Hans-Hermann Braess (Hrsg.)Ulrich Seiffert (Hrsg.)

ViewegHandbuchKraftfahrzeugtechnikMit 807 Abbildungen und 64 Tabellen

vieweg

Inhaltsverzeichnis

1 Mobilitat I

1.1 Einleitung I1.2 Ursachen und Arten der Mobilitat 2

1.2.1 Definitionen 21.2.2 ,,Aktivitaten bestimmen Mobilitat" 31.2.3 Transportsysteme fur den Gliterverkehr 51.2.4 Einige spezielle Auspriigungen von Mobilitat 5

1.3 Spannungsfelder und Nachteile der Mobilitat 51.4 Mobilitatsrelevante Anforderungen an Automobile 6

1.4.1 Grundsat/.liche Anforderungen 61.4.2 Spezielle Anforderungen 7

2 Anforderungen, Zielkonflikte 9

2.1 Produktinnovation, bisherige Fortschritte 92.2 Anforderungen durch den Geset/geber 16

2.2.1 Zulassung /urn StraBenverkehr 162.2.2 Die nationalen und supranationalen Rechtsquellen 17

2.2.2.1 StraBenverkehrsrecht mit StraBenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO) 172.2.2.2 Richtlinien der Europiiischen Gemeinschaft I 82.2.2.3 Regelungen der UN-Wirtschaftskommission fiir Europa 202.2.2.4 Weitere MaBnahmen zum Abbau von Handelshemmnissen 20

2.2.3 Unfallvorbeugung (aktive Sicherhcit) 202.2.3.1 Allgemeines 202.2.3.2 Bremsanlage 202.2.3.3 Sichtfeld 222.2.3.4 Schneeketten 222.2.3.5 Lichttechnische Einrichtungen 22

2.2.4 Fahrzeugsicherheit, Unfallfolgenmilderung 232.2.4.1 Allgemeines 232.2.4.2 Insassenschutz bei Frontalaufprall 232.2.4.3 Insassenschutz bei Seitenaufprall 23

2.2.5 Anforderungen an das Emissionsverhalten 232.2.5.1 Allgemeines 232.2.5.2 Geriiuschpegel und Auspuffanlage 232.2.5.3 Abgase 24

2.2.5.3.1 Emissionen von Kraftfahrzeugmotoren 242.2.5.3.2 Emission aus Dieselmotoren (Rauchgastriibung) 26

2.2.5.4 Kraftstoffverbrauch und CO:-AusstoB 262.2.5.5 Elektromagnetische Vertraghchkeit und Funkentstorung 26

2.2.6 Verschiedenes 272.2.6.1 Anbringung des hinteren Kenn/eichens 272.2.6.2 Sicherungseinrichtungen gegen unbefugte Bcnut/ung. Wegfahrsperre 272.2.6.3 Fabrikschild. Fahrzeugidentifizierungsnummer 282.2.6.4 Messung der Motorleistung 282.2.6.5 Massen und Abmessung von Klasse MrFahr/eugen 28

2.2.7 Ausblick 282.3 Neue Teehnologien 28

3 Fahrzeugphysik 33

3.1 Grundlagen 333.1.1 Definitionen 343.1.2 Fahrwiderstand und Antrieb 343.1.3 Kraftstoffverbrauch beinflussende MaBnahmen 363.1.4 Dynamische Kriifte 37

Inhaltsverzeichnis

3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.

.12

.3

.4

.5

3.1.5 Bewegung des Fahrzeugaufbaus 373.1.6 Krafte und Momente 383.1.7 Radaufhangungen 383.1.8 Lenkung 383.1.9 Rader und Reifen 39

3.2 Aerodynamik 393.2.1 Grundlagen 393.2.2 Wirkungsbereiche 40

3.2.2.1 Luftwiderstand/Fahrleistung 403.2.2.2 Fahrsicherheit 433.2.2.3 Benetzung und Verschmutzung 433.2.2.4 Einzelkrafte 443.2.2.5 Kuhlung/Bauteiltemperaturen 453'.2.2.6 Innenraumklima 463.2.2.7 Windgerausche 46

3.2.3 Einordnung in die Gesamtentwicklung 473.3 Warmetechnik 48

3.3.1 Kiihlung von Verbrennungsmotoren 48Auslegung von Kuhlern 49Kuhlerbauarten 50Liifter und Liifterantriebe 51Kiihlmodule 51Gesamtsystem Motorkiihlung 52

3.3.2 Beheizen und Kiihlen des Fahrgastraumes 523.3.2.1 Die Funktion Hei/.en und ihre Komponenten 533.3.2.2 Die Funktion der Kalteanlage und ihre Komponenten 553.3.2.3 Kompressoren und Regelung der Kalteleistung 573.3.2.4 Auslegung der Klimaanlage 573.3.2.5 Kraftstoffmehrverbrauch durch die Klimaanlage 59

3.4 Fahrzeugakustik 593.4.1 Einleitung 593.4.2 Zieldefinition 603.4.3 Komponentenqualifikation 63

3.4.3.1 Antriebsaggregat 633.4.3.2 Antriebsstrang 663.4.3.3 Karosserie 683.4.3.4 Lenkungssysteme 71

3.4.4 Optimierung Gesamtfahrzeug 713.4.4.1 Aeroakustik 723.4.4.2 Ubertragungspfadanalyse 743.4.4.3 Schwingungskomfort 76

3.4.5 AuBengeriiusch 783.4.6 Qualitatssicherung 80

4 Formen und neue Konzepte 824.1 Design 82

4.1.1 Definition von Design 824.1.2 Wachsende Bcdeutung von Design 82

4.1.2.1 Design und Plattform-/Gleichteile-Konzept 824.1.2.2 Design und Markenimage 834.1.2.3 Design als Marketinginstrument 844.1.2.4 Trendforschung 844.1.2.5 Zielkonflikte 84

4.1.3 Exterieur-/Interieur-Design. Colour & Trim, Advanced Design 844.1.4 Der Design-Prozess 86

4.1.4.1 Der klassische Design-Prozess 864.1.4.2 Derdigitale Design-Prozess 884.1.4.3 Digital Process - Starken und Schwiichen 91

Inhaltsverzeichnis XIII

4.1.5 Ausblick 914.2 Fahrzeugkonzept und -package in der PKW-Entw icklung 92

4.2.1 Entwicklungsablauf 924.2.1.1 Produktanforderungen. Lastenheft 924.2.1.2 Erstellung Fahrzeugkonzept 924.2.1.3 Styling/Hard Point Package 924.2.1.4 Package 92

4.2.2 Fahrzeugkonzeptionierung als Prozess 924.2.2.1 Ablauf 924.2.2.2 Packageausfuhrungsformen und Datennianagement 93

4.2.3 Auslegungsbereiche und Einflussfaktoren des Fahrzeugpackages 944.2.3.1 MaBdefinitionen 944.2.3.2 Fahrzeugkonzept 94

4.2.3.2.1 Frontmotoranordnung 954.2.3.2.2 Heckmotoranordnung 974.2.3.2.3 Mittelmotoranordnung 974.2.3.2.4 Sonderformen der Aggregatanordnung 984.2.3.2.5 Vergleich der Fahrzeugkonzepte 98

4.2.3.3 Auslegungsbereiche des Fahrzeugpackages 994.2.3.3.1 Innenraum 994.2.3.3.2 Gepackraum 1004.2.3.3.3 Karosseriestruktur 1004.2.3.3.4 Motorraum 1004.2.3.3.5 Abgasanlage. Antriebsstrang und L'nterboden 1004.2.3.3.6 Tank. Leitungen und Reserverad 1014.2.3.3.7 MaBvergleich verschiedener Fahrzeugklassen 102

4.2.3.4 Gesetzliche Forderungen 1034.2.3.4.1 Direkte Einflusse auf das Fahrzeugkonzept 1034.2.3.4.2 Indirekte Einflusse auf das Fahrzcugkonzepl 103

4.2.3.5 Anforderungen aus Produktion und Kundendienst 1034.2.3.5.1 Produktion und Modularisierung 1034.2.3.5.2 Kundendienst 104

4.2.3.6 Strategische Einflusse 1044.2.3.6.1 Fahrzeugplattform 1044.2.3.6.2 Fahrzeugvarianten 1054.2.3.6.3 Baukasten 105

4.2.4 Fahrzeugkonzeptionierung in der Zukunft 1054.3 Neuartige Antriebe 106

4.3.1 Elektroantriebe 1064.3.1.1 Antriebssysteme fiir Elektrofahrzeuge 1064.3.1.2 Elektromotoren fiir Elektrofahrzeuge 1074.3.1.3 Umrichter 1084.3.1.4 Traktionsbatterien 1104.3.1.5 Ladegeriite 1114.3.1.6 Ausblick 112

4.3.2 Brennstoffzellen als Antriebe fiir mobile Systeme I 124.3.2.1 Necar-Fahrzeuge 1164.3.2.2 Nebus-Brennstoffzellenbus I 174.3.2.3 Schadstoffe bei Brennstoffzellenantrieben 1184.3.2.4 Ausblick I 19

4.3.3 Hybridantricb 1194.3.3.1 Szenario 1 194.3.3.2 Konzepte 1204.3.3.3 Komponenten aus Hybridsicht 121

4.3.4 Stirlingmotor. Gasturbine und Schwungrad 1234.3.4.1 Stirlingmotor 1234.3.4.2 Gasturbine 1244.3.4.3 Schwungrad - Flvvvheel 126

XIV Inhaltsverzeichnis

5 Antriebe 128

5.1 Ottomotor 1285.1.1 Ottomotor (Grundlagen, Teil I)

5.1.1.1

5.1.1.2

128Arbeitsweise 1285.1.1.1.1 Viertakt-Verfahren 1295.1.1.1.2 Wirkungsgrade 1295.1.1.1.3 Definitionen. KenngroBen 130Gestaltung und Mechanik 1315.1.5.1.5.15.1.5.1.

5.1.5.1.5.1.5.1.5.1.5.1.

.2.1 Bauformen 131

.2.2 Kurbeltrieb 133

.2.3 Ventiltrieb 136

.2.4 Ladungswechselorgane 138

.2.5 Werkstoffe 141

5.1.2

5.1.1.3 Motormanagement 144Einspritzung 144Gemischbildung 145Ziindung 146Verbrennung 149Abgasemissionen und Katalysator 150Motorsteuerung 153

Kiihlung und Schmierung 155Nebenaggregate und Package 158

Ottomotor (Teil 2) 1605.1.2.1 Zukunftslosungen 1605.1.2.2 Direkteinspritzung 161

.3.1

.3.2

.3.3

.3.4

.3.5

.3.65.1.1.45.1.1.5

.2.2.1

.2.2.2

.2.2.3

.2.2.4

.2.2.5

BrennverfahrenLadungsbewegungEinspritztechnik ....Betriebsstrategie und Motormanagement

161168168171

Abgasnachbehandlung 1725.1.2.3 Variable Ventilsteuerung 173

5.1.2.3.1 Drosselfreie Laststeuerung 1745.1.2.3.2 Konstruktive Losungen 176

5.1.2.4

5.2 Dieselmotor.

Downsizing und Aufladung5.1.2.4.1 Betriebspunktverlagerung5.1.2.4.2 Variable Verdichtung

179179180182

5.2.1 Definitionen 1825.2.2 Ausfiihrungsformen 1825.2.3 Historie einer Erfindung 1825.2.4 Motortechnische Grundlagen 185

5.2.4.1 Einleitung 1855.2.4.2 Vergleich motorischer Verbrennungsverfahren 1865.2.4.3 Die Thermodynamik des Dieselmotors 187

5.2.5 Die dieselmotorische Verbrennung 1885.2.5.1 Allgemeines 1885.2.5.2 Einspritzung und Gemischbildung 1895.2.5.3 Selbstziindung und Ziindverzug 1905.2.5.4 Abgasemissionen 191

5.2.6 Konstruktive Merkmale der Einspritzsysteme 1955.2.6.1 Verteilereinspritzpumpe 1955.2.6.2 Reihenpumpe 1975.2.6.3 Einspritzdiisen und Diisenhalter 1975.2.6.4 Pumpe-Diise 2005.2.6.5 Speichereinspritzsystem 2015.2.6.6 Simulation von Einspritzsystemen 201

5.2.7 Konstruktive Merkmale der Verbrennungsverfahren 202

Inhaltsverzeichnis XV

5.3

5.2.7.1 Vorkammerverlahren5.2.7.2 Wirbelkammerverfahren5.2.7.3 Direkte Hinspritzung5.2.7.4 Triebwerk und Zylinderkopf5.2.7.5 Aufladung5.2.7.6 Lebensdauer

5.2.8 Qualitative Bewertung von Verbrennungsverfahren5.2.9 Abgasnachbehandlung

5.2.9.1 Oxidationskatalysator5.2.9.2 Dieselpartikel5.2.9.3 EntstickungSimulation der dieselmotorischen VerbrennungDieselkraftstoffeDie Zukunft des Dieselmotors

5.2.105.2.115.2.12Aufladung

202203203204205206206207207207209211213214218

5.3.15.3.2

Grande und Ziele 218Systeme 2195.3.2.1 Abgasturbo-Auttadung ..5.3.2.2 Druckwellenaufladung ...5.3.2.3 Mechanische AufladungKoinponenlen5.3.3.15.3.3.2

5.3.4

AbgasturboladerDruckwellenlader

5.3.3.3 Kompressor5.3.3.3.1 Roots-Kompressor5.3.3.3.2 Spiral-Kompressor

Probleme der Anwendung5.4 Triebstrang

5.4.1 Uberblick5.4.1.15.4.1.2

Einleitung

219219221221

224225226226226

Aufgaben des Getriebes 2275.4.5.4.5.4.5.4.5.4.

.3

5.4.2

Aufbau und Elemente des TriebstrangsAchsantriebDifferenzialgetriebeAllrad-VerteilergetriebeGelenkwellenSchwingungssystem

Anfahrelemente5.4.2.1 Kupplungen5.4.2.2 Hydrodynamischer Drehmomentwandler

5.4.1.8

228229229229229230230230234

5.4.3 Das Handschaltgetriebe-System 2375.4.3.1 Funktion und Aufbau5.4.3.2 Verzahnung5.4.3.3 Synchronisierung5.4.3.4 Weitere Getriebekomponenten5.4.3.5 Getriebeschaltung5.4.3.6 Ausfiihrungsbeispiele5.4.3.7 Automatisierte Schaltgctriebe ..

5.4.4 Stufenautomatgetriebe5.4.4.1 Funktionsweise5.4.4.2 Aufbau5.4.4.3 Baugruppen5.4.4.4 Betiitigung5.4.4.5 Betriebsverhalten5.4.4.6 Ausfiihrungsbeispiele

23723X238239240240241241241242243247248249

5.4.5 Stufenlose Getriebe 2505.4.5.15.4.5.2

FunktionsweiseAufbau

250251

XVI lnhultsverzeichnis

5.4.6

5.4.7

5.4.5.3 Baugruppen 2525.4.5.4 Betatigung 2545.4.5.5 Betriebsverhalten 2545.4.5.6 Ausfuhrungsbeispiele 254Elektronische Getriebesteuerung 2555.4.6.15.4.6.25.4.6.35.4.6.4Ausblick

GesamtsystemSteuergeratBauteileFunktionen

255256257258260

5.5 Allradantriebe. Brems- und Antriebsregelungen 2625.5.1 Allradantriebs-Konzepte 262

5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.

.1

5.5.2

5.6

Verwendung von Allradantrieben 262Kennlinien von Allradantrieben 262Systematik der Antriebe 263Komponenten 263Systemauswahl 268Einfluss auf Crashverhalten 269Gerausch- und Schwingungstechnik (NVH) 269Dimensionierung 269Bremsverhalten von allradgetriebenen Fahrzeugen, Allradantriebund Regelsysteme 269

Antriebs- und Bremsregelung 2075.5.2.1 Unfallvorbeugende Sicherheit 2705.5.2.2 Traktionssysteme 2705.5.2.3 Stabilitiitssysteme 271

5.5.2.3.1 Passive Systeme ASC, ASR 2715.5.2.3.2 Aktive Systeme, DSC. ESP 272DSC, ESP mit Fremdkraftbremsen 2735.5.2.4.1 Brake-by-Wire 274Sensorik 2745.5.2.5.1 Raddrehzahlfiihler 2745.5.2.5.2 Fahrdynamiksensorik 276

5.5.2.6 Adaptive Cruise Control ACC 276Optimierung der Nebenaggregate 278

5.5.2.4

5.5.2.5

5.6.1

5.6.2

Wachsender Energieverbrauch im Kfz durch eine steigende Anzahlvon elektrischen VerbrauchernStrategien zur Verbrauchsminimierung5.6.2.1 Verbesserung der Energieerzeugung ,,on board"

278279279

5.6.2.5.6.2.5.6.2.5.6.2.5.6.2.5.6.2.

.12.3.4.5.6

5.7

Die Verbesserung des Generators 279Die ,,Smart-power-Switch"' 279Das ISAD-System 279Adaptronik 280Die erhohte Bordnetzspannung 280Die 5 kW-Brennstoffzelle 280

5.6.2.2 Verbesserung des Wirkungsgrades und des Verbrauchsder Nebenaggregate 2815.6.2.2.1 Elektrische Servolenkung 2815.6.2.2.2 Bedarfsgerechte Kraftstoffpumpe 2815.6.2.2.3 Elektrohydrauliches/elektromechanisches Bremssystem 282

5.6.2.3 Energiemanagementsysteme 282Chancen und Risiken des Zweitaktmotors 2845.7.1 Das Zweitaktverfahren 2845.7.2 Das verwendete Konzept 2855.7.3 Die Entwicklungsschwerpunkte 286

5.7.3.1 Abgasverhalten 2865.7.3.2 Gerausch verhalten 2865.7.3.3 Kraftstoffverbrauch 286

Inhaltsverzeichnis XV11

5.7.3.4 Mechanische Standfestigkeit 2885.7.3.5 Package/Gewicht 2885.7.3.6 Kosten 289

5.7.4 Zusammenfassung und Bewertung 2905.8 Alternative Kraftstoffe im Vergleich 290

5.8.1 Systematik der Moglichkeiten fiir die Versorgung mobiler Verbrauchermit Antriebsenergie 290

5.8.2 Kriterien fiir die Auswahl von Energietriigern fiir den StraBcnverkehr 2915.8.3 Konventionelle Kraftstoffe und Moglichkeiten zu ihrer Weiterentwicklung 2935.8.4 Wesentliche Griinde fiir alternative Energietrager im Fahrzeug 2935.8.5 Biogene Kraftstoffe 2945.8.6 Methanol 2945.8.7 Erdgas 2955.8.8 Wasserstoff 295

6 Aufbau 298

6.1 Karosseriebauweisen 2986.1.1 Selbsttragende Karosserie 298

6.1.1.1 Entwicklungsanlorderungen 2986.1.1.2 AuBenhaut 298

6.1.1.2.1 Design 2986.1.1.2.2 Aerodynamik und Acroakustik 299

6.1.1.3 Package 3006.1.1.4 Karosseriestruktur 301

6.1.1.4.1 Unterboden 3016.1.1.4.2 Aufbau 3036.1.1.4.3 Zusammenbau Seitenwand 3046.1.1.4.4 Dach 3046.1.1.4.5 Anbauteile 3056.1.1.4.6 Verbindungstechnik 305

6.1.1.5 Karosserieeigenschaften 3066.1.1.5.1 Zusammenbautoleranzen 3066.1.1.5.2 Karosseriesteifigkeiten 3076.1.1.5.3 Aufprallverhalten 307

6.1.1.6 Ausblick 3086.1.2 Space-Frame/Beplankungen 308

6.1.2.1 Einleitung 3086.1.2.2 AUDI-Space-Frame-Konzept 3096.1.2.3 Werkstoffe 3106.1.2.4 Bauelemente des ASF 3116.1.2.5 Fertigungstechnik 3126.1.2.6 Eigenschaften des ASF 3136.1.2.7 Energiebilanz 3146.1.2.8 Ausblick 316

6.1.3 Cabriolet 3166.1.3.1 Einfiihrung 3166.1.3.2 Rohbau 317

6.1.3.2.1 Karosseriesteifigkeit 3186.1.3.2.2 Karosserietilger 318

6.1.3.3 UnfallfolgenmilderndeSicherheit 3196.1.3.4 Tiiren 3196.1.3.5 Verdeck 319

6.1.3.5.1 Verdeckaufbau 3206.1.3.5.2 Textilumfang 3206.1.3.5.3 Dichtungen 320

6.1.4 Mischbauweise 3216.2 Materialien der Karosserie 330

6.2.1 Metalle im Karosseriebau 331

XVIII Inhaltsverzeichnis

6.2.2 Nichtmetalle im Karosseriebau 3426.2.3 Multifunktionale Materialien im Karosseriebau - smart materials - der Zukunl't 345

6.3 Oberflachenschutz 3476.3.1 Nutzen des Oberflachenschutzes 347

6.3.1.1 Korrosionsschutz 3476.3.1.2 Oberflachenschutz 3486.3.1.3 Transportschutz 348

6.3.2 Entwicklung und Produktion des Oberflachenschutzes 3486.3.2.1 Blechvorbeschichtung 3496.3.2.2 MaBnahmen in der Karosseriekonstruktion 3496.3.2.3 MaBnahmen in der Produktion 350

6.3.2.3.1 Kleben und Dichten 3506.3.2.3.2 Vorbehandlung 3506.3.2.3.3 Elektrotauchlackierung 3526.3.2.3.4 Grand- und Decklackierung 353

6.3.2.4 Hohlraumkonservierung und Unterbodenschutz 3546.3.2.4.1 Hohlraumkonservierung 3546.3.2.4.2 Unterbodenschutz 355

6.3.2.5 Transportschutz 3556.3.3 Ausblick 355

6.4 Fahrzeuginnenraum 3566.4.1 Ergonomie und Komfort 356

6.4.1.1 Ergonomische Anforderungen an das ..Gesamtfahrzcug" 3566.4.1.2 Ergonomische Grundauslegungen 3596.4.1.3 Entwicklungsmethoden, Einbindung der Ergonomie

in dem Entstehungsprozess 3636.4.2 Kommunikationssysteme und Navigation 366

6.4.2.1 Ziele und Losungen 3666.4.2.2 Autoradio 366

6.4.2.2.1 RDS (Radio Data System) 3676.4.2.2.2 TMC 3676.4.2.2.3 DARC 368

6.4.2.3 DAB 3686.4.2.4 Autotelefon 368

6.4.2.4.1 Einbau von Handys ins Fahrzeug 3696.4.2.4.2 Festeinbautelefone 3696.4.2.4.3 Radiophone 369

6.4.2.5 Bakenkommunikation 3706.4.2.6 Navigation 370

6.4.2.6.1 Dynamische Navigation 3706.4.2.7 Verkehrstelematik 3716.4.2.8 Fahrerinformationssysteme 371

6.4.3 Innenraumbehaglichkeit/Thermischer Komfort 3726.4.3.1 Komfortbediirfnisse des Autofahrers 3736.4.3.2 Funktionen und Aufbau des Klimagerates 374

6.4.3.2.1 Funktionen des Klimagerates - Luft fordern 3756.4.3.2.2 Funktionen des Klimagerates - Luft temperieren

und entfeuchten 3756.4.3.2.3 Funktionen des Klimagerates - Luft verteilen 3766.4.3.2.4 Funktionen des Klimagerates - Luft reinigen 3776.4.3.2.5 Bauformen des Klimagerates 3786.4.3.2.6 Auslegung des Klimagerates 379

6.4.3.3 Regelung von Klimaanlagen 3796.4.3.3.1 Automatisierungsgrade 3796.4.3.3.2 Bedienung von Klimaanlagen, Ergonomie 3806.4.3.3.3 Stellantriebe und Sensoren 381

6.5 Fahrzeugsicherheit 3826.5.1 Allgemein ['"' ^ " " 382

Inhaltsverzeichnis XIX

6.5.26.5.36.5.4

Gebiete des Fahrzeussicherheit VS3Daten der UnfallstatistikBiomechanik und Schutzkriterien6.5.4.1

6.5.5

6.5.6

6.5.7

6.5.8

6.5.9

6.5.10

6.5.11

6.5.12

7 Fahrwerk . . . .

Biomechanik6.5.4.1.1 Grundlagen6.5.4.1.2 Belastungsgrenzen

6.5.4.2 Schutzkriterien6.5.4.3 Simulationseinrichtungen

6.5.4.3.1 Kopf6.5.4.3.2 Rumpf6.5.4.3.3 Gesamtkorper

Quasistatische Anforderungen an die Karosserie6.5.5.1 Sitz- und Sicherheitsgurtverankungspunkt-Test6.5.5.2 Dachfestigkeit6.5.5.3 Seitenstruktur 391Dynamische Fahrzeugkollision 3926.5.6.1 Frontale Kollision 3926.5.6.2 Seitliche Kollision 3946.5.6.3 Heckkollision und Fahrzeugiiberschlag 3946.5.6.4 Karosserie 395

385387387387387389390390390390391391391

Insassenschutz6.5.7.1 Fahrzeucinnenraum6.5.7.2

395395395396396397397398398399399400400401401

Riickhaltesysteme6.5.7.2.1 Sicherheitsgurte6.5.7.2.2 Kinderriickhaltes\ steme6.5.7.2.3 Airbag-Sy steme6.5.7.2.4 Sitze. Sitzlehne und Kopt'stiitze

Zusammenwirken von Riickhaltesystemen und Fahrzeug6.5.8.1 Unangegurteter6.5.8.2 Dreipunktgurt6.5.8.3 Airbag-Systeme6.5.8.4 Einflusse auf die Leistungsfahigkeit der RuckhaltesystemeSeitenkollisionen6.5.9.1 Theoretische Betrachtung6.5.9.2 In den USA definierter SeitenaufpralltestKompatibilitat 4026.5.10.1 Allgemeine Aussage 4026.5.10.2 PKW/LKW-Kollision 4036.5.10.3 Die FuBgangerkollision 403Rechnemnterstiitzung bei der Entwicklung von Sicherheitskomponenten 404

404405405406406406407408

409

409409409410410

6.5.16.5.16.5.16.5.16.5.1

.1 Grundlagen

.2 Beschreibung der numerischen Werkzeuge

.3 Komponentenberechnung

.4 Gesamtfahrzeugauslegung

.5 Gesamtmodell6.5.1 1.5.1 Fahrzeugmodell6.5.1 1.5.2 Insassensimulation

Zusammenfassung

7.1 Allgemeines7.1.1 Definition des Begriffs Fahrwerk7.1.2 Aufgaben des Fahrvverks7.1.3 Fahrdynamik und Fahrwerkskrafte

7.1.3.1 Querdynamik: Fahrwerkskrafte in Querrichtung

7.1.3.2

7.1.3.1.1 Lenken der Rader 4107.1.3.1.2 Stabilisiercn des Fahrzeugs aul eincr vorgegebenen Balm 41 ILangsdynamik: Fahrwerkskrafte in Fahr/euglangsrichtung 412

XX Inhaltsverzeichnis

7.1.3.3 Vertikaldynamik: Fahrwerkskrafte in Fahrzeughochrichtung 4127.1.4 Basis-Zielkonflikt 413

7.2 Bremsen 4157.2.1 Einfiihrung 4157.2.2 Grundlagen von Bremssystemen 415

7.2.2.1 Physikalische Grundlagen 4157.2.2.2 Arten von Bremsanlagen 4157.2.2.3 Gesetzliche Vorschriften 4167.2.2.4 Bremskreisaufteilungen 4167.2.2.5 Bremsvorgang 4167.2.2.6 Bremsauslegung 417

7.2.2.6.1 Bremskraftverteilung (BKV) 4177.2.2.6.2 BKV-Diagramm 4187.2.2.6.3 Dimensionierung 4187.2.2.6.4 Thermische Auslegung 4187.2.2.6.5 Pedalcharakteristik (Ergonomie) 418

7.2.3. Radbremse 4197.2.3.1 Trommelbremsen 419

7.2.3.7.2.3.7.2.3.7.2.3.7.2.3.7.2.3.

. 1 Feststellbremse 419

.2 Simplex Trommelbremse 419

.3 Duplex Trommelbremse 420

.4 Duo-Servo-Trommelbremsen 420

.5 Bremstrommeln 420

.6 Berechnung von Trommelbremsen 4217.2.3.2 Scheibenbremsen 421

7.2.3.2.1 Scheibenbremsen-Bauformen 4217.2.3.2.2 Bremsscheiben 4227.2.3.2.3 Festsattel 4227.2.3.2.4 Rahmensattel 4237.2.3.2.5 Faustsattel 4237.2.3.2.6 Optimierte Faustsattelkonstruktionen 4237.2.3.2.7 Berechnung der Scheibenbremsen 4237.2.3.2.8 Kombinierter Faustsattel 424

7.2.3.3 Werkstoffe 4247.2.3.4 Bremsbeliige 425

7.2.4 Betiitigung 4257.2.4.1 Tandem-Hauptzylinder 425

7.2.4.1.1 Schnuffelloch-Tandem-Hauptzylinder 4257.2.4.1.2 Zentralventil-Tandem-Hauptzylinder 4267.2.4.1.3 Plunger-Tandem-Hauptzylinder 426

7.2.4.2 Behiilter 4277.2.4.3 Bremskraftverstarker 427

7.2.4.3.1 Vakuum-Bremskraftverstarker 4277.2.4.3.2 Vakuumpumpe 4287.2.4.3.3 Funktionserweiterte Vakuum-Bremskraftverstarker 4297.2.4.3.4 Hydraulik-Bremskraftvertstarker 429

7.2.4.4 Bremskraftverteiler 4297.2.4.4.1 Bremsdruckbegrenzer 4307.2.4.4.2 Druckabhiingige Druckminderer (festeingestellt) 4307.2.4.4.3 Lastabhangige Druckminderer 430

7.2.4.5 Ubertragungseinrichtungen (Verbindungen) 4307.2.4.6 Bremsfliissigkeit 430

7.2.5 Elektronische Regelsysteme 4317.2.5.1 Allgemeines ' " " " ~ " ' " ' " ^ ^ ~ ' " " " " 4317.2.5.2 Physikalische Grundlagen 431

7.2.5.2.1 Dynamik des gebremsten oder angetriebenen Rades 4317.2.5.2.2 Kraftschluss in Langsrichtung 4317.2.5.2.3 Kraftschluss in Querrichtung 432

Inhaltsverzeichnis XXI

7.2.5.2.4 Kombination des Kralischlusses in Langs- und Quen'ichlung 4327.2.5.3 Sensoren fiir elektronischc (Brems-)Regels\ steme 433

7.2.5.3.1 Radsensorcn 4337.2.5.3.2 Wegsensor in der Betiitigung 4357.2.5.3.3 Beschleunigungsschalter/Beschleunigungssensor 4357.2.5.2.4 Lenkradvvinkelsensor 4357.2.5.3.5 Querbeschleunigungssensor 4357.2.5.3.6 Gierratensensor 4357.2.5.3.7 Drucksensor 436

7.2.5.4 Hydraulisch/elcktronische Regeleinheitliir elektronische (Brems-)Regelsysteme 436

7.2.5.5 Elektronische Regeleinheit fiir elektronische (Brems-)Regelsvstem 4377.2.5.6 Bremsen mit AbS 437

7.2.5.6.1 ABS-Funktionalital 4377.2.5.6.2 Arbeitsbereich des ABS 438

7.2.5.7 Elektronische Bremskraftverteilung (EBV) 4397.2.5.8 Erweitertes Stabilitats-Bremssystem (ESBS) 4407.2.5.9 Antriebssehlupfregelung (ASR) 440

7.2.5.9.1 ASR-Funktionalitat 4407.2.5.9.2 Bremsregelung der ARS (BASR) 4407.2.5.9.3 Motonegelung der ASR(MASR) 4407.2.5.9.4 Motor-Schleppmomcnten-Regclung (MSR) 440

7.2.5.10 Elektronisch.es Slabilitals Programm (1-ISP) 4407.2.6 Assistenzsysteme 441

7.2.6.1 Bremsassistent (BA) 4417.2.6.1.1 Elektronischer Bremsassistenl 4417.2.6.1.2 Mechanischer Bremsassistent 4427.2.6.1.3 Hydraulischer Bremsassistenl 442

7.2.7 Entvvicklung zukiinftiger Bremssysteme 4437.2.7.1 Elektrische Parkbremse (EPB) und aktive Parkhremse (APB) 4437.2.7.2 Elektro-Hydraulische Bremse (EHB) 4447.2.7.3 Elektro-Mechanische Bremse (EMB) 445

7.3 Reifen 4477.3.1 Einfuhrung 4477.3.2 Reifenaufbau 4477.3.3 Anforderungen an Reifen 448

7.3.3.1 Gebrauchseigenschaften 4487.3.3.2 Gesetzliche Anforderungen 4527.3.3.3 Reifen und Rader. Normung 452

7.3.4 Kraftiibertragung Reifen - Fahrbahn 4537.3.4.1 Tragverhalten 4537.3.4.2 Kraftschlussverhalten. Aufbau von Horizontalkraften 4537.3.4.3 Antreiben und Bremsen. Umfangskratte 4537.3.4.4 Schraglauf. Krafte und Momente 4547.3.4.5 Reifen unter Quer- und Langsschlupf 4557.3.4.6 Rcifengleichformigkeit 455

7.3.5 Reifen als integraler Baustein des Gesamtsystems lahrzeug 4567.3.5.1 Reifenmechanik. Materialeigenschaften 4577.3.5.2 Reifenmodelle 4587.3.5.3 Gesamtmodelle 4587.3.5.4 Beschreibung des Fahrverhaltens 4597.3.5.5 Synergien zwischen Reifen und anderen Swemkompnnenten 459

7.3.6 Zukiinftige Reifentechnologien 4597.3.6.1 Reifensysteme mit N'otlaufeigenschatten 4597.3.6.2 Reitenbezogene Zusatzprodukte 4597.3.6.3 Auf Reifen abgestimmte Komponenten im Federungs\\stem 4597.3.6.4 Zusatzfunktionen bei Reifen 4597.3.6.5 Materialentwicklum: 459

XXII Inhaltsverzeichnis

7.4 Fahrwerkauslegung 4607.4.1 Kinematik der Radaufhangung 460

7.4.1.1 Radhubkinematik 4607.4.1.2 Lenkinematik 462

7.4.2 Elastokinemtik 4637.4.2.1 Wirkung von Bauteilelastizitaten 4637.4.2.2 Elastomerlager 4647.4.2.3 Wirkung auBerer Krafte 466

7.4.3 Radaufhangungen 4697.4.3.1 Starrachsen 4707.4.3.2 Einzelradaufhangungen 4717.4.3.3 Verbundachsen 473

7.4.4 Federung, Dampfung. Stabilisatoren 4747.4.4.1 Tragfeder 4747.4.4.2 Stabilisierung 4787.4.4.3 Schwingungsdampfung 4797.4.4.4 Vertikaldynamiksysteme 4817.4.4.5 Ausblick 485

7.4.5 Lenkung 4867.4.5.1 Lenkungskinematik 4877.4.5.2 Lenkgetriebe und -gestange 4967.4.5.3 Lenkunterstiitzung 497

7.4.6 Aktive Lenksysteme 5017.4.6.1 Einleitung 5017.4.6.2 Aktive Vorderradlenkungen 502

7.4.6.2.1 Aktive Servolenkungen 5027.4.6.2.2 Uberlagerungslenkungen 5037.4.6.2.3 ,,Steer by wire"-Lenksysteme 503

7.4.6.3 Aktive Hinterradlenkungen 5057.4.6.3.1 Hinterradlenkungen ohne fahrdynamische Regclung 5067.4.6.3.2 Hinterradlenkungen mit fahrdynamischer Regelung 507

7.5 Beurteilungskriterien 5097.5.1 Subjektive Fahreigenschaftsbeurteilung 5097.5.2 Objektive Fahreigenschaftsbeurteilung 509

7.5.2.1 Geradeausfahrt 5117.5.2.2 Kurvenverhalten 5137.5.2.3 Ubergangsverhalten 'ZZ'"''Z 5147.5.2.4 Ausblick 515

7.6 Kraftstoffsystem 516

7.6.1 Gesetzliche und kundenspezifisehe Vorschriften 5167.6.1.1 Gesetzliche Vorschriften 5167.6.1.2 Kundenspezifisehe Vorschriften 517

7.6.2 Anordnung im Fahrzeug 5177.6.3 Systemvarianten 518

7.6.3.1 Externes Ausgleichsvolumen (z.B. BMW 3er) 5187.6.3.2 Internes Ausgleichsvolumen (z.B. Audi A4) 518

7.6.4 Kraftstoff-Behalter 5187.6.4.1 Metall-Kraftstoff-Behalter 5187.6.4.2 Kunststoff-Kraftstoff-Behalter 519

7.6.5 Fordersysteme 5207.6.5.1 Forderung des Kraftstoffs 5207.6.5.2 Elektro-Kraftstoff-Pumpe (EKP) und deren Anordnung 5207.6.5.3 Anforderungen zur elektrischen/elektronischen Systemeinbindung 5217.6.5.4 Saugstrahlpumpe .... 5217.6.5.5 Schwalltopf '...Z"'"'Z" Z..- 52-

7.6.6 Filtrierung des Kraftstoffs ...5227.6.7 Volumen-Messeinrichtung 522

7.6.7.1 Hebelgeber 523

Inhaltsverzeichnis XXIII

7.6.7.2 Tauchrohrgeber 5237.6.8 Sonderlosungen. Zusatz-Kraftstoff-Behalter 5237.6.9 Kraftstoffversorgungsanlagen fiir alternative Energien 524

7.6.9.1 Alternative Kraftstoffe 5247.6.9.2 Kundenanforderungen und gesetzliche Vorschriften 5247.6.9.3 Anordnungen im Fahrzeug 5247.6.9.4 Kraftstoffbehalter 5247.6.9.5 Fordersysteme und Volumenmessung 526

8 Elektrik/Elektronik 5288.1 Beleuchtung 528

8.1.1 Zulassung 5288.1.2 Lichttechnische Begriffe 5288.1.3 Scheinwerfer 528

8.1.3.1 Historische Entwicklung 5288.1.3.2 Scheinwerferarten 5298.1.3.3 Reflektortechnologie 5298.1.3.4 Abschlussscheibe 5318.1.3.5 Scheinwerfer-Einstellung 5328.1.3.6 Scheinwerfer-Lichtquellen 5338.1.3.7 Xenonlicht 534

8.1.4 Lichtbewertung 5358.1.5 Tagfahrlicht 5358.1.6 Zusatzscheinwerfer 5368.1.7 Signalleuchten 536

8.1.7.1 Lichtquellen liir Signalleuchten 5378.1.7.2 Bauformen 537

8.1.8 Beleuchtungsstyling 5378.1.9 Zukunftsentwicklung 538

8.2 Sensorik/Aktuatorik/Systemtechnik 5388.2.1 Einleitung 5388.2.2 Allgemeines 5398.2.3 Sensorik 5408.2.4 Aktuatorik 5428.2.5 Kabel 5438.2.6 Verbindungstechnik 5448.2.7 Grundziige der Signalverarbeitung und -iibertragung 5448.2.8 Grundziige der Steuer- und Regelungstechnik/Elektronik 5468.2.9 Systemintegration. Plattformen 5478.2.10 Offene Fragen - aktuelle Probleme 548

8.3 Bordnetz/CAN 5498.3.1 Einleitung 549

8.3.1.1 Heutige Bordnetzstrukturen 5498.3.1.2 Entwicklungstendenzen zukiinftiger Bordnetze 549

8.3.2 Klauenpolgenerator 5498.3.2.1 Aufbau und Wirkungsweise 5498.3.2.2 Leistungs- und Wirkungsgradverhalten 5508.3.2.3 Spannungsregelung 550

8.3.3 Batterien 5528.3.3.1 BatteriekenngroBen 5528.3.3.2 Betriebsverhalten von Bleibatterien 5528.3.3.3 Zweibatterienbordnetz 553

8.3.4 Zukiinftige Bordnetzarchitekturen 5538.3.4.1 Zweispannungsbordnetz 42 V/14 V 5538.3.4.2 Signal- und Leistungsverteilung 5548.3.4.3 Energiemanagement 555

8.3.5 CAN (Controller Area Network) 5568.3.5.1 Motivationen 556

Inhaltsverzeichnis

8.3.5.2 Einsatzgebiete 5568.3.5.3 Buskonfiguration 5578.3.5.4 Busvergabe und Adressierung 5578.3.5.5 Botschaftsformat 5588.3.5.6 Storungserkennung und -behandlung 5598.3.5.7 Implementierung 5598.3.5.8 Standardisierung 5608.3.5.9 Zusammenfassung 560

8.4 Multimedia Systeme im Kfz 5608.4.1 Analoge Rundfunksysteme 561

8.4.1.1 Storeinfliisse des mobilen Rundfunkempfangs 5618.4.1.2 Rundfunk Zusatzdienste 5618.4.1.3 Autoradiogerate fiir den Empfang analoger Rundfunkdienste 562

8.4.2 Digitale Rundfunksysteme 5628.4.2.1 Digital Audio Broadcasting 5638.4.2.2 Digital Radio Mondiale 5648.4.2.3 Autoradiogerate fiir den Empfang digitaler Rundfunksysteme 564

8.4.3 Multimedia Vernetzung 5648.4.3.1 Evolution der Multimedia-Vernetzung im Kfz 565

8.5 Elektromagnetische Vertraglichkeit 5668.5.1 Eigenentstorung 5668.5.2 Storfestigkeit gegen externe elektromagnetische Felder 5678.5.3 Fernentstorung 5688.5.4 Normen und Richtlinien 5688.5.5 Sicherstellung der EMV 568

9 Werkstoffe und Fertigungsverfahren 5699.1 Ein Blick zuriick 5699.2 Werkstoffe moderner Kraftfahrzeuge 571

9.2.1 Materialanteile im Automobilbau 5729.2.2 Anforderungen und Zielkonflikte 5739.2.3 Fortschritte in den Leistungsmerkmalen 573

9.2.3.1 Festigkeit und Verarbeitung 5739.2.3.1.1 Stahlwerkstoffe 5739.2.3.1.2 Leichtmetalle 5769.2.3.1.3 Edelmetalle 5839.2.3.1.4 Kunststoffe 5839.2.3.1.5 Verglasung 587

9.2.3.2 VerschleiBschutz 5889.2.3.3 Korrosionsschutz 589

9.2.4 Fortschritte in der Fiigetechnik 5919.2.4.1 SchweiBen und Loten 5919.2.4.2 Mechanische Fugeverfahren 5929.2.4.3 Kleben 594

9.2.5 Fortschritte in der Urn- und Urformung 5959.2.5.1 Metalle ,[ 5959.2.5.2 Polymere Z....ZZ'ZZZ'ZZZZ'ZZ 599

9.2.6 Fortschritte in der Umweltvertraglichkeit 6019.3 Wie geht es weiter? ...607

10 Produktentstehungsprozess 609

10.1 Simultaneous Engineering und Projektmanagement im Produktentstehungsprozess 60910.1.1 Einleitung 60910.1.2 Dersimultane Entwicklungsprozess - Simultaneous Engineering 60910.1.3 Vorentwicklung 610

10.1.3.1 Erstellung eines Lastenheftes und Programmplanung 61010.1.3.2 Prozessablaufplanung 61210.1.3.3 Simultane Planung der internen und externen Entwicklung und Fertigung 616

Inhaltsverzeichnis XXV

10.1.3.4 Analytische Konstruktion und analytischer Fertigungsprozess 61710.1.4 Serienentwicklung 618

10.1.4.1 Management des simultanen Enwicklungs- und Fertigungsprozesses 61910.1.4.2 Reduzierter Testaufwand durch weniger Protolyptestphasen 620

10.1.5 Ausblick 62110.2 Berechnung und Simulation 622

10.2.1 Einleitung 62210.2.2 Organisatorische Gesichtspunkte 62310.2.3 Methoden und Verfahren 623

10.2.3.1 Strukturberechnung 62410.2.3.2 Stromungsberechnung 62810.2.3.3 Simulationstechniken zur Unterstiitzung des Versuchs 631

10.3 Mess- und Versuchstechnik 63210.3.1 Kurzer Riickblick 63210.3.2 GrundsUtzlich.es zur Mess- und Versuchstechnik im Automobilbau 63210.3.3 Einige ausgewahlte Beispiele 63810.3.4 Zur Effizien/. der Mess- und Versuchstechnik 639

10.4 Qualitatssicherung 640

11 Automobil und Verkehr - Wie kann es weitergehen? 642

11.1 Auto und Verkehr im Spannungsfeld von Wunsch. Wissenschaft und Wirklichkeit 6421 1.2 Zur Gestaltung des Gesamtsystems Verkehr 6421 1.3 Verkehrstechnologie-Management 647I 1.4 Verkehrsorganisations-Management 648

12 Ausblick - Wo geht es hin? 650