Die Technische Physik des Kraftwagens

204 Pages·1961·8.785 MB·German

by  Prof. Dr. Erich Wintergerst (auth.)

Technische Physik in Einzeldarstellungen
Herausgegeben von W. Meissner und F. Nabauer
Band 2
Die Technische Physik
des Kraftwagens
Von
Prof. Dr. Erich Wintergerst
Zwei te neuhearheitete Auflage
Mit 198 Ahbildungen
Springer-Verlag / Berlin· Gottingen . Heidelberg
J. F. Bergmann / Munchen
1961
Aile Rechte. Insbesondere das der tJbersetzung In fremde Sprachen. vorbehalten
Ohne ausdrilckllche Genehmlgung des VerI ages 1st es auch n1cht gestattet.
d1eses Buch oder Telle daraus auf photolIlechanlschem Wege
(Photokople. Mlkrokople) zu vervlelfaltlgen
Copyright 1940 by Julius Springer. Berlin
ISBN-13: 978-3-642-86377-6 e-ISBN-13: 978-3-642-86376-9
DOl: 10.1007/978-3-642-86376-9
© by Springer-Verlag OHG_. Berlln/Gllttlngen/Heldelberg 1961
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1961
Die Wledergabe von Gebrauchsnamen. Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw, In
d1esem Buche berechtlgt auch ohue besondere Kennzelcbnung nicht zu der Annahme.
daB solche Na men 1m Sinne derWarenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung alsfrel
zu betrachten waren und daher V'ln jedermann benutzt werden dutften
Vorwort zur zweiten Auflage
In dem beschrankten Rahmen der vorliegenden Schrift ist es nicht
moglich, aIle Fragen der technischen Physik des Kraftwagens ersch6p
fend zu behandeln. Es war deshalb erforderlich, von vomherein eine ge
wisse Beschrankung des Stoffes vorzunehmen. Bei der Auswahl der be
handelten Fragen wurden diejenigen bevorzugt, bei welchen man an
nehmen kann, daB sie Ingenieure oder Physiker, welche etwas mehr in
das Wesen des Kraftwagens eindringen wollen, besonders interessieren
konnen.
Wo es erforderlich war, sind auch umfangreichere Rechnungen wieder
gegeben. Die Auswertung ist jedoch so dargestellt, daB das Ergebnis auch
dem Leser verstandlich ist, der die Ableitung ubersprungen hat. Bei der
Wiedergabe der Ergebnisse ist weitgehend von der graphischen Darstel
lung Gebrauch gemacht und es sind nach Moglichkeit praktische Bei
spiele zu Grunde gelegt.
Einige Abschnitte sind in der 2. Auflage neu hinzugekommen. z. B.
ein Abschnitt uber die Stabilitat des rollenden Fahrzeuges, sowie Ab
schnitte uber verschiedene akustische Fragen.
Das Buchlein ist nicht als Nachschlagewerk fur Leute gedacht, welche
sich mit Fragen der Forschung oder Entwicklung auf irgendeinem Gebiet
des Kraftfahrwesens beschaftigen. SoIche Leser werden vielmehr stets
den Eindruck gewinnen, daB das Spezialgebiet, mit welchem sie sich selbst
befassen, vie1 zu kurz behandelt ist.
Gebiete, welche vielfach in zusammenfassenden Werken behandelt
sind, wie etwa die Thermodynanlik des Motors, werden nur kurz gest,reift.
Das Literaturverzeichnis stellt nur eine Auswahl dar. Auf dem Gebiete
der Kraftfahrtforschung erschienen in den letzten J ahren so zahlreiche
Veroffentlichungen, daB nur ein kleiner Bruchteil davon zitiert werden
konnte. Leser, welche weiter in einzelne Fragen eindringen mochten, wer
den jedoch im allgemeinen bei den zitierten Arbeiten weitere Literatur
hinweise finden.
Den technisch-physikalischen Gesichtspunkten entsprechend ist das
Buch in Abschnitte gegliedert, welche warmetechnische, mechanische,
elektrische, akustische und optische Fragen betreffen, wobei nicht zu um
gehen war, daB einzelne Probleme an verschiedenen Stellen beriihrt
werden.
IV Vorwort zur zweiten Auflage
Herrn Prof. W. MEISSNER, der mich seinerzeit zu dieser Arbeit an
geregt hat, bin ich fUr die Durchsicht meiner Entwfirfe und fiir viele
wertvolle Anregungen zu groBem Dank verpfiichtet. Dem Verlag danke
ich fUr sein vielfaches Entgegenkommen, insbesondere auch bei der Her
stellung der zahlreichen Abbildungen.
Stuttgart, Oktober 1960 ERICH WINTERGERST
Inhaltsverzeichnis
Seite
I. Warmetechnische Fragen ...................................... .
1. Erzeugung der mechanischen Leistung ........................... .
a) Thermodynamik des Verbrennungsmotors ...................... .
b) Kraftstoffe ................................................. .
Eigenschaften der Kraftstoffe S. 3. - Klopfen S. 6.
c) Vergaser .................................................... 14
Anforderungen an den Vergaser S. 14. - Einfache Diise S. 15. -
Verbesserungen der einfachen Diise S. 16.
d) Verfiigbare Motorleistung ..................................... 18
e) AlmIichkeitsbetrachtungen .................................... 20
EinzyHndermaschine S. 21. - Mehrzylindermaschine S. 22. -
Reibungsverluste S. 22.
2. Kiihlung des Motors ............................................ 23
a) Grundziige der WiiImeiibertragung ............................. 23
b) Fliissigkeitskiihlung .......................................... 26
c) Luftkiihlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3. ErwiiImung der Reifen .......................................... 31
4. Erwarmung der Bremsen ........................................ 34
II. Mechanische Fragen ............................................ 36
1. Schwingungserscheinungen am Motor ............................. 36
a) Massenausgleich ............................................. 36
Umlaufende Massen S. 36. - Hin- und hergehende Massen S. 36.
Einzylindermaschinen S.38. - Reihenmotoren S.38. - Stern
motoren S. 39. - V-Motoren S. 39.
b) Elastische Lagerung des Motors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Verteilung der Puffer S. 44.
2. Vbertragung der Motorleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
a) Getriebe und Kupplung . .... .... . .. .. . . . . . . . . . . . .. .. .. .. . .. .•. 45
Vorgange beim Anfahren S.46. - Regelkennlinie des Getriebes
S.47.
b) Fliissigkeitsgetriebe .......................................... 48
Fottingerkupplung S. 49. - Fottingerwandler S. 53.
3. Schmierung ..... . . ............. .......... . . . . . . . ..... .. . . ...... 57
Eigenschaften der SchmierOle S. 58. - Verbesserung der Ole durch
Zusatze S. 61. - Veranderung der Schmiermittel im Betriebe S. 62.
EinfluB der gleitenden Flachen S. 62. - WaBrige Schmiermittel
S. 62. Einlaufen S. 63. - Kaltstart S. 63.
VI Inhaltsverzeichnis
Seite
4. Die Federung des Kraftwagens ................................... 64
Wirlrnng der Fahrerschiitterungen S. 64. - Eigenschaften der Wa-
gen-und Reifenfederung S. 66. - Vereinfachungen fUr die Rechnung
S. 69. - Dberfahren einereinzelnen Bodenunebenheit S. 70. - Peri
odische Erregung S. 78. - Beriicksichtigung von Radmasse und Rei
fenelastizitat S. 81. - Dii.mpfung der Nickschwingungen S. 84. -
Dampfung durch trockene Reibung S. 85. - Andere Dampfung
S. 87. - Zusammengesetzte Federanordnung S. 88. - Abspringen
der Rader von der Fahrbahn S. 91.
5. Lenkung ...................................................... 93
a) Lenkgetriebe ................................................ 93
Bedingung des gleitungsfreien Rollens S. 93. - Fehlerfreie Lenk
getriebe S. 94. - Lenktrapez S. 95.
b) Lenkungsschwingungen ....................................... 98
6. Fahrwiderstande ............................................... 102
a) Rollwiderstand .............................................. 102
b) Luftwiderstand .............................................. 104
Stromungstechnische Grundlagen S.104. - Luftwiderstandsleistung
S. 107. - MeBverfahren S. 107. - Verringerung des Luftwiderstandes
S. 110. - Auftriebs-und Seitenkrafte S. 112.
7. Kraftiibertragung zwischen Reifen und Fahrbahn .................. 113
a) Trockene Fahrbahn .......................................... 113
b) NasseFahrbahn ............................................. 119
c) Bremsung ................................................... 122
Bremsweg S. 122. - Blockieren der Rader S. 123.
d) Betatigung der Bremsen ...................................... 125
8. Die Stabilitat des rollenden Fahrzeuges ........................... 125
III. Elektrische Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 132
1. Lichtmaschine ................................................. 132
a) Anforderungen an die Lichtmaschine ........................... 132
b) Spannungsregelung ........................................... 133
c) Stromregelung ............................................... 137
2. Anlasser ....................................................... 137
3. Ziindung ...................................................... 139
a) Vorgange bei der Funkenbildung ............................... 139
b) Erzeugung der Ziindspannung ................................. 141
Ladevorgang s. 142. - Entladevorgang S. 144.
c) Unterbrechung des Ladestromes ............................... 146
4. Das elektrische Horn 147
IV. Akustische Fragen .............................................. 148
1. Allgemeines .................................................... 148
2. Gerauschminderung durch Schalldampfung ........................ 153
a) Auspuffgerausch ............................................. 153
Entstehung des Auspuffgerausches S. 153. - Dampfungsmoglich
keiten S. 157. - Abkiihlung S. 157. - Stromungswiderstand S. 157.
Querschnittsanderung S.157. - Querschnittserweiterung S. 158. -
Resonator S. 159. - Akustische Filter S. 159. - Absorptionsdampfer
S.160. - Ausgefiihrte Schalldampfer S. 162.
Inhaltsverzeichnis VII
Seite
b) Ansauggerausch ............................................. 163
c) Schalldampfung in Kanalen ................................... 163
d) Schalldampfung im Fahrgastraum .................. ; .......... 164
e) Dampfung der Schwingungen von Blechen ...................... 167
f) Bremsgerausche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 168
g) Liiftergerausch .............................................. 170
3. Gerii.uschminderung durch Schalldammung ........................ 171
a) Luftschalldammung .......................................... 171
SchalIdurchgang durch luftdichte Wande S. 171. - Schalldurch
gang durch kleine bffnungen S. 174.
b) Korperschalldammung ........................................ 174
V.Optische Fragen .............................................. 175
1. Scheinwerfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
2. Riickstrahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 182
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
I. Warmetechnische Fragen
1. Erzeugung der mechanischen Leistung
a) Thermodynamik des Verbrennungsmotors
Bezeichnungen:
T absolute Temperatur, " Verhaltnis der spezifischen Warme bei
V spezifisches Volumen, konstantem Druck und konstantem Vo
p Druck, lumen,
'} thermischer Wirkungsgrad, e Verdichtungsverhaltnis.
Personenwagen werden uberwiegend durch Otto-Motoren betrieben,
auch Zunder- oder Vergasermotoren genannt, Lastwagen durch Diesel
rnotoren. Beim Otto-Motor wird der Kraftstoff der beim Ansaugehub
des Kolbens angesaugten Luft in feinverteiltem Zustand fiussig zugefiihrt.
Zu Beginn des Verdichtungshubes ist er bei normaler Motortemperatur
verdampft. Die Entzundung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt durch
einen elektrischen Funken. Beim Dieselmotor wird der Kraftstoff nach
der Verdichtung der Verbrennungsluft in den Zylinder eingespritzt. Die
Verbrennung, die ohne elektrische Ziindung einsetzt, wird uber einen
wesentlichen Bruchteil des Arbeitshubes hingezogen. Durch Einspritzung
in eine mit dem Zylinder durch eine kleine Offnung in Verbindung
stehende Vorkammer oder durch ahnliche MaBnahmen wird die Dauer
der Verbrennung beim Dieselmotor vielfach kiinstlich verlangert und
gleichzeitig die Durchwirbelung des Zylinderinhaltes verbessert.
Zur Zeit beginnen sich auch Einspritzmotoren, bei denen leicht ver
dampfende Kraftstoffe vor oder wahrend der Verdichtung in den Zylinder
oder auch in die Ansaugleitung eingespritzt werden, die im ubrigen je
doch wie ein Vergasermotor mit elektrischer Zundung arbeiten, im Kraft
wagenbau einzufiihren. Der Einsatz von Gasturbinen in StraBenfahr
zeugen ist bei dem heutigen Stande der Entwicklung dagegen noch nicht
in groBerem MaBe zu erwarten.
Beim normalen Otto-Motor betri:i.gt bei voller Fullung der Druck am
Ende der Verdichtung 8 bis 15 atu, der Hochstdruck 30 bis 40 atu.
Fur den Dieselmotor sind die entsprechenden Werte 30 bis 55 atu und
60 bis 80 atu. Die Temperatur am Ende des Verdichtungshubes betri:i.gt
ac, cc.
beim Otto-Motor etwa 500 beim Dieselmotor etwa 700 bis 900
Die nach der Verbrennung sich einstellende Temperatur kann unter Be
rucksichtigung der Dissoziation aus den kalorischen Daten der einzelnen
Gaskomponenten berechnet werden. Die kalorischen Daten der Gase
t Wintergerst, Kraftwagen, 2. Auf!.
2 I. Warmetechnische Fragen
lassen sich mit Hille der statistischen Thennodynamik aus spektrosko
pischen Messungen ermitteln. Die Berechnung lieferl genauere Werle
flir die kalorischen Daten als eine unmittelbare Messung, die bei hoheren
Temperaturen nur schwierig durchzufiihren ist. Der J(.raftstoff ist bei
Beginn der Verbrennung im Otto-Motor gasformig, im Dieselmotor filissig
vorauszusetzen.
Eine unmittelbare Temperaturbestimmung ist am ehesten durch
spektroskopische Messungen moglich. Dieses Verfahren und die Be
rechnung ergeben fur volle Fiillung und normale Verbrennung beim Otto
und beim Dieselmotor ubereinstimmend Temperaturen von 2200 bis
2400 DC am Ende der Verbrennung, wobei nach den Versuchen orlliche
Temperaturunterschiede bis zu 200 DC auftreten. Nach Offnung des Aus
puffventiles sinkt die Temperatur auf 900' bis 1100 DC. Die Auspuffgase
haben infolge weiterer Warmeverluste beim
p Otto-Motor eine Temperatur von 700 bis 1000 ec,
ec.
beim Dieselmotor von 500 bis 600
Die tatsachlichen Vorgange im Motor sind
~,
so kompliziert, daB sie rechnerisch nieht genau
zu erfassen sind. Es ist deshalb lib]jch, den wirk
lichen ProzeB durch einen idealisierten Ver
1 gleiehsprozeB zu ersetzen, der einer genauen
Berechnung zuganglich ist. Mit Hille dieses
Abb. 1. VergleichsprozeB des Vergleichsprozesses konnen die grundsatzlichen
Otto-Motors. P Druck, V Vo-
lumen. Eigenschaften eines Arbeitsverfahrens unter-
sucht werden. Die Voraussetzungen des Ver
gleichsprozesses mussen soweit wie moglich dem wirkliehen ProzeB an
geglichen werden.
Der ProzeB des Otto-Motors wird in ersterNaherung durch den in Abb.1
dargestellten KreisprozeB ersetzt, der gebildet wird von zwei Adiabaten
und zwei Isochoren_ Die Verbrennung wird ersetzt durch Warmezufuhr
zwischen 2 und 3 und der Auspuff durch Warmeabfuhr zwischen 4 und 1-
Die in mechanische Arbeit umgesetzte Warme ist gleieh der Differenz
der zwischen 2 und 3 zugefiihrlen und zwischen 4 und 1 abgefuhrten
Warme_ Langs der Adiabaten von 1 bis 2 und von 3 bis 4 soll bei dem
ErsatzprozeB kein Warmeaustausch stattfinden. Vnter dieser Voraus
setzung und bei Zugrundelegung der Zustandsgleichung idealer Gase
erhalt man flir den thennischen W:irkungsgrad'1, das Verhaltnis der in
mechanische Arbeit umgesetzten Warme zur zugeflihrlen Warme, den
Ausdruck
1),,-1
(
'1=1- 8 . (1 )
Darin bedeutet s das Verdichtungsverhaltnis und " das Verhaltnis der
spezifischen Wanne bei konstantem Druck zu der bei konstantem Vo-
1. Erzeugung der mechanischen Leistung 3
lumen, welches bei Otto-Motoren und Benzin oder Benzol als Kraftstoff
den Wert 1,35 hat.
Nach Gl. (1) wachst der Wirkungsgrad mit Steigerung des Verdich
tungsverhaltnisses. Dies gilt praktisch jedoch nur, solange keine Selbst
entzundung des Gemisches auftritt. Durch
Selbstentzundung wird bei gleichzeitigem p
Auftreten von Klopfen der Wirkungsgrad 3'
wieder herabgesetzt .
. Der VergleichsprozeB fur den schnell-
laufenden Dieselmotor nach Abb. 2 unter- Z
scheidet sich von dem des Otto-Motors da
durch, daB die Verbrennung bzw. Warme
zufuhr nur zu einem Teil bei konstantem
II
Volumen, im ubrigen jedoch bei konstantem
Abb. 2. VergJeichsprozeB des
Druck stattfindet. Der Wirkungsgrad ist ge schnellaufenden Diesehnotors.
geben durch den Ausdruck
e"
A. - 1
1] = 1 - -e:-:-" -'l"['""A.---=--:1-+"---X-;).'"""'(-e ----:-1) o-J • (2)
Darin bedeuten e = V /V das Verdichtungsverhaltnis, e = Va/V! das
1 2
Volldruckverhaltnis und .A. = P;/P2 das Verpuffungsdruckverhaltnis. Die
Zeiger gelten jeweils fur die den Punkten der Abb. 2 entsprechenden Zu
staude.
Beim Dieselmotor wird rund 1/~ der Verbrennungswarme in mecha
nischeArbeit umgesetzt, Vs geht an dasKuhlwasser, und l/S geht mit dem
Auspuff verloren. Bei geringen Belastungen uberwiegt der Verlust durch
die Kuhlwarme, bei hohen der durch den Auspuff. Schnellaufende Otto
Motoren haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Dementsprechend
ist die Abgaswarme gr6Ber.
b) Kraftstoffe
Eigenschaften der Kraftstoffe. Die ublichen Kraftstoffe bestehen aus
Paraffinen, Aromaten, Naphtenen oder Olefinen sowie aus Kohlenwasser
stoffen hOherer Klopffestigkeit, welche in zunehmendemMaBe durch Poly
merisierungs-, Alkylierungs-, katalytische Krack- und kombinierte Ver
fahren erzeugt werden. Dazu kommt unter Umstanden eine Beimischung
von Alkoholen und meist ein Zusatz zur Verminderung der Klopfneigung.
Die Paraffine von der ZusammensetzungCnH2n+2 haben kettenformi
gen Aufbau, wie z. B. Hexan, Abb. 3, die Aromaten ringformigen Aufbau.
Von diesen kommen insbesondere Benzol, Toluol und Xylol in Frage.
Der Aufbau von Benzol ist in Abb. 4 dargestellt. Ebenfalls ringfOrmige
Bindung haben die N aphtene von der Zusammensetzung CnH2n von
denen als Beispiel Cyclohexan C H12 in Abb. 5 dargestellt ist. Die Olefine,
6
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