Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik PDF
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Hans-Hermann Braess (Hrsg.) Ulrich Seiffert (Hrsg.) Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik Aus dem Programm _____________ ______. Fahrzeugtechnik Kraftfahrtechnisches Taschenbuch von ROBERT BOSCH GmbH (Hrsg.) Die BOSCH-Fachbuchreihe mit Standardwerken zur Kraftfahrzeugtechnik • Ottomotor-Management • Dieselmotor-Management • Autoelektrik/ Autoelektronik • Fahrsicherheitssysteme von ROBERT BOSCH GmbH (Hrsg.) Nutzfahrzeugtechnik von E. Hoepke (Hrsg.) Omnibustechnik vom VDA (Hrsg.) und O.-P.A. Bühler Who is who in der Automobil und Motorentechnik 2000 von U. Seiffert (Hrsg.) und W. Siebenpfeiffer (Hrsg.) Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik von H.-H. Braess (Hrsg.) und U. Seiffert (Hrsg.) Motorradtechnik von J. Stoffregen Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen von F. Kramer Verbrennungsmotoren von E. Köhler Kurbeltriebe von S. Zima vieweg _________________ _" Hans-Hermann Braess (Hrsg.) Ulrich Seiffert (Hrsg.) Vieweg Handbuch Kraftfahrzeug technik Mit 807 Abbildungen und 64 Tabellen ~ vleweg Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhältlich. 1. Auflage Oktober 2000 Alle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, ßraunschweigiWiesbaden, 2000 Softcover reprint ofthe hardcover 1s t edition 2000 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und stratbar. Das gilt insbe sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. www.vieweg.de Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN 978-3-322-93874-9 ISBN 978-3-322-93873-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93873-2 Vorwort Diese Neuauflage des Handbuches Kraftfahrzeugtechnik ist der Nachfolger des in den letzten Jahrzehnten so bekannten Taschenbuches der Professoren Heinrich Buschmann und Paul Koeßler. Dessen Erstausgabe erschien im Jahre 1940. Professor Koeßler gab im Jahre 1973 die achte und damit letzte Auflage heraus. Nü;ht wenige Fahrzeugingenieure benutzen noch heute die in diesem Buch dargestellten Grundlagen für Ihre Arbeit. Wir haben es als besondere Herausforderung empfunden. an der vollständigen Neufassung dieses für Lehre, Forschung und Praxis wichtigen Werkes als Herausgeber und Autoren mitwirken zu können. Das neue Buch beschreibt in umfassender Weise die faszinierende Welt des Automobils und seiner Entwick lung. Mehr als 40 namhafte Persönlichkeiten der Automobil- und Zulieferindustrie sind als Mitautoren beteiligt. Damit ist dieses Handbuch auch ein Zeitdokument, welches den heutigen hohen Stand und die rasante Weiterentwicklung des Kraftfahrzeuges beschreibt. Ausgehend von den Bedürfnissen nach Mobilität werden die Anforderungen und die daraus folgenden Zielkonflikte definiert. aus denen sich in Verbindung mit den physikalisch-technischen Grundlagen die Rahmenbedingungen für modeme Fahrzeuge ergeben. Für den Ingenieur gilt es, möglichst nahe an das technisch-wirtschaftlich Machbare heranzukommen und das Sinnvolle zu realisieren. Das Design ist ein ganz wesentliches Element für Kundengewinnung, Kaufentscheid und Kundenakzeptanz und wird deshalb ausführlich behandelt. Das Kapitel Fahrzeugkonzepte und Package zeigt auf, dass es, je nach konkreten Schwerpunktsetzungen, zu einer großen Vielfalt unterschiedlicher Gesamtkonzepte und Varianten kommt. Ergänzend wird auf spezielle Aspekte und Konsequenzen alternativer Antriebskonzepte wie Elektronan trieb, Brennstoffzelle, Hybridantrieb oder Gasturbine eingegangen. Einen breiten Raum nimmt das Kapitel der "klassischen" Antriebe ein. Modeme Hubkolbenmotor Technik für Otto- und Dieselmotoren prägen die absehbare Zukunft. Es wird deutlich, dass beide Motor arten ein hohes Weiterentwicklungspotential aufweisen. Abgasnachbehandlung, Aufladung und Optimie rung der Nebenaggregate sind weitere wichtige Themen. Die Getriebevarianten werden immer zahlreicher, wie die Beispiele automatisch geschalteter Stufengetriebe oder der CVT's zeigen. Auch wenn es um den Zweitaktmotor wieder ruhig geworden ist, werden dennoch seine Chancen und Probleme analysiert. Lang fristig von großer Bedeutung sind additive und alternative Kraftstoffe bzw. Antriebsenergien, die im Ver gleich behandelt werden. Der Fahrzeugaufbau wird immer anspruchsvoller und komplexer, wie schon die Anzahl der behandelten Themen zeigt. Diese reichen von den Grundlagen selbsttragender Karosserien, Space-Frame-Techniken und Cabriolets über Ergonomie und Komfort, Fahrzeugsicherheit bis hin zu Kommunikations- und Navi gationssystemen. Auch im Fahrwerk steigt der Elektronik-Umfang weiter an - Stichworte sind "Drive by Wire" und Fahrerassistenzsysteme. Damit ist schon angedeutet, dass fast alle Funktionen und Systeme im Fahrzeug elektronische Komponenten beinhalten werden. Die steigenden Anforderungen haben in den letzen Jahrzehnten zu deutlichen Erhöhungen der Fahrzeug gewichte geführt. Werkstofft echnik, Fertigungsverfahren und Bauweisen der Zukunft haben deshalb be sonders der Forderung nach Leichtbau zu genügen, ohne dabei weitere Aspekte, wie das Recycling, zu vernachlässigen. Alle diese Punkte werden ausführlich behandelt. Bei der steigenden Komplexität der Fahrzeuge, ihrer Entwicklung, der Vernetzung der Fahrzeughersteller und ihrer Systemlieferanten, weltweiter Fertigungsstätten usw. ist es zwangsläufig, dass der Optimierung des Produktentstehungsprozesses eine immer größere Bedeutung zukommt. Verkürzung der Entwick lungszeiten, Begrenzung der Entwicklungskosten bei steigenden Qualitätsansprüchen zwingen zum syste matischen Einsatz von Berechnungs-, Simulations-, Mess-Nersuchs- und Qualitätssicherungsverfahren sowie "Virtual Reality"-Methoden; alle am Produktentstehungsprozess Beteiligten arbeiten, wie ausführ lich gezeigt wird, von Anfang an zusammen ("Simultaneous Engineering"). Abschließend wird erläutert, dass und warum das Automobil in der vorhersehbaren Zukunft das Trans portmittel Nr. I bleiben wird, das allerdings zunehmend in Gesamtverkehrssysteme integriert wird. VI Vorwort Bei der Erstellung dieses Handbuches stand das große Fachwissen vieler Experten aus der gesamten deutschsprachigen Industrie zur Verfügung. Allen Autoren sagen wir für ihre Beiträge herzlichen Dank. ebenso wie dem Vieweg Verlag für die Anregung. dieses Handbuch herauszubringen, und den Mitarbei tern des Verlages sowie allen direkt Beteiligten für die Unterstützung der Herausgeber. Grünwald/Braunschweig im Oktober 2000 Hans-Hermann Braess Ulrich Seiffert Braess/Seiffert (Hrsg.) Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik Kapitel, Beiträge und Mitarbeiter 1 Mobilität Prof. Dr. Dr. E.h. Hans-Hermann Braess 2 Anforderungen, Ziel konflikte 2.1 Produktinnovation, bisherige Fortschritte Prof. Dr. Ulrich Seiffert 2.2 Anforderungen durch den Gesetzgeber Dipl.-Ing. Wolfgang Barth 2.3 Neue Technologien Prof. Dr. Dr. E.h. Hans-Hermann Braess 3 Fahrzeugphysik 3.1 Grundlagen Prof. Dr. Ulrich Seiffert 3.2 Aerodynamik Dr. Burkhard Leie Dr. Heinz Mankau 3.3 Wärmetechnik Dipl.-Ing. Hans Kampf 3.4 Fahrzeugakustik Dr. Raymond Freymann 4 Formen und neue Konzepte 4.1 Design Dipl.-Designer Arnold W. Ostle 4.2 Fahrzeugkonzept und -package Dipl.-Ing. Dipl.-Ing. August Achleitner in der PKW-Entwicklung Dipl.-Ing. Wolfhelm Gorissen 4.3.1 Elektroantriebe Dr. Erwin Wüchner 4.3.2 Brennstoffzelle als Antriebe Prof. Dr. Ferdinand Panik für mobile Systeme Dr. Dietmar Beck Dr. Michael Reindl Dr. Werner Tillmetz Dipl.-Ing. Uwe Benz 4.3.3 Hybridantrieb Dr. Jörg Abthoff 4.3.4 Stirlingmotor, Gasturbine und Schwungrad Dipl.-Ing. Karl E. Noreikat 5 Antriebe 5.1.1 Ottomotor - Teil 1 Dr. Hans-Joachim Oberg 5.1.2 Ottomotor - Teil 2 Prof. Dr. Dr. E.h. Franz Pischinger Dr. Peter Wolters 5.2 Dieselmotor Dr. Karl-Heinz Neumann Dr. Klaus-Peter Schindler 5.3 Aufladung Dr. Klaus-Dieter Emmenthal 5.4 Triebstrang Dipl.-Ing. Peter Köpf Dr. Gerhard Wagner Dr. Hans-Jürgen Drexl Dr. Hans Wien holt 5.5.1 Allradantriebs-Konzepte Dipl.-Ing. Herwig Leinfellner 5.5.2 Antriebs- und Bremsregelung Dr. Heinz Leffler Dr. Willibald Presti 5.6 Optimierung der Nebenaggregate Prof. Dr. Ulrich Seiffert 5.7 Chancen und Risiken des Zweitaktmotors Dipl.-Ing. Bert Pingen 5.8 Alternative Kraftstoffe im Vergleich Dipl.-Ing. Detlef Frank Dipl.-Ing. Wolfgang Strobl Prof. Dr. Volker Schindler 6 Aufbau 6.1.1 Die selbsttragende Karosserie Dipl.-Ing. Karl-Peter Schütt Dipl.-Ing. Lothar Teske Dipl.-Ing. Helmut Goßmann 6.1.2 Space-F rame/Beplan ku ngen Dipl.-Ing. Wulf Leitermann 6.1.3 Cabriolet Dipl.-Ing. Winfried Bunsmann Dr. Werner Gausmann Dr. Peter Kalinke Siegfried Licher 6.1.4 Mischbauweise Prof. Dr. Hans-Günther Halden- wanger 6.2 Materialien der Karroserie Prof. Dr. Hans-Günther Halden- wanger 6.3 Oberflächenschutz Dipl.-Ing. Paul Dragovic 6.4.1 Ergonomie und Komfort Dipl.-Ing. Claus Volker Gevert 6.4.2 Kommunikationssysteme und Navigation Dr. Jürgen Kässer 6.4.3 Innenraumbehaglichkeit! Dipl.-Ing. Hans Kampf Thermischer Komfort 6.5 Fahrzeugsicherheit Prof. Dr. Ulrich Seiffert 7 Fahrwerk 7.1 Allgemeines Dr. Axel Pauly 7.2 Bremsen Dipl.-Ing. Gunther Buschmann Dr. Hans-Jörg Feigel Dipl.-Ing. Klaus Winter 7.3 Reifen Dipl.-Ing. Heinrich Huinink 7.4 Fahrwerkauslegung Dr. Dieter Hennecke Dipl.-Ing. Andreas Gleser Dipl.-Ing. Johann Niklas Dipl.-Ing. Reinold Jurr Dr. Dieter Konik Dr. Axel Pauly Dipl.-Ing. Karsten Schille Dipl.-Ing. Ludwig Seethaler Dipl.-Ing. Günther Seuss 7.5 Beurteilungskriterien Dr. Erich Sagan Dipl.-Ing. Thomas Unterstraßer 7.6 Kraftstoffsystem Dipl.-Ing. Michael Meurer Franz J. Henkel-Adam Dipl.-Ing. Olaf Meyer 8 Elektrik/Elektronik 8.1 Beleuchtung Dipl.-Ing. Wolfgang Hendrischk 8.2 Sensorik!A ktuatori k!Systemtechni k Dr. Wolfgang Strauß 8.3 Bordnetz/CAN Dr.-Ing. Michael Walther 8.4 Multimedia Systeme im Kfz Dr. Werner Poechmüller Dipl.-Ing. Wolfgang Baierl Dipl.-Ing. Gerald Spreitz Dipl.-Ing. Stephan Rehlich 8.5 Elektromagnetische Verträglichkeit Dr. Wolfgang Pfaff 9 Werkstoffe und Fertigungsverfahren Dr. Ludwig Hamm Dipl.-Ing. Volker Freitag 10 Produktentstehungsprozess 10.1 Simultanous Engineering und Dipl.-Ing. Johannes Hennecken Projektmanagement im Produkt- Prof. Dr. Rudolf J. Menne entstehungsprozess Dr. Manfred Rechs 10.2 Berechnung und Simulation Dr. Werner Dirschmid 10.3 Mess- und Versuchstechnik Prof. Dr. Dr. E.h. Hans-Hermann Braess 10.4 Qualitätssicherung Prof. Dr. Dr. E.h. Hans-Hermann Braess Prof. Dr. Ulrich Seiffert 11 Automobil und Verkehr - Prof. Dr. Dr. E.h. Wie kann es weitergehen? Hans-Hermann Braess 12 Ausblick - Wo geht es hin? Prof. Dr. Dr. E.h. Hans-Hermann Braess Prof. Dr. Ulrich Seiffert Inhaltsverzeichnis 1 Mobilität .................................................................................................................................................. . 1 1.1 Einleitung .................................................................................................................................... . 1 1.2 Ursachen und Arten der Mobilität ....................... .............................. . ................. . 2 1.2.1 Definitionen ......................................... ............................. . ................. . 2 1.2.2 "Aktivitäten bestimmen Mobilität" ................................................................................. . 3 1.2.3 Transportsysteme für den Güterverkehr ..................................................... . 5 1.2.4 Einige speLielle Ausprägungen von Mobilität ................... . 5 1.3 Spannungsfelder und Nachteile der Mobilität ................. ............... . .............. . 5 1.4 Mobilitätsrelevante Anforderungen an Automobile .............................. . ................. . 6 1.4.1 Grundsätzliche Anforderungen ................... . ............... . 6 1.4.2 Spezielle Anforderungen .............. .. .......................................................... . 7 2 Anforderungen, Zielkonflikte ..... ............ ..... ........................ .......................... ......................... 9 2.1 Produktinnovation, bisherige Fortschritte ................................................. .................................... 9 2.2 Anforderungen durch den Gesetzgeber .................................................... ......................... 16 2.2.1 Zulassung zum Straßenverkehr ........................................................................................ 16 2.2.2 Die nationalen und supranationalen Rechtsquellen ......................................................... 17 2.2.2.1 Straßenverkehrsrecht mit Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung (StVZO) ...... 17 2.2.2.2 Richtlinien der Europäischen Gemeinschaft ........................... ......................... 18 2.2.2.3 Regelungen der UN-Wirtschaftskommission für Europa ................................. 20 2.2.2.4 Weitere Maßnahmen zum Abbau von Handelshemmnissen ............................. 20 2.2.3 Unfall vorbeugung (aktive Sicherheit) .............................................................................. 20 2.2.3.1 Allgemeines .................. ........................................................................ 20 2.2.3.2 Bremsanlage ..................................................................................................... 20 2.2.3.3 Sichtfeld ........................................................................................................... 22 2.2.3.4 Schneeketten ..................................................................................................... 22 2.2.3.5 Lichttechnische Einrichtungen ......................................................................... 22 2.2.4 Fahrzeugsicherheit, Unfallfolgenmilderung ..................................................................... 23 2.2.4.1 Allgemeines ...................................................................................................... 23 2.2.4.2 Insassenschutz bei Frontalaufprall .................................................................... 23 2.2.4.3 Insassenschutz bei Seitenaufprall ...... .......... .......... ........................ ............ ....... 23 2.2.5 Anforderungen an das Emissionsverhalten ...................................................................... 23 2.2.5.1 Allgemeines ...................................................................................................... 23 2.2.5.2 Geräuschpegel und Auspuffanlage ................................................................... 23 2.2.5.3 Abgase .............................................................................................................. 24 2.2.5.3.1 Emissionen von Kraftfahrzeugmotoren .......................................... 24 2.2.5.3.2 Emission aus Dieselmotoren (Rauchgastrübung) ........................... 26 2.2.5.4 Kraftstoffverbrauch und CO,-Ausstoß ............................................................. 26 2.2.5.5 Elektromagnetische Verträglichkeit und Funkentstörung ................................. 26 2.2.6 Verschiedenes... .............. ............................................................ ........ ........ ........... .......... 27 2.2.6.1 Anbringung des hinteren Kennzeichens ........................................................... 27 2.2.6.2 Sicherungseinrichtungen gegen unbefugte Benutzung, Wegfahrsperre ............ 27 2.2.6.3 Fabrikschild, Fahrzeugidentifizierungsnummer ............................................... 28 2.2.6.4 Messung der Motorleistung .............................................................................. 28 2.2.6.5 Massen und Abmessung von Klasse MI-Fahrzeugen ........................................ 28 2.2.7 Ausblick ........................................................................................................................... 28 2.3 Neue Technologien ........................................................................................................................ 28 3 Fahrzeugphysik ...................................................................................................................................... . 33 3.1 Grundlagen .................................................................................................................................. . 33 3.1.1 Definitionen ................................................................................................................... .. 34 3.1.2 Fahrwiderstand und Antrieb ............................................................................................ . 34 3.1.3 Kraftstoffverbrauch beinflussende Maßnahmen .............................................................. . 36 3.1.4 Dynamische Kräfte ......................................................................................................... .. 37
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