hoher Temperatur las-sen sich bei dynamischen Fahrzu-

Second heat release in the catalystFirst heat release in the FuelProcessor

Bild 7: Temperaturenwährend der Regenerati-on eines Partikelfiltersmit dem Fuel Processorwährend eines NEFZ-Zyklus’

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CLUSTER AUTOMOTIVE

Bild 8: Temperaturennach dem Partikelfilter,

vor dem SCR-Systemmit und ohne Tempera-

tur-Management mitdem Fuel Processor

ein Abgas-Wasser-Wärmetauscherin das Abgassystem integriert. Fürdie Regelung der Wärmenutzung istein Bypass mit einer Y-Regelklap-pe enthalten.

Bild 10 zeigt die schnellere Erwär-mung des Kühlwassers durch dieaktive Wärmenutzung. Die schnel-lere Erwärmung des Motors ist deut-lich ersichtlich. Zu beachten ist,dass bei diesen Versuchen der Wär-

meeintrag simultan in den Innen-raum (Defrosterstellung, volle Ge-bläseleistung) und für die Erwär-mung des Motors erfolgte.Eine weiter beschleunigte Aufhei-

zung des Innenraumes kann durcheinen kleinen Heizkreislauf erfol-gen. Des Weiteren war bei diesenVersuchen der Abgaswärmetau-scher platzbedingt sehr weit strom-ab vom Motor angeordnet. Eine nä-

here Anordnung kann das Aufheiz-verhalten weiter beschleunigen.

Fazit: Umweltfreundlich, mo-torunabhängig und günstig

Das hier vorgestellte System deraktiven Abgasnachbehandlung istentkoppelt von motorischen Maß-nahmen. Die erforderlichen Bedin-gungen hinsichtlich Wärmeeintrag,Kraftstoff-eintrag und Wärmeerzeu-gung werden durch den Fuel Pro-cessor in der Abgasanlage selbsterzeugt. Motorische Maßnahmenzur Unterstützung der Abgasnach-behandlung können also entfallen.

Das System hat unterschiedlicheVorteile: Durch eine aktive Aufhei-zung des Katalysators die Kaltstart-phase deutlich verkürzt werden; Kalt-

startemissionen werden deutlich ver-ringert. Auch die aktive Regenerati-on eines Partikelfilters kann ohnemotorische Maßnahmen durchge-führt werden. Sie bleibt unabhängigvom Motorbetriebspunkt und kannauch unter ungünstigen Bedingun-gen wie Leerlauf oder Schubbetriebdurchgeführt werden. Durch das Ver-meiden motorischer Nacheinsprit-zung kann das Problem der Ölver-dünnung umgangen werden und dieaktive Regeneration kann in kürze-ren Intervallen erfolgen.Somit kann der Partikelfilter bei einergeringeren mittleren Rußbeladung be-trieben werden und es lassen sich beigleichem Druckverlust kleinere Filterverwenden. Durch die regelmäßigeund vollständige Regeneration wirdeine örtliche Überladung des Filtersausgeschlossen, was den Einsatz vonpreiswerterem Material ermöglicht.

Gerd Gaiser, Patrick Mucha

und Josef Rudelt

Bild 9: Anordnungeines Wärmetau-

schers für die aktiveWärmenutzung in der

Abgasanlage

Bild 10: Erwärmungdes Kühlwassers

durch passive undaktive Wärmenutzung

Bilder: Eberspächer

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CLUSTER AUTOMOTIVE

eue Fertigungsverfahren fürNLeichtbauwerkstoffe sind ei-nes der Hauptarbeitsgebiete amIFKB. In diesem Artikel werde zweiBeispiele aus der aktuellen For-schungsarbeit vorgestellt. Dies sindzum einen sinterfähige Kohlenstof-fe, deren niedrige spezifische Dich-te und hohe spezifische Festigkeitsie für Strukturanwendungen undzur Reduzierung bewegter Massenim Motorenbau interessant machen.Ein weiterer Schwerpunkt liegt imBereich Leichtmetallmatrix-Verbund-werkstoffe für Fahrwerkskomponen-ten oder Strukturbauteile im Karos-seriebereich, die eine Senkung desFahrzeuggesamtgewichts und somitVerbrauchs- und Schadstoffreduzie-rung ermöglichen sollen.

Kohlenstoffkolben für Ver-brennungsmotoren

Kolben für Verbrennungskraftma-schinen benötigen spezielle Mate-rialien und Eigenschaften. Polyaro-matische Mesophasenprecursoren(sinterfähiger Kohlenstoff), synthe-tisiert aus Steinkohleteer- bezie-hungsweise Petrolpech, können alsRohmaterialien für Kohlenstoffkol-ben verwendet werden. Diese Koh-lenstoffe bieten wegen ihrer maßge-schneiderten mechanischen undthermophysikalischen Eigenschaf-ten Vorteile gegenüber metallischenKolbenwerkstoffen.Die zur Verfügung stehenden Form-gebungsverfahren (vor dem Sintern)sind:■ Warmfließpressen,■ Kaltisostatisches Pressen,■ Spritzgießen und■ Gießverfahren.Wegen des polyaromatischen Cha-rakters der Rohstoffe haben sinter-fähige Kohlenstoffprodukte je nach

Herstellungsverfahren Dichten biszu 1,95 g/cm3 und erhöhte mecha-nische Eigenschaften, beispiels-weise Biegefestigkeiten bis 200MPa, sowie eine homogene einpha-sige Mikrostruktur. Bild 1 zeigt ei-nen kommerziell erhältlichen Koh-lenstoffkolben.

Vorteile des Einsatzes vonKohlenstoffkolben in Motoren

Das Ersetzen von Aluminium alsKolbenwerkstoff durch sinterfähi-gen Kohlenstoff führt zu einer Leis-tungssteigerung der Motoren. Koh-lenstoff ermöglicht im Vergleich zuAluminium eine Gewichtsreduzie-rung bis zu 30 Prozent sowie höhe-re Motorleistung, niedrigere Mas-senträgheit und Schwingung unddadurch verminderten Kraftstoff-verbrauch.Die Festigkeit von Kohlenstoff steigtbei höheren Temperaturen an, wäh-rend die Standard-Aluminiumlegie-

Werkstoffe – leicht und sparsamMaterial- und Verfahrensentwicklung für Automobilanwendungen am IFKB

Seit Jahren anhaltende Diskussionen um Themen wie Kraftstoffverbrauch und Emissionsreduzierungbei Kraftfahrzeugen werden durch aktuelle politische Ereignisse und Gesetzgebungen wieder in denBlickpunkt des öffentlichen Interesses gerückt. Als Resultat erhalten Leichtbaukonzepte zurVerringerung des Fahrzeuggewichts und damit des Verbrauchs zusätzlichen Auftrieb.

rungen oberhalb von 200 °C einenerheblichen Festigkeitsabfall zeigen.Dieses Verhalten sowie eine weitge-hende Eigenschmierfähigkeit ver-bessern die Betriebszuverlässigkeit

und vereinfachen Schmierung undKühlung der Kolben.Einer der bedeutendsten konstrukti-ven Vorteile von Kohlenstoffkolbenist die verbesserte Ökobilanz, welchedurch Reduktion des Spaltmaßes amFeuersteg erreicht wird. Kohlenstoff(Wärmeausdehnungskoeffizient ca.6·10-6 1/K) besitzt bei Betriebstem-peraturen eine um mehr als das Drei-

Bild 1: Kohlenstoffkolben

Bild: Schunk Group

Bild 2: SchematischeDarstellung der einzel-nen Schritte zur Herstel-lung eines unidirektionalfaserverstärktenVerbundwerkstoffes mitmetallischer Matrix

KONTAKT ■■■

Institut für Fertigungstechnologiekeramischer Bauteile, IFKBAllmandring 7 b, 70569 StuttgartDipl.-Ing. Martin SilberTel.: 0711/[email protected]/ifkb

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fache geringere thermische Dehnungals Aluminium und ermöglicht des-halb engere Passungen zu Stahl- oderGrauguss-Buchsen. Die verbessertePassung führt während der Kaltstart-phase zu erheblich verringertenSchadstoffemissionen und reduziertdie Blow-by-Leckage.

Metallmatrix-Verbund-werkstoffe (MMC) fürStrukturbauteile

Im Bereich Verbundwerkstoffe wer-den am IFKB sowohl Komposite mitkeramischer (ceramic matrix compo-site, CMC) als auch metallischerMatrix (MMC) untersucht. Ein Bei-spiel für CMC-Anwendungen ist diefaserverstärkte keramische Brems-scheibe, deren Anforderungsprofildurch extreme Abriebfestigkeit sowieHochtemperatur- und Temperatur-wechselbeständigkeit gekennzeichnetist. Für strukturelle Anwendungen beigeringeren Einsatztemperaturen bisin den Bereich um 400 °C bietenLeichtmetall-MMC-Materialien Vor-teile hinsichtlich spezifischer (ge-wichtsbezogener) Eigenschaften undZuverlässigkeit, da sie durch Kom-

bination hochfester Verstärkungs-komponenten und plastifizierbarerMetallmatrix entstehen.Ein Beispiel für verbesserte Werkstoff-eigenschaften bei MMC ist die Kol-benlegierung AlSi12CuMgNi, derenDauerfestigkeit bei 350-400 °C auf 25MPa sinkt. Dieser Wert wird durchAl

2O

3-Kurzfaserverstärkung verdop-

pelt, bei gleichzeitiger Erhöhung derTemperaturwechselbeständigkeit. Jenach Anwendung ist eine Verstärkungmit Partikeln oder Kurzfasern (isotro-pe Materialeigenschaften) beziehungs-weise kontinuierlich eingebrachten,unidirektionalen (UD) Fasern (aniso-trope Materialeigenschaften) sinn-voll. UD-Komposite bieten die Mög-lichkeit, die Eigenschaften gezieltauf den Belastungsfall des Bauteilsanzupassen und damit weitere Opti-mierungspotentiale zu nutzen.

Kontinuierlich faser-verstärkte Leichtmetalle

Ein neues Fertigungsverfahren fürLeichtmetall-MMC ist das Abschei-den der Leichtmetallmatrix über ther-mokinetische Beschichtungsverfah-ren (etwa Lichtbogen-Drahtspritzen)

auf Fasergewebe oder -gelege. Diedabei entstehenden Prepregs (vorim-prägnierte Materialien) werden zuge-schnitten, gestapelt und durch Um-formen im teilflüssigen Zustand(Thixoumformung) zu near-net-sha-pe Bauteilen verdichtet (siehe Bild2). Als Verstärkungsfasern werdenhauptsächlich Kohlenstofffasern ein-gesetzt, aber auch der Einsatz von ke-ramischen Fasern wird untersucht. ImVergleich zu herkömmlichen Verfah-ren ergeben sich folgende Vorteile:■ Bereits teilweise imprägnierendes

Matrixmaterial nach Beschich-tung

■ Maßgeschneiderte Faserorientie-rung im Bauteil

■ Kostengünstige und prozesssta-bile Abscheidungstechnik

■ Einstellung des Faservolumen-gehaltes über die Schichtdicke

■ Kurze Fließwege und vollständi-ge Verdichtung durch Thixoum-formung (siehe Bild 3)

■ Reduzierte Faserschädigung■ Feinkörnige, globulitische Mikro-

struktur durch schnelle Erstarrung.

PartikelverstärkteLeichtmetalle

Ein ähnliches Verfahren kann zur Her-stellung partikelverstärkter Leicht-metalle verwendet werden. Für PRM(particle reinforced metals) stehen eineVielzahl keramischer Verstärkungs-phasen zur Verfügung, beispielsweiseSiC, Al

2O

3 oder B

4C. Diese führen,

fein dispers im Matrixmetall gelöst,zu erhöhter Härte, Verschleiß- undKriechbeständigkeit, verbessertenmechanischen Eigenschaften (Stei-figkeit, Festigkeit) und verringerterthermischer Dehnung.

Anwendungsbeispiele für Leichtme-tall-MMC im Automobilbereich sind:■ Langfaserverstärkung: Fahrwerks-

komponenten, Strukturbauteileder Karosserie, Felgen, Pleuel

■ Partikelverstärkung: Bremssattel-gehäuse, Antriebswelle (Kardan-welle), Bremsscheiben, Brems-trommeln, Kolben, Pleuel (sieheBild 4).

Martin Silber, Enbiya Türedi,

Martin Wenzelburger

Bild 3: C2D-F/AlSi6-MMC; Thermokinetischabgeschiedene AlSi6-

Matrix und C-Faser-Gewebeverstärkung,

Verdichtung durchThixoschmieden

Bild 4: PartikelverstärkteKolben und Pleuel

Bild: Mahle

homogene, vollständige Infiltra-tion ohne Faserschädigung

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KONTAKT ■■■

Prof. Dr.-Ing. Jochen WiedemannInstitut für Verbrennungsmotorenund Kraftfahrwesen (IVK) undForschungsinstitut für Kraftfahr-wesen und FahrzeugmotorenStuttgart (FKFS)Pfaffenwaldring 1270569 StuttgartTel.: 0711/[email protected]

Automobilforschung im VerbundInterview mit Prof. Dr.-Ing. Jochen Wiedemann, Institut für Verbrennungs-motoren und Kraftfahrwesen (IVK) und Forschungsinstitut für Kraft-fahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS)

Welchen Vorteil hat es, das ThemaKraftfahrzeuge in einem „ClusterAutomotive“ zu bearbeiten?Das Cluster Automotive, zu dem jaauch Institute außerhalb der Fakul-tät Maschinenbau sowie, als asso-ziierte Mitglieder, die wichtigstenIndustriepartner unserer Region ge-hören, hat sowohl eine Außen- alsauch eine Innenwirkung.Die Außenwirkung bezieht sich aufdie Wahrnehmung der UniversitätStuttgart und der Fakultät Maschi-nenbau als automobile Kompetenz-schmiede im Herzen der Automo-bilregion Baden-Württemberg. Dasheißt, das Cluster bildet gemeinsamfast das gesamte Automobil mit den

meisten seiner Facetten in Lehreund Forschung ab. Das Cluster bil-det den dringend benötigten Inge-nieurnachwuchs für diesen wichti-gen Industriezweig aus und wir ha-ben die Forschungskompetenz inFragen der angewandten und der er-kenntnisorientierten Forschung.Die Innenwirkung bezieht sich zumeinen auf unsere Studierenden, diedurch das Cluster noch besser erken-

nen, dass sie die richtige Universitätausgewählt haben. Eine Universität,die in nationalen und internationalenNetzwerken agiert und zudem mit derIndustrie, also ihren späteren Arbeit-gebern, eng vernetzt ist und ihnen soden Zugang zu besten Berufschancenschafft. Zum anderen hat das ClusterAutomotive eine Signalwirkung in-nerhalb der Universität. Es sagt derUniversität, dass diese Fakultät zwarviel größer ist als andere, dass diesaber in Anbetracht der in Europa fastsingulären Situation einer For-schungs-Universität in einer heraus-ragenden Automobilregion nicht nurseine Berechtigung hat, sonderndarüber hinaus absolut unverzichtbar

ist, wenn dieses hochkomplexe Pro-dukt „Automobil“ nahezu vollständigabgedeckt werden soll. Dies wie-derum schafft Chancen, von denendie gesamte Universität Stuttgartprofitiert.Wir bef inden uns hier in Baden-Württemberg in einer Automobilre-gion, von denen es in ähnlicher Aus-prägung nur drei oder vier weltweitgibt, vielleicht noch vergleichbar mit

Detroit oder Nagoya. Die Universi-tät Stuttgart und die Fakultät Maschi-nenwesen stellen sich mit dem Clus-ter Automotive der Verantwortung,durch Forschung und Lehre ihrenBeitrag zum Erhalt der Konkurrenz-fähigkeit unserer Region im weltwei-ten Wettbewerb und damit zum Er-halt unseres Wohlstandes zu leisten.Man sollte nicht vergessen, dass Ba-den-Württemberg zu den ärmstenRegionen Deutschlands zählte, bevordas Automobil hier erfunden wurde.

Thema Klimaschutz: Was muss dieForschung im Bereich Automoti-ve tun?Der Pkw trägt mit etwa 12 Prozentzur deutschen CO

2-Erzeugung bei.

Weltweit ist es noch weniger. In die-sem Rahmen wird das Automobilselbstverständlich seinen Beitragzur Reduzierung der CO

2-Emissio-

nen und zur Reduzierung der Luft-schadstoffe leisten. Man muss sichaber auch darüber im Klaren sein,dass die Klimaproblematik mit demAutomobil alleine nicht in den Griffzu bekommen sein wird.Dennoch, im Bereich des Kraftfahr-zeuges gibt es wesentliche klimare-levante Forschungsthemen, zum Bei-spiel die Antriebe und die Kraftstof-fe, angefangen vom Verbrennungs-motor, der noch für Jahrzehnte derdominierende Energiewandler imKraftfahrzeug bleiben wird. Aberauch die Hybrid- und Elektronantrie-be sowie die Brennstoffzelle sind for-schungsrelevant. Dazu gehört auchdas Thema Abgasreinigung. Dabei istbereits eine Vielzahl von Institutendes Clusters Automotive angespro-chen. Darüber hinaus sind die Fahr-widerstände und Verluste zu reduzie-ren. Die entsprechenden Forschungs-themen lauten Aerodynamik, Ther-momanagement, Leichtbau, Kon-struktion und Kraftübertragung.

Prof. Dr.-Ing. JochenWiedemann (IVK/FKFS)

Bild

: F

KF

S

Motor mit Partikelfilter

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Auch hier sind viele Institute aus denentsprechenden Disziplinen gefor-dert. Weiterhin sind Fahrerassistenz-systeme und Telematik zu nennen, diein Verbindung mit mechatronischenSystemen dem Fahrer helfen, effizi-ent zu fahren. Nicht vergessen möch-te ich die Methodenkompetenz derFakultät, insbesondere auf dem Ge-biet der Simulation mit Höchstleis-tungsrechnern aber auch im experi-mentellen Bereich, etwa in der Wind-kanaltechnik.

Was würden Sie als erstes in An-griff nehmen, wenn Sie Vorstands-vorsitzender in einem Automobil-konzern wären?Ich war 14 Jahre bei Audi in der Ka-rosserieentwicklung tätig, davon sie-ben Jahre als Mitglied des Manage-ments. Diese Zeit – auch die Zusam-menarbeit mit Dr. Piëch und seinenNachfolgern – hat mich sehr geprägtund ich möchte sie nie mehr missen.Audi hat seine Führungskräfte durchgut organisierte Führungskräftetref-fen stets intensiv in die Unterneh-mensentscheidungen eingebunden.Ich durfte dort viel lernen und ichhabe Audi sehr viel zu verdanken.Von daher habe ich kein Patentrezeptfür Vorstandsvorsitzende und all dieanderen parat, von denen ich selbergelernt habe. Diese Persönlichkeitentragen eine enorme Verantwortungfür den Wohlstand von Zehntausen-den von Familien und für ganze Re-gionen, oft viel mehr als Politiker.

überlegen, welche Investition amdringendsten wäre, neue Motorprüf-stände und State-of-the-art-Abgas-messanlagen, ein Fahrsimulator odervielleicht ein zusätzlicher Windka-nal, um nur einige Beispiele zu nen-nen. Auch ein erweitertes Instituts-gebäude mit experimenteller Aus-stattung wäre für uns alle bei den ho-hen Studierendenzahlen sicher sehrwichtig.Leider sind 20 Millionen im Fach-gebiet Automotive keine sehr beein-druckende Zahl. Alleine das FKFS,unser gemeinnütziges Forschungs-institut, hat in den letzten 10 Jahrenüber 35 Millionen für seinen Wind-kanal, für Prüfstände und Infrastruk-tur ausgegeben. Wenn es stattdes-sen 200 Millionen sein dürften,würde das Nachdenken richtig Spaßmachen.

Welches Auto fahren Sie – undwarum?Zur Enttäuschung meiner Studentenfahre ich meistens einen VW Passat1.9 TDI. Ein sehr zuverlässiges, spar-sames Fahrzeug, das ich mit 5 bis 6Litern pro 100 km bewege. Inzwi-schen schon über 200.000 km. Ichhänge an dem Fahrzeug, weil es un-ter dem Blech überwiegend ein Audiist und ich an der Entwicklung derdamaligen Konzern-B-Plattform, diedann von Volkswagen übernommenwurde, beteiligt war.Allerdings – ich gebe es zu – fahreich zum Entsetzen meiner Frau auchgerne schnell. Das geht mit demPassat nur bedingt. Dafür leiste ichmir noch einen „Kleinwagen“, einenAudi A3 3.2 quattro mit Doppel-kupplungsgetriebe. Ein Auto mit ei-ner Technik, die man in unsererSprache als „USP“ (Unique SellingProposition) bezeichnet. Selbst vierJahre nach Serienanlauf immer nochein Alleinstellungsmerkmal. Dasgibt es sonst nur in unserem Wind-kanal mit seiner Simulation derStraßenfahrt, die wir mit einer 5-Stahlbandtechnik seit 2002 exklu-siv betreiben und die wegen ihrerKomplexität und des erforderlichenBetreiber Know-hows erst jetzt all-mählich kopiert wird.

Birgit Spaeth

Die Manager werden heute meinesErachtens überwiegend zu Unrechtöffentlich kritisiert. Die Entwicklungeines neuen Fahrzeugs dauert fünfJahre bis zur Serieneinführung. Dasheißt, wenn man heute beginnt, soll-te man wissen, was der Markt in fünfJahren nachfragen wird. Vielleichtsind die Themen CO

2 und Klima bis

dahin von unserer schnelllebigen Me-diengesellschaft längst durch andereTrends ersetzt worden und man pro-duziert am Markt vorbei.

Um aber dennoch einen Punkt zunennen: Vielleicht würde ich mich– im Rahmen der wirtschaftlichenMöglichkeiten – um etwas mehrKontinuität in der Personalplanungund des Kompetenzmanagementsbemühen. Die Zahl der jungen In-genieure wird – demographisch be-dingt – abnehmen. Man könnte sichalso überlegen, wie man trotz desAusscheidens älterer Ingenieuredennoch Kompetenzen im Unter-nehmen hält. Dabei würde ich – sowie viele andere Vorstandsvorsitzen-de dies bereits praktizieren – natür-lich mit dem Cluster Automotive zu-sammenarbeiten, beispielsweise inder Doktorandenausbildung.

Was würden Sie mit 20 MillionenEuro frei verwendbarer For-schungsgelder an Ihrem Institutanfangen?Da würde ich gemeinsam mit mei-nen Kollegen Bargende und Reuss

Gebläse des großenWindkanals

Bild: IVK

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INTERVIEW

Engagement im Interesse der StudierendenInterview mit Vertretern der Fachschaft Maschinenbau

Studiengebühren, Master/Bachelor-Diskussion, Erstsemester-Einführung oder Diplomanmeldung –die Fachschaft Maschinenbau kümmert sich um eine Vielzahl von Themen. Robert Stanek (2. Semestertechnisch orientierte BWL) sprach im Auftrag des Transmitters mit Graziella Kreiseler (8. SemesterTechnologiemanagement) und Jan Schlechtendahl, 8. Semester Automatisierungstechnik),die sich beide seit langem in der Fachschaft Maschinenbau engagieren.

Was sind eigentlich die Hauptauf-gaben der Fachschaft?Wir machen sehr viel Gremienar-beit, dabei vertreten wir die Studie-renden in allen universitären Gre-mien wie der Studentenkommissi-on, dem Fakultätsrat, der Faveve bishin zum Uni-Rat, dem höchstenGremium der Universität Stuttgart.Die Mitarbeit entwickelt sich meis-tens spontan aus einem Projektheraus, wie etwa bei den Studien-gebühren. Über deren Verteilunghaben wir schon ein halbes Jahr vorihrer Einführung in Workshops undSitzungen beraten. Auch die Erst-semestereinführung oder das Ma-schinenbauerfest gehören zu unse-ren Aufgaben. Ein fester Bestand-teil unsere Arbeit ist die Fach-schaftssitzung, die einmal die Wo-che, dieses Semester dienstags13.10 Uhr, stattfindet.Dort wird alles besprochen und dis-

kutiert. Bei einem Thema mit mehrDiskussionsbedarf, trifft man sichnochmals mit allen Interessenten beieinem neuen Termin.

Wie kommt man denn zur Fach-schaft?Wir haben keine feste Struktur, son-dern wer etwas machen möchte,darf das gerne machen. Es gibt einweites Feld, auf dem man sich en-gagieren kann: Von der Organisati-on des Getränkeausschanks bei derDiplomübergabe bis zum Arbeits-kreis „Ring“, in dem Studenten eineRingvorlesung organisieren, bei derRedner eingeladen, das Programmzusammengestellt und die Dozen-ten betreut werden müssen. Dieskam auf Initiative von Studenten zu-stande, wobei die Fachschaft dahin-terstand und mithalf. Ansonsten ent-wickeln sich immer verschiedeneProjekte einfach aus der Situation

heraus. Die Fachschaft liegt sehrzentral im Pfaffenwaldring 9 aufdem Campus Vaihingen und mankommt einfach vorbei und hilft woman kann, wenn man Zeit hat. Esgibt keine regelmäßigen Öffnungs-zeiten, wenn die Tür offen ist, kannman sicher sein, dass einem immergeholfen wird, egal an welchem Tag.

Habt ihr eine Hotline für dringen-de Angelegenheiten oder Fragen?Jede Anfrage per E-Mail geht überunseren Verteiler. Hier findet sichimmer jemand, der die Antwortweiß, meistens schon innerhalbweniger Stunden. Außer bei spezi-ellen Fragen, die nur von einem Stu-denten aus dem gleichen Studien-gang oder Vertiefungsfach beant-wortet werden können.

Habt ihr manchmal auch (kleine)Katastrophen in der Fachschaft?

KONTAKT ■■■

Fachschaft Maschinenbau & Co.Pfaffenwaldring 9, Zi 0.16670569 StuttgartTel.: 0711/685-6 6541Fax.: 0711/685-6 [email protected]

Fachschaftler bei derArbeit

Bild: FachschaftMaschinenbau

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NEWS

Normalerweise tauchen bei unskeine besonders schwierigenProbleme auf. Es ist eher dieMasse an Leuten, denen wirhelfen. Wir versuchen auch,Schwierigkeiten aktiv durcheine ausführliche Erstsemester-einführung und die Studenten-rallye vorzubeugen. Aber ir-gendwo gibt es auch Grenzen,denn bei Rechtsfragen kann dieFachschaft nicht weiterhelfen.Im Ernstfall können wirzumindest die Nummer derRechtsberatung des Studenten-werks weitergeben. Eher sehenwir uns als erste Anlaufstellefür Probleme und vermittelndann weiter.

Wie steht die Fachschaft zuStudiengebühren?Die Fachschaft war immer ge-gen die Einführung von Studi-

engebühren und hat auch im-mer Aktionen dagegen unter-stützt. Wir ärgern uns auchdarüber, dass dieses Semesterzum Beispiel nicht die bestenfünf Prozent eines Studien-gangs von Studiengebührenbefreit wurden, wie die Verwal-tung es versprochen hatte. Wirglauben nicht, dass besondereVerbesserungen durch Gebüh-ren erreicht werden. Wir geheneher davon aus, dass davon jetztMitarbeiter-Stellen bezahlt wer-den, die früher eben anders fi-nanziert wurden.

Wie seid Ihr bei der Einfüh-rung der Studiengebühren vor-gegangen?Wir haben uns sehr früh Gedan-ken zur Verteilung der Gelderim Workshop gemacht, dannVorschläge, die wir für sinnvoll

risch ins Studium hineinge-wachsen sind. Interessant wer-den auf jedem Fall die ver-pflichtenden Softskills beimBachelor.

Besteht ein dringender Wunschvon Euch Fachschaftlern?Ja, dass mehr Leute aktiv in derFachschaft mitarbeiten! Wir ar-beiten alle hier ehrenamtlichund haben immer viel zu tun.Nebenbei suchen wir immerSponsoren aus der Wirtschaftfür unsere Feste oder um Eskur-sionen anbieten zu können.Auch Stellenausschreibungen,Diplomarbeits- und Prakti-kumsplätze können wir aushän-gen. Sollte Interesse an einerZusammenarbeit bestehen, wür-den wir uns über Kontakte freu-en. Natürlich sind wir auch of-fen für Vorschläge.

Neuer Prüfstand zur Untersuchung von Fahrzeuggetrieben

Nach einjähriger Umbauzeitwurde im Januar 2007 der neuePrüfstand zur Untersuchungdes Phänomens Klappern undRasseln in Fahrzeuggetriebenam Institut für Maschinenele-mente (IMA) in Betrieb genom-men.Der Prüfstand ersetzt den in dieJahre gekommenen Vorgänger,der die erforderlichen Beschleu-

nigungswerte aufgrund gestie-gener Anforderungen im realenAntriebsstrang nicht mehr er-reichen konnte. So steht nun einPrüfstand mit zwei hochdyna-mischen Permanentmagnetmo-toren (Antriebsleistung jeweils33,7 kW, das entspricht einerVerdreifachung der bisherigenLeistung) zur Durchführung vonForschungs- und Industriearbei-

ten zur Verfügung. Die hohe Dy-namik liegt in dem sehr niedri-gen Massenträgheitsmoment derMotoren von nur 5,5 x 10-3 kgm2

begründet. Durch die dreiachsigverschiebbare Lagerung desAbtriebsmotors ist es möglich,verschiedene Getriebebaufor-men (Koaxialgetriebe, Front-quer-Getriebe) zu untersuchen.

IMA

hielten, in ein Punkterankingaufgenommen und alles ins In-ternet zur Abstimmung gestellt,wobei jeder Student auch dieMöglichkeit hatte, selbst Vor-schläge einzubringen. Wir be-mühen uns, alles demokratischzu lösen.

Wie beurteilt die Fachschaftdie Bachelor-, Masterumstel-lung?Besonders der Bachelor wirdvon der Fachschaft kritisch ge-sehen, da dieser Abschluss vonuns für Ingenieure nicht wirk-lich als berufsbefähigend ange-sehen wird. Wir machen aberRealpolitik, der Bologna-Pro-zess kann nicht umgedreht wer-den und wir bemühen uns, dasBeste für die Studierendenrauszuholen. Wir müssen Din-ge über Bord werfen, die histo-

Königlicher Preis

Schematischer Prüfstandsaufbau

Für ihre Veröffentlichung „Theimpact of rotor labyrinth seal lea-kage flow on the loss generationin an axial turbine“ im “Journalof Power and Energy” wurdenDipl.-Ing. Jan Eric Anker, Dr.-Ing.Jürgen F. Mayer und Prof. Micha-el V. Casey vom ITSM mit demDonald Julius Groen Prize ausge-zeichnet. Die Thermofluids-Grup-pe der „Institution of MechanicalEngineers“ in London zeichnetmit diesem Preis alljährlich her-ausragende Arbeiten auf dem Ge-biet der Strömungsmechanik undThermodynamik aus. Schirmher-rin der Institution ist die Königin.Die Arbeit aus dem ITSM be-schäftigt sich mit dem Einfluss derLeckageströmung über einemTurbinen-Deckband auf dieHauptströmung in der Turbine.Sie hat unter anderem gezeigt,dass nicht nur die Leckageströ-mung selbst, sondern auch dasVorhandensein von Kavitäten inden Gehäusewänden eine Auswir-kung auf Leistung und Wirkungs-grad der Maschine hat. ITSM

Bild

: IM

A

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Werkstoffkunde und Festigkeits-lehre (IMWF), stellte als Ko-ordinator des SchwerpunktesWerkstoffwissenschaften die ge-planten Aktivitäten für das Wis-senschaftsjahr vor. Der Grund-stein einer wissenschaftlichen Zu-sammenarbeit zwischen Ägyp-ten und Deutschland auf demGebiet der Werkstoffwissenschaf-ten, so Roos, wurde schon ver-gangenen Dezember bei der Un-terzeichnung eines ‘Memoran-dum of Understanding on Egyp-tian-German Cooperation in theField of Materials Science andTechnology’ gelegt. Das Memo-randum wurde im Beisein vonMinister Prof. Hany Helal vonVertretern aus deutschen undägyptischen Forschungsinstitu-ten unterzeichnet. Ziel des Me-morandums ist es, ein deutsch-ägyptisches Netzwerk mit demZiel zukunftsorientierter For-schung zu initiieren.Für das Wissenschaftsjahr 2007sind Workshops, Weiterbil-dungsprogramme sowie die De-f inition gemeinsamer For-schungsprojekte geplant. EinWorkshop mit dem Schwer-punkt ‘Advanced Materials’wird im September an der Uni-versität Stuttgart stattfinden.Roos will das Wissenschaftsjahrauch dazu nutzen, die Koopera-tion zwischen der German Uni-versity of Cairo und der Univer-sität Stuttgart auszubauen

MPA

Im Juni 2006 wurde zwischenFrau Bundesministerin Dr. An-nette Schavan und dem ägypti-schen Forschungsminister Prof.Hany Helal vereinbart, das Jahr2007 als ‘Deutsch-ÄgyptischesJahr der Wissenschaften undTechnologie’ auszurufen. Zieldes Wissenschaftsjahres ist es,die internationale Kooperationzwischen Ägypten und Deutsch-land auf dem Gebiet von For-schung und Wissenschaft auszu-bauen und zu intensivieren. DasProgramm umfasst die Schwer-punkte Medizin, Sozialwissen-schaften, Biotechnologie, Erneu-erbare Energien, Wasser undWerkstoffwissenschaften.Am 15. Januar 2007 wurde das‘Deutsch-Ägyptische Jahr derWissenschaften und Technolo-gie’ offiziell an der Cairo Uni-versity in Ägypten eröffnet. Prof.Hany Helal, Minister of HigherEducation and Scientif ic Re-search, und der deutsche Bot-schafter Bernd Erbel hoben dielange Tradition auf dem Gebietder Bildung zwischen beidenStaaten hervor. Prof. Hany Helalbetonte, dass die anlaufendenKooperationen nicht auf das Jahr2007 beschränkt sind, sondern inden kommenden Jahren ausge-baut werden sollen.Prof. Dr. Eberhard Roos, ge-schäftsführender Direktor derMaterialprüfungsanstalt Stutt-gart und Lehrstuhlinhaber desInstituts für Materialprüfung,

Deutsch-Ägyptisches Wissenschaftsjahr

Prof. Dr. Eberhard Roos (MPA) im Gespräch mit Minister Prof. Hany Helal

NEWS

Der neu eingerichtete Gottfried-Frankowski-Preis für innovativeBeiträge auf dem Gebiet der opti-schen Formerfassung wurde am28. Februar 2007 im Rahmen desITO-Kolloquiums an der Univer-sität Stuttgart verliehen. Ausge-zeichnet wurde Dr. Stephan Rei-chelt, SeeReal TechnologiesGmbH, Dresden, aufgrund seinerDissertation „InterferometrischeOptikprüfung mit computergene-rierten Hologrammen“. Der mit5000 Euro dotierte Preis wird voneiner siebenköpfigen Jury jährlichan Forscher und Entwickler ausden Bereichen der optischen Ko-ordinaten- und Formmesstechnikvergeben. Als wesentliche Grund-lage für die Vergabe dienen her-ausragende Publikationen undDissertationen; gewertet wurdenaber auch Ideen, die Grundlagenfür erfolgreiche kommerzielleProdukte bildeten.Das 22. Optik-Kolloquium desInstitutes für Technische Optikfand unter dem Leitthema „Inno-vation in der Medizintechnikdurch Optische Technologien“ ander Universität Stuttgart statt.Die Referenten aus Industrie undWissenschaft stellten etwa 250Zuhörern Beispiele erfolgreicherZusammenarbeit der Forschungs-felder „Medizin“ und „Optik“vor. Zurzeit werden sowohl dieMedizintechnik als auch die

Optik als besonders förderungs-würdige Forschungsthemen be-trachtet und es gibt eine Reihevon Kooperationen zwischen ih-nen. Dr. Kemper vom Labor fürBiophysik der Universität Müns-ter stellte beispielsweise die dortentwickelte digital-holograf i-sche Mikroskopie zur Lebend-zellanalyse vor, die in enger in-terdisziplinärer Zusammenarbeitweiterentwickelt wird. Auch dieVorträge aus dem ITO von Dr.Papastathopoulos und Dr. Pedri-ni präsentierten Forschungsge-biete mit und für Mediziner: un-terstützende Messtechnik fürCochlea-Operationen und endo-skopische Messtechnik zur Be-stimmung von Gewebeeigen-schaften. Weitere Themen warender Einsatz optischer Messtech-nik für die Ophtalmologie unddie Zahnmedizin, die 4Pi-Mikro-skopie, die Vorteile von Femto-sekunden-Lasern in der Augen-chirurgie. Das ITV Denkendorfzeigte umfassende Ansätze undAnwendungen von Textilien undGewebe, etwa in Kleidung inte-grierte Lebenszeichen-Überwa-chung oder Beleuchtung, dasIMS Chips, Stuttgart präsentier-te miniaturisierte Bildsensoren,die beispielsweise bei der Endo-skopie oder in eine „Videopil-le“ integriert werden können.

ITO

Messtechnik-Preis für junge Forscher aufdem ITO-Kolloquium vergeben

Miniaturisierter konfokaler Sensor zur Erfassung der 3D-Topographie immenschlichen Innenohr, entwickelt im Rahmen des BMBF-Projekts COCH-LEA (ITO Uni-Stuttgart, IPR Uni-Karlsruhe, HNO-Klinik Freiburg)

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Vor 50 Jahren hatten Turboma-schinenentwickler die Vision,dass die Gasturbine wegen ih-rer ausgezeichneten Leistungs-dichte das zukünftige Antriebs-aggregat für Nutzfahrzeuge undauch im Auto sein würde. Allenamhaften deutschen Automo-bilhersteller haben bedeutendeEntwicklungsprogramme fürentsprechend kleine Gasturbi-nen begonnen und über vieleJahre und mit hohen Investitio-nen betrieben. Heute sind die-se Entwicklungen Geschichte,da klar wurde, dass ein gastur-binenbetriebenes Fahrzeug auf-grund des Wirkungsgrades undder Wirtschaftlichkeit nichtkonkurrenzfähig sein kann.In der Summe ist der moderneDieselmotor derzeit das wirt-schaftlichste Antriebsaggregat.Obwohl die Gasturbine als An-trieb für Automobile nicht mehrin Frage kommt, sind Turboma-schinen nicht völlig aus demBild der Motorentechnologieverschwunden. Jeder moderneDieselmotor wird heutzutagemit einem Abgasturbolader aus-gerüstet, und jeder Turboladerbeinhaltet, genau wie die Gas-turbine, zwei Turbomaschinen-komponenten: eine Turbine undeinen Kompressor auf der glei-che Welle. Teilweise ist sogar dieTechnologie der Turbolader ausder Technologie der Gasturbinehergeleitet (Aerodynamik, Me-chanik, Materialtechnik etc.).

Schweizer Patent

Verbrennungsmotoren setzennur einen Teil der eingesetztenEnergie in nutzbare Leistungum, beträchtliche Teile gehenals Abwärme verloren, mehr als35 Prozent der Energie verpuf-fen im Abgasstrom.Dazu kommt, dass die Saugwir-kung des nach unten wandern-den Kolbens nicht ausreicht,der Brennkammer die größt-

mögliche Menge zündfähigenGemischs zuzuführen. DieseProblematik war schon den Pi-onieren der Motorentechnik be-kannt. Für die Idee einer „Ver-brennungskraftmaschinenanla-ge, bestehend aus einem Kom-pressor (Turbinenkompressor),einem Kolbenmotor und einerdahintergeschalteten Turbine“erhielt der Schweizer Alfred

Büchi schon 1905 im Deut-schen Reich das kaiserlichePatent mit der Nr. 204630. Diezugrundeliegende Idee, die vor-handene Abgasenergie mittelsein Turbine als Antrieb für ei-nen Verdichter zu verwenden,um die Dichte am Motorenein-tritt zu erhöhen, führte zu demheute sehr populären Turbola-der.

Weniger ist mehr

Turbolader finden heutzutageeine immer größere Verbreitungin Motorfahrzeugen aller Art,auch bei Ottomotoren. Der stän-dig wachsende Einsatz liegt da-rin begründet, dass sie sowohlzur Leistungssteigerung alsauch zur Senkung des Kraft-stoffverbrauchs der Motorenbeitragen. Weiterhin kommenturboaufgeladene Motoren miteinem geringeren Bauraum alsvergleichbare Saugmotoren ausund liefern einen Beitrag zur

Emissionsreduktion. Der Turbo-lader ist nicht wegzudenken ausder Motorentechnik und wirdeine immer wichtigere Kompo-nente des Antriebsaggregats.Allerdings ist es erforderlich,das Motor-Turbolader-Systemmöglichst genau abzustimmen,um die Vorteile dieser Techno-logie weitgehend ausnutzen zukönnen. Die fehlenden Kennt-

nisse darüber hat einen Durch-bruch in der Motorentechnolo-gie bis vor ca. 15 Jahren verhin-dert. Heute ist der Turbo aus mo-dernen Motoren nicht mehrwegzudenken. Die nächste Tur-bolader-Generation, die in mo-dernsten Dieselmotoren schonheute zum Einsatz kommt, wirdmit variabler Geometrie und Re-gisteraufladung für noch mehrLeistung und noch geringereEmissionen sorgen.Das Motor-Turbolader-Systemist ein typisches Beispiel für einProdukt, das sich nicht in dieStrukturen innerhalb der Gren-zen der klassischen Universi-tätsinstitute einordnen lässt. Umdieses System verstehen undanalysieren zu können, benö-tigt man einen multidisziplinä-ren Ansatz mit Kenntnissen so-wohl der Motoren- als auch derTurbomaschinen-Technologie.Mit der neuen Vorlesung „Tur-bochargers“ wird diesem Sach-verhalt für Studierende der

Fahrzeug- und Motorentechnikund für Maschinenbauer der Ver-tiefungsrichtung „ThermischeStrömungsmaschinen“ Rech-nung getragen. Die neue Vorle-sung vermittelt die nötigenKenntnisse über Turbomaschi-nen, die die Motorenbauer be-nötigen, um Turbolader verste-hen zu können, und die nötigenInformationen über die Motorenfür die Turbomaschinenbauer,die diese in die Lage versetzen,die vom Motor gestellten Anfor-derungen zu erfassen.Die neue Vorlesung wurde daserste Mal im Wintersemester2006/2007 als Ergänzungsfachsowohl im Hauptfach „Verbren-nungsmotoren“ (Prof. Bargen-de) als auch in Hauptfach „Ther-mische Turbomaschinen“ (Prof.Casey) angeboten. Im erstenDurchgang haben mehr als 40Teilnehmer von diesem AngebotGebrauch gemacht.Die Vorlesung gliedert sich infolgende Teilbereiche:■ Einleitung zur Aufladung

von Verbrennungsmotoren■ Thermodynamik des Motor-

Turbolader-Systems■ Radialverdichter■ Axial- und Radialturbinen■ Konstruktion■ Abstimmung von Motor und

Turbolader■ Moderne Entwicklungen (va-

riable Geometrie, Register-aufladung ...)

Die Vorlesung wird als ein klei-ner Beitrag zur Internationalisie-rung der Lehrinhalte in Stuttgartin englischer Sprache gehalten,nicht zuletzt weil Englisch dieMuttersprache des DozentenMichael Casey ist.Für Studenten, die kein verhand-lungssicheres Englisch beherr-schen, wird die Prüfung auch aufDeutsch angeboten. Kopien derVorlesungsunterlagen könnenvom ITSM bezogen werden.

ITSM

Neue Vorlesung „Turbochargers“ in englischer Sprache

Bild: Borg Warner Turbo Systems

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