Energieverbrauch minimieren, globale Emissionen senken – das sind die Herausforderungen, vor denen die Automobilindustrie im 21. Jahrhundert steht. Da das Interesse an Fahrkomfort ungebrochen ist, hängt der kommerzielle Erfolg eines Fahrzeugs davon ab, dass die Balance zwischen diesen Gegensätzen gelingt.
Entscheidend dabei ist das Antriebsstrangsystem, das Herzstück jedes Kraftfahrzeugs. Hier wird die Antriebskraft erzeugt, die Beschleunigung und Geschwindigkeit ebenso bestimmt wie Energieverbrauch und -effizienz. Gut nachvollziehbar stellt diese Einführung die Prinzipien des Antriebsstrangs vor. Studenten gewinnen für den konventionellen Antriebsstrang ein umfassendes Verständnis, das für die Fahrzeugentwicklung unerlässlich ist. Praktiker finden die notwendigen Voraussetzungen für die Weiterentwicklung spezieller Konzepte wie dem Antriebsstrang in Hybridfahrzeugen und fortgeschrittenen Getriebearten.
An zahlreichen durchgerechneten Beispielen sowie Aufgaben kann im Selbsttest das erlernte Wissen vertieft werden, kommentierter MATLAB®-Code erlaubt konkrete, numerische Berechnungen mit unterschiedlichen Parametern. Der systematische Ansatz der Autoren stellt Integration und Interaktionen zwischen sämtlichen Komponenten des Antriebsstrangs – vom Verbrennungsmotor über Getriebe und Achsantrieb bis hin zu Rädern und Reifen – in den Fokus.
Mit Zusatzmaterial für Dozenten unter: www.wiley-vch.de
Table of Content
Die Autoren XV
Vorwort XVII
Abkürzungen XIX
1 Fahrzeugantriebskonzepte 1
1.1 Antriebskonzepte 1
1.1.1 Systemansatz 2
1.1.2 Geschichtliches 3
1.1.3 Herkömmliche Antriebe 4
1.1.4 Hybridantriebe 4
1.2 Antriebskomponenten 6
1.2.1 Verbrennungsmotor 7
1.2.2 Kraftübertragung 7
1.2.3 Fahrzeugaufbau 7
1.2.4 Systemfunktionen 7
1.3 Fahrzeugleistung 8
1.4 Verhalten des Fahrers 12
1.5 Die Bedeutung der Modellierung 13
1.6 Ziel dieses Buches 15
1.7 Allgemeines zu den Literaturhinweisen 15
Literatur 16
2 Merkmale der Leistungserzeugung bei Verbrennungsmotoren 17
2.1 Einleitung 17
2.2 Grundprinzipien der Leistungserzeugung beim Verbrennungsmotor 18
2.2.1 Betriebsarten von Verbrennungsmotoren 18
2.2.2 Der Verbrennungsvorgang 22
2.2.3 Betrachtung der Thermodynamik des Verbrennungsmotors 25
2.2.4 Merkmale der Motorleistungsabgabe 42
2.2.5 Variationen des Zylinderdrucks 44
2.3 Modellierung von Verbrennungsmotoren 48
2.3.1 Maschinenkinetik 49
2.3.2 Motordrehmoment 59
2.3.3 Ein vereinfachtes Modell 67
2.3.4 Das Schwungrad 77
2.4 Mehrzylindermotoren 81
2.4.1 Zündfolge 81
2.4.2 Motordrehmoment 85
2.4.3 Annähernd gleichförmiges Motordrehmoment 90
2.5 Drehmomentkennfelder 93
2.5.1 Motorenprüfstände 94
2.5.2 Rollenprüfstände 96
2.5.3 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien 98
2.6 Zauberformel des Motordrehmoments 105
2.6.1 Konvertierung von Teillastkurven 106
2.6.2 Die MT-Formel 107
2.6.3 Auswertung 108
2.7 Motormanagementsystem 109
2.7.1 Aufbau 110
2.7.2 Sensoren 111
2.7.3 Kennfelder und Look-up-Tabellen 112
2.7.4 Kalibrierung 114
2.8 Ausgangsleistung 115
2.8.1 Mechanischer Wirkungsgrad des Motors 116
2.8.2 Antriebe von Nebenaggregaten 117
2.8.3 Auswirkung durch Umgebungsbedingungen 118
2.9 Fazit 127
2.10 Wiederholungsfragen 128
2.11 Aufgaben 129
2.12 Weiterführende Literatur 132
Literatur 133
3 Dynamik der longitudinalen Bewegung von Fahrzeugen 135
3.1 Einleitung 135
3.2 Drehmomenterzeuger 135
3.2.1 Verbrennungskraftmaschinen 136
3.2.2 Elektromotoren 137
3.3 Traktionskraft 139
3.3.1 Entstehung der Reifenkraft 140
3.3.2 Mathematische Beziehungen für die Traktionskraft 144
3.3.3 Traktionskurven 150
3.4 Widerstandskräfte 152
3.4.1 Rollwiderstand 153
3.4.2 Aerodynamik des Fahrzeugs 157
3.4.3 Steigungen/Gefälle 162
3.4.4 Gegenkraftdiagramme 164
3.4.5 Ausrolltest 164
3.5 Fahrzeug-Performance bei konstanter Leistung (CPP) 166
3.5.1 Maximale Leistungsabgabe 166
3.5.2 Annahme einer stufenlosen Übersetzung 167
3.5.3 Geltende Gleichungen 170
3.5.4 Lösung der geschlossener Form 173
3.5.5 Numerische Lösungen 174
3.5.6 Leistungsanforderungen 177
3.5.7 Fahrzeit und Fahrstrecke 180
3.5.8 Höchstgeschwindigkeit 184
3.6 Performance bei konstantem Drehmoment (CTP) 187
3.6.1 Lösung der geschlossener Form 188
3.6.2 Numerische Lösungen 191
3.7 Performance mit fest vorgegebener Last (FTP, Fixed Throttle Performance) 196
3.7.1 Schaltvorgang und Traktionskraft 197
3.7.2 Beschleunigung, Geschwindigkeit und Fahrstrecke 200
3.7.3 Schaltzeitpunkte 204
3.7.4 Maximaldrehzahl in jedem Gang 205
3.7.5 Optimale Beschleunigungs-Performance 208
3.7.6 Leistungsaufnahme 210
3.8 Gaspedalzyklusleistung (PCP, Pedal Cycle Performance) 213
3.9 Wirkung rotierender Massen 215
3.9.1 Korrekturen an den vorherigen Analysen 222
3.10 Reifenschlupf 224
3.11 Performance an Steigungen 227
3.11.1 Fahrzeug-Performance bei konstanter Leistung (CPP) 228
3.11.2 Performance bei konstantem Drehmoment (CTP) 229
3.11.3 Performance bei unveränderlichem Drosselwert (FTP) 231
3.11.4 Variable Steigungen 233
3.12 Ausrollversuche 233
3.12.1 Konstanter Rollwiderstand 235
3.12.2 Rollwiderstand als Funktion der Geschwindigkeit 238
3.12.3 Trägheit rotierender Massen 240
3.13 Verluste im Antriebsstrang 243
3.13.1 Wirkungsgrade der Komponenten 243
3.13.2 Umkehrung des Drehmomentflusses 247
3.13.3 Wirkung des Rollwiderstands 248
3.14 Fazit 249
3.15 Wiederholungsfragen 250
3.16 Aufgaben 251
3.17 Weiterführende Literatur 261
Literatur 262
4 Kraftübertragung 263
4.1 Einleitung 263
4.2 Notwendigkeit eines Getriebes 263
4.3 Auslegung der Getriebeübersetzungen 266
4.3.1 Niedrigste Gangstufe 266
4.3.2 Höchste Gangstufe 273
4.3.3 Gangabstufungen 281
4.3.4 Sonstige Einflussfaktoren 291
4.4 Getriebekinematik und Zähnezahlen 293
4.4.1 Standardverzahnung 295
4.4.2 Planetengetriebe 299
4.5 Manuelle Schaltgetriebe 303
4.5.1 Aufbau und Betrieb 303
4.5.2 Trockenkupplungen 306
4.5.3 Membranfedern 318
4.5.4 Dynamische Vorgänge beim Einkuppeln 330
4.6 Automatische Getriebe 357
4.6.1 Konventionelle Automatikgetriebe 358
4.6.2 Automatisierte Handschaltgetriebe 362
4.6.3 Doppelkupplungsgetriebe (DCT) 363
4.7 Stufenlose Getriebe 369
4.7.1 Klassifizierung 370
4.7.2 Reib-CVTs 371
4.7.3 Ratschen-CVTs 374
4.7.4 Nicht mechanische CVTs 376
4.7.5 Leerlauf und Start 378
4.8 Fazit 378
4.9 Wiederholungsfragen 379
4.10 Aufgaben 380
4.11 Weiterführende Literatur 389
Literatur 390
5 Kraftstoffverbrauch 391
5.1 Einleitung 391
5.2 Energieverbrauch des Verbrennungsmotors 392
5.2.1 BSFC-Kennfelder 392
5.2.2 Spezifischer Kraftstoffverbrauch und Motorwirkungsgrad 395
5.3 Fahrzyklen 396
5.3.1 Typische Fahrzyklen 398
5.3.2 Berechnungen 399
5.3.3 Fahrzeugtests 402
5.4 Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs 402
5.4.1 Berechnung des Kraftstoffverbrauchs ohne Kennfeld 405
5.4.2 Berechnung des Kraftstoffverbrauchs mit Kennfeld 409
5.4.3 Wirkung rotierender Massen 413
5.5 Effekte der Schaltvorgänge 414
5.5.1 Wirkung des Schaltvorgangs auf die EOP 414
5.5.2 Effiziente Betriebspunkte 419
5.6 Software 424
5.6.1 Lösungskonzepte 424
5.6.2 ADVISOR® 426
5.7 Automatisierte Schaltvorgänge 427
5.7.1 Zustand des Motors 428
5.7.2 Absichten des Fahrers 428
5.7.3 Kombinierte Schaltvorgänge 429
5.7.4 Steuergerät 429
5.7.5 Vielganggetriebekonzept 430
5.8 Andere Lösungen zur Kraftstoffeffizienz 431
5.8.1 Verbesserungen an Antriebskomponenten 432
5.8.2 Leichtbaufahrzeuge 433
5.8.3 Der Verbrennungsmotor 435
5.8.4 Kraftübertragung 436
5.9 Fazit 438
5.10 Wiederholungsfragen 439
5.11 Aufgaben 440
5.12 Weiterführende Literatur 444
Literatur 446
6 Dynamik des Antriebsstrangs 447
6.1 Einleitung 447
6.2 Modellierung der Antriebsdynamik 448
6.2.1 Modellierungsverfahren 448
6.2.2 Lineare und nicht lineare Modelle 451
6.2.3 Softwarenutzung 452
6.3 Bondgraph-Modelle von Antriebskomponenten 453
6.3.1 Der Motor 453
6.3.2 Die Kupplung 454
6.3.3 Das Getriebe 455
6.3.4 Kardan- und Antriebswellen 456
6.3.5 Das Differenzial 457
6.3.6 Das Rad 459
6.3.7 Fahrzeug 460
6.4 Modelle des Antriebsstrangs 460
6.4.1 Vollständiges Modell des Antriebsstrangs 461
6.4.2 Geradeausfahrt 461
6.4.3 Starrkörpermodell 462
6.4.4 Antriebsstrang mit Nachgiebigkeit der Kupplung 464
6.4.5 Antriebsstrang mit Nachgiebigkeit der Antriebswellen 464
6.4.6 Antriebsstrang mit Nachgiebigkeit in Kupplung und Antriebswellen 465
6.5 Analyse 466
6.5.1 Effekt der Kupplungsnachgiebigkeit 467
6.5.2 Wirkung der Nachgiebigkeit der Antriebswelle 469
6.5.3 Wirkung von Kupplungs- und Antriebswellennachgiebigkeit 473
6.5.4 Frequenzgänge 476
6.5.5 Verbesserungen 483
6.6 Fazit 484
6.7 Wiederholungsfragen 484
6.8 Aufgaben 485
6.9 Weiterführende Literatur 490
Literatur 490
7 Hybridelektrische Fahrzeuge 491
7.1 Einleitung 491
7.2 Arten von hybridelektrischen Fahrzeugen 492
7.2.1 Grundlegende Klassifizierung 492
7.2.2 Grundlegende Betriebsarten 495
7.2.3 Sonstige Derivate 496
7.2.4 Hybridisierungsgrad 501
7.3 Power-split-Vorrichtungen 503
7.3.1 Einfache PSD 503
7.3.2 EM-Verbund-PSD 513
7.4 HEV-Komponenteneigenschaften 522
7.4.1 Der Verbrennungsmotor 523
7.4.2 Elektrische Maschinen 523
7.4.3 Die Batterie 528
7.5 HEV-Leistungsanalyse 538
7.5.1 Serielles HEV 538
7.5.2 Parallel-HEV 543
7.6 Dimensionierung von HEV-Komponenten 545
7.6.1 Allgemeine Überlegungen 548
7.6.2 Performance-Auslegung 550
7.6.3 Optimale Dimensionierung/Auslegung 576
7.7 Leistungsmanagement 578
7.7.1 Steuerungspotenzial 579
7.7.2 Steuerung 585
7.8 Fazit 587
7.9 Wiederholungsfragen 588
7.10 Aufgaben 589
7.11 Weiterführende Literatur 591
Literatur 592
Anhang: Einführung in die Modellierung mit Bondgraphen 593
A.1 Grundlegendes Konzept 593
A.2 Standardelemente 594
A.2.1 Quellen 594
A.2.2 Passive Elemente 595
A.2.3 Zweitor-Elemente 596
A.2.4 Junctions 599
A.3 Erstellen von Bondgraphen 600
A.4 Bewegungsgleichungen 603
A.4.1 Kausalität 603
A.4.2 Vorgehensweise bei der Zuweisung 605
A.4.3 Nummerierung von Bondgraphen 606
A.4.4 Komponentengleichungen 607
A.4.5 Vereinfachen von Bondgraphen 607
A.4.6 Ableitung der Bewegungsgleichungen 608
Stichwortverzeichnis 613
About the author
Behrooz Mashadi ist Professor in der Abteilung Fahrzeugbau an der Teheraner Universität für Wissenschaft und Technologie. Seinen Doktorgrad hat er von der Universität Leeds erhalten, an der er in Zusammenarbeit mit David Crolla zum Antriebsstrang in Kraftfahrzeugen geforscht hat.
David Crolla war Professor für Fahrzeugbau an den Universitäten Leeds, Sunderland und Cranfield. Nach seinem Abschluss an der Universität Lougborough hat er zunächst als Entwicklungsingenieur von Offroad-Fahrzeugen gearbeitet, bevor er Leiter der Abteilung Maschinenbau an der Universität Leeds wurde. David Crolla war Chefredakteur der ‘Encyclopedia of Automotive Engineering’.
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