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2021 | Buch

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Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik

herausgegeben von: Prof. Dr. Stefan Pischinger, Prof. Dr. Ulrich Seiffert

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : ATZ/MTZ-Fachbuch

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Die Herausforderungen in der Fahrzeugtechnik für jegliche Art der Mobilitätsangebote sind in den letzten Jahren deutlich gewachsen. Ein Stillstand ist nicht abzusehen. In allen Bereichen der Mobilität für Mensch und Güter benötigen Personen im Beruf und in der Ausbildung den sicheren und schnellen Zugriff auf Grundlagen und Details der Fahrzeug- und Antriebstechnik, der Digitalisierung, der Vernetzung und auf die dazugehörenden industriellen Prozesse. Diese Informationen sind in der aktuellen 9. Auflage umfassend dargestellt.

Neben der Berücksichtigung der aktuellen Fortschritte wird besonders auf die rasante Antriebsentwicklung für den Verbrennungsmotor, Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenantriebe eingegangen. Die CO2 g/km Forderungen der Zukunft werden eine Vielzahl von Lösungen bringen. Ebenso wird in der 9. Auflage das automatisierte Fahren behandelt. Daneben sind viele Neuerungen auf den Gebieten Mobilitätsangebote, Elektrik und elektronische Systeme, Vernetzung, Leichtbau und Mensch/Maschine sowie die dazugehörenden Prozesse dargestellt.

Die Autoren sind exzellente Fachleute der Automobil- und Zuliefererindustrie sowie von Entwicklungsfirmen und wissenschaftlichen Einrichtungen. Sie stellen sicher, dass Theorie und Praxis gleichermaßen vernetzt dargestellt werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Mobilität

Zusammenfassung

Mobilität ist seit jeher Wegbereiter menschlichen Fortschritts und ein Grundbedürfnis des Menschen. Mobilität und Moderne werden daher häufig als „wechselseitig konstitutiv“ beschrieben, d. h. das eine ist ohne das andere nicht denkbar. Von anfänglich ausschließlich durch eigene Muskelkraft ermöglichte Mobilität per Fuß, machte sich der Mensch bald schon externe Hilfsmittel zu Nutze, um weitere Strecken mit geringerer Anstrengung zurückzulegen. Dies begann mit der Domestizierung von Reit- und Zugtieren und erstreckte sich bald auch auf die Nutzung von Naturenergie durch Technik mittels Schiffen und deren Segeln. Eine erste Revolution erlebte die Mobilität des Menschen durch die Erfindung der Eisenbahn vor beinahe 200 Jahren im Nordosten Englands. Durch die hierbei genutzte Energie aus fossilen Brennträgern konnten weitere Strecken erheblich schneller zurückgelegt werden und somit wurde überregionale Mobilität erstmals größeren Teilen der Bevölkerung zugänglich.

Die Erfindung des Automobils vor über 130 Jahren stellt eine weitere Revolution in der Mobilität dar: Die individuellen und flexiblen Einsatzmöglichkeiten des Automobils ermöglichten den Transport von Personen und Gütern in (fast) allen Regionen der Erde. Das Automobil ist das heutzutage am meisten genutzte Verkehrsmittel und ist zu einem Synonym für die Mobilität des Einzelnen geworden. In unserer modernen Gesellschaft sind dadurch „autoaffine“ Strukturen entstanden in welcher das Verständnis von Wohlstand eng an die Nutzung des Autos gekoppelt ist.

Alexander Nase, Michael Wittler, Jan Ackermann

2. Anforderungen, Zielkonflikte, Grundlagen

Zusammenfassung

Um Sicherheit und Umweltverträglichkeit von Straßen- bzw. Kraftfahrzeugen zu gewährleisten, werden an die Gestaltung der Fahrzeuge technische Anforderungen gestellt. Es gibt Anforderungen durch den Gesetzgeber, die erfüllt werden müssen, um ein Fahrzeug in den Verkehr bringen zu dürfen. Darüber hinaus bestehen herstellerinterne Anforderungen an das Produkt, die über das vom Gesetzgeber geforderte Maß hinausgehen, um den Kundenwünschen und der Firmenphilosophie zu genügen. Und als dritter Punkt stellen auch Verbraucherschutzorganisationen Kriterien auf, anhand derer sie die Eigenschaften der auf dem Markt befindlichen Fahrzeuge bewerten und die Fahrzeuge eingruppieren, was dann der Kundeninformation dient. Auch diese Anforderungen gehen über die des Gesetzgebers hinaus.

Andre Seeck, Jost Christian Gail, Bernd Lorenz, Marek Zöller, Ulrich Seiffert, Egbert Fritzsche, Heinz Mankau, Carsten Repmann, Andreas Eilemann, Matthias Jung, Eberhardt Pantow, Achim Wiebelt, Josef Honeder

3. Gesamtfahrzeug

Zusammenfassung

Im Automobilbereich hat das Design in den letzten Jahrzenten sehr an Bedeutung gewonnen. Einer Studie zufolge liegen heute die Kaufkriterien „Design“, „Anschaffungspreis“ und „Qualität“ weit an der Spitze.

Das Design nimmt eine Schlüsselfunktion in der Wahrnehmung des Fahrzeuges ein. Es stellt im Idealfall eine Verbindung zwischen dem Fahrzeug und Kunden über positive Emotionen und Empathie her.

Auch bei der Markendifferenzierung spielt die Formgebung eine wesentliche Rolle. Die technologische Differenzierung hat sich in den letzten 20 Jahren verringert. Die Gründe für die immer geringer werdenden technischen Unterschiede sind:

- Ein hohes Niveau des Grundkonzepts Auto, welches weltweit viele Fahrzeughersteller erreicht haben.

- Die Verlagerung vieler Schlüsseltechnologien vom Fahrzeughersteller zu Entwicklungslieferanten.

Umso mehr ist das Design ein Wahrnehmungsfeld, welches von den umworbenen Kunden einem konkreten Hersteller zugeordnet werden kann.

Klaus Wolff, Hans Dieter Futschik, August Achleitner, Christiaan Burgers, Gernot Döllner

4. Karosserie

Zusammenfassung

In der Anfangszeit des Automobils wurde die Karosserie – dem Beispiel des Kutschenbaus folgend – auf einem Rahmengestell befestigt. Diese Bauweise findet man heute nur noch bei Lastkraftwagen und großen Off-Road-Fahrzeugen. Im Bereich der Personenwagen hat sich die selbsttragende Karosserie durchgesetzt. Sie wurde 1935 von Opel erstmalig mit dem Modell Olympia in der Großserie eingeführt. Die Innovation bestand darin, dass die Karosserie für sich komplett vorgefertigt wurde. Anschließend wurden die restlichen Komponenten wie Motor, Kupplung, Getriebe, Vorder- und Hinterachse sowie der Auspuffanlage direkt an der Karosserie befestigt und zum Fahrzeug komplettiert. Damit ist die selbstragende Karosserie der wichtigste Aggregateträger, die zudem noch vielen Anforderungen gerecht werden muss.

Sie reichen von konsequentem Leichtbau über wirksamen Insassen- und Fußgängerschutz bis hinzu attraktivem Aussehen.

Lothar Teske, Helmut Goßmann, Heinrich Timm, Armin Plath, Walter Pecho, Martin Derks, Sebastian Veith, Marc Reinstettel, Christian Rauber, Klaus Werner Thomer

5. Fahrwerk

Zusammenfassung

Automobile sind Fahrzeuge, deren Bewegung auf einer vorgegebenen Oberfläche, in der Regel einer Fahrbahn, vom Fahrer in Längs- und Querrichtung sowie um die Hochachse (Gierachse) in bestimmten, vom Straßenverlauf oder physikalisch vorgegebenen Grenzen, frei bestimmt werden kann, wobei die Quer- und Gierbewegung eng miteinander gekoppelt sind. Hierbei können sich Eingriffe fahrdynamischer Regel- und Assistenzsysteme den Eingaben des Fahrers überlagern mit dem Ziel, das Verhalten des Fahrzeugs günstig zu beeinflussen bzw. den Fahrer zu unterstützen.

In senkrechter Richtung zur Fahrbahnmuss das Automobil hingegen dem Straßenverlauf ohne aktiven Eingriff des Fahrers folgen (Berg- u. Talfahrt). Kurzwellige Fahrbahnunebenheiten sollten jedoch nur soweit auf das Fahrzeug übertragen werden, wie es die Fahrsicherheit, der Fahrerwunsch nach Fahrbahnkontakt und das subjektive Fahrkomfortempfinden erfordern.

Das quer-, längs- und vertikaldynamische Verhalten eines Automobils wird durch eine Vielzahl von Parametern bestimmt. In vielen Bereichen liegen nicht-lineare Zusammenhänge und komplexe Kopplungen der Zustandsgrößen vor. Daher stellt das Fahrwerk und in erweitertem Sinne die Fahrdynamik ein hoch interessantes Themengebiet dar, insbesondere wenn neben dem Fahrer in seiner Funktion als Zustandsbeobachter, Regler, Aktuator und subjektiver Beurteiler, auch Regelsysteme und Assistenzsysteme aktiv in fahrdynamische Funktionen eingreifen.

Axel Pauly, Steffen Gruber, Jan Sendler, Heiner Volk, Ludwig Seethaler, Michael Sattler, Markus Viertlböck, Erich Sagan, Martin Schwarz, Thomas Unterstraßer

6. Antriebe

Zusammenfassung

In den über 100 Jahren des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen hat sich der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und einer Anfahr-/Schaltkupplung als bevorzugtes Antriebskonzept durchgesetzt und behauptet. Im Spannungsfeld zwischen immer strikteren Emissionsgrenzwerten und steigenden Anforderungen bezüglich des Treibhausgasausstoßes findet aktuell allerdings wieder eine Diversifizierung des Antriebsstranges statt.

Moderne Hubkolbenmotor-Technik für Otto- und Dieselmotoren prägen neben der Elektromobilität, den Hybridfahrzeugen und den Brennstoffzellenvarianten die absehbare Zukunft. Verbrennungsmotoren bilden für viele Fahrzeugmodelle noch längerfristig die Basis der Antriebsenergie, beinhalten sie doch noch immer, auch mittels alternativer Kraftstoffe, deutliche Entwicklungspotenziale. Abgasnachbehandlung, Aufladung und Optimierung der Nebenaggregate sind weitere wichtige Themen. Die Getriebevarianten werden immer zahlreicher, wie die Beispiele Doppelkupplungsgetriebe oder Allradantriebskonzepte zeigen. Für den Übergang in die fernere Zukunft zeichnet sich ein Wettkampf zwischen Elektroantrieben mit Energiespeichern und der Brennstoffzellentechnologie ab.

Henning Baumgarten, Marius Böhmer, Michael Hinz, Martin Nijs, Stefan Pischinger, Mike Souren, Matthias Thewes, Bernd Lindemann, Thomas Flecke, Axel König, Joschka Schaub, Markus Schönen, Dominik Lückmann, Dennis Bönnen, Emmanuel Jean, Markus Huber, Klaas Kunze, Jakob Andert, Andreas Krings, René Scheer, Konstantin Etzold, Marc Klawitter, Michael Stapelbroek, Jörg Kaiser, Mehdi Hosseininasab, Alexander Sauer, Rick W. De Doncker, Jochen Henn, Peter Antony, Christoph Schildhauer, Andreas Haag, Christian H. Mohrdieck, Uwe Sontheimer, Gerhard Gumpoltsberger, Jürgen Greiner, Alexander Bartha, Peter Frey, Robert Plank, Berthold Krautkrämer, Reinhart Malik, Peter Solfrank, Hermann Pecnik, Heribert Lanzer, Georg Eichner, Gerhard Kurz, Bastian Lehrheuer, Benedikt Heuser, Helmut Eichlseder

7. Digitalisierung /Elektrik/Elektronik/Software

Zusammenfassung

Steigende Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Umweltschutz und Komfort führten in den vergangenen Jahren zu einem starken Anstieg der Funktionen im Fahrzeug. Wesentliche Treiber dafür waren die gestiegenen Komfortansprüche, die Vernetzung der Fahrzeuge aber auch ganz wesentlich verschärfte Abgas- und Sicherheitsbestimmungen. So kamen in den letzten Jahren komplexe Infotainment- und Assistenzsysteme hinzu, die nur durch ein Zusammenwirken vieler Steuergeräte realisiert werden konnten. Deren intuitive Bedienung sowie Personalisierung der Funktionen erforderte eine systemübergreifende Mensch-Maschine-Schnittstelle. Durch die massiv gestiegene Anzahl an elektrischen Verbrauchern nahm auch der Energiebedarf deutlich zu, so dass über elektronische Energiemanagementsysteme ein optimierter Energiehaushalt sichergestellt werden musste.

Simon Fürst, Thomas Scharnhorst, Ludwig Brabetz, Markus Beck, Roman Lahmeyer, Olaf Krieger, Günther Kasties, Wolfgang Pfaff, Roland Lachmayer, Heinz-Bernhard Abel, Heinrich-Jochen Blume, Gerhard Heyen, Guido Schneider

8. Fahrerassistenzsysteme und Automatisiertes Fahren

Zusammenfassung

Fahrerassistenzsysteme erlebten bereits seit den Anfängen in den 70er und 80er Jahren eine faszinierende Entwicklung, die noch längst nicht abgeschlossen ist: Einerseits sind Einzelsysteme wie Adaptive Cruise Control, Lane Keeping Assistant, Parkassistenz etc. bereits in Serie, die bestimmte Aspekte der Fahrzeugführung unterstützen, indem sie z. B. bei der Längs- oder Querführung assistieren. Diese Entwicklung hat sowohl an Dynamik als auch an Funktionsvielfalt zugenommen. Die Aktivitäten werden von allen angestammten Fahrzeugherstellern und Zulieferern vorangetrieben, aber auch von Unternehmen, die noch keine automobile Tradition besitzen. Das Ziel ist, sowohl nach einer evolutionären als auch einer disruptiven Vorgehensweise so zügig wie möglich, automatisierte Fahrfunktionen in den Markt zu bringen.

Klaus Bengler, Klaus Dietmayer, Lutz Eckstein, Christoph Stiller, Hermann Winner

9. Fahrzeugsicherheit

Zusammenfassung

Die Sicherheit des Transports für Menschen und Güter hat weltweit einen hohen Stellenwert. Obwohl in den Industrieländern erhebliche Fortschritte erzielt wurden, waren 2013 ca. 1,24 Mio. Verkehrstote zu verzeichnen, mehr als 20 Mio. wurden verletzt. 80 % der tödlichen Verkehrsunfälle geschahen dabei in „middle-income Countries“. In der Prognose von Murray et al. würden die Verkehrsunfälle nach Herzkrankheiten und Depressionen an die dritte Stelle der Todes- und Erwerbsunfähigkeitsgründe rücken. Zahlreiche Organisationen wie die UN, Regierungen, Forschungseinrichtungen und Industrie haben Programme initiiert um diesen Trend umzukehren.

In den Industrieländern wurden die Erfolge durch Verbesserung der Verkehrsinfrastruktur, der Verkehrsinformation, der Ausbildung der Verkehrsteilnehmer und deutliche Fortschritte bei Fahrzeugen erreicht. In den Entwicklungsländern spielt in diesem Zusammenhang die Verkehrsinfrastruktur eine besonders große Rolle. Die Vernetzung des Fahrzeugs mit den übrigen Verkehrsteilnehmern und der Infrastruktur sowie das automatisierte Fahren werden weitere Fortschritte auf diesem Gebiet ermöglichen. Zunehmend wird auch die Automotive Security, d. h. der Schutz des Insassen und des Fahrzeugs sowie seiner Teile und Funktionen vor Angriffen wie Diebstahl, unberechtigtem Zugriff und Manipulation wichtiger.

Mark Gonter, Peter Knoll, André Leschke, Ulrich Seiffert, Florian Weinert

10. Mensch-Technik-Kooperation und Fahrzeuginnenraum

Zusammenfassung

Kraftfahrzeuge ermöglichen unserer Gesellschaft Mobilität. Mit ihrer Hilfe können Menschen und Güter von einem Ursprungs- zu einem Zielort bewegt und menschliche Bedürfnisse z. B. nach Nahrung, Anerkennung und Selbstverwirklichung gestillt werden. Erreicht werden kann dieses Stillen von Bedürfnissen aber nur durch eine enge Kooperation zwischen Menschen (innerhalb und außerhalb der Fahrzeuge) sowie dem technischen System. So wirken zum Beispiel Fahrende mit Hilfe von Bedienhandlungen zur Längs- und Quersteuerung (d. h. Beschleunigen/Bremsen, Richtungswechsel) auf das Kraftfahrzeug ein.

Karsten Lemmer, Meike Jipp, Heiner Bubb, Hans-Jörg Vögel, Matthias Jung, Georg Laukart, Thomas Vorberg

11. Rennfahrzeuge

Zusammenfassung

Rennfahrzeuge werden für die Teilnahme an Wettbewerben konstruiert bzw. von Serienfahrzeugen abgeleitet. Die Rahmenbedingungen der jeweiligen Rennserie werden von einer Sportbehörde festgelegt und überwacht. Die größte Bandbreite weltweit deckt dabei die FIA ab, unter anderem mit den Weltmeisterschaften Formel 1 (F1), Rallye (WRC), Prototypen und GT (WEC). Weitere Rennserien sind als Weltpokal oder Meisterschaft eingestuft, z. B. seit 2014 die Formel E. Die Rahmenbedingungen sind im Reglement verankert, das in der Regel aus einem technischen und einem sportlichen Teil besteht.

Carsten Dieterich, Frank Nysten, Christoph Müller

12. Produktentstehungsprozess

Zusammenfassung

In ihrem Vorwort charakterisieren die Herausgeber die Produktentstehung sehr treffend als einen hochkomplexen Prozess, dessen Gestaltung und Optimierung immer größere Bedeutung gewinnt. Letztendlich muss dieser Prozess termingerecht zu einem Fahrzeug führen, das für die Zielkunden so attraktiv ist, dass sie es zu einem Preis erwerben wollen, der mit den Renditevorstellungen des Automobilunternehmens im Einklang steht und damit dessen Wettbewerbsfähigkeit sichert.

Die hohe Komplexität des Produktentstehungsprozesses beruht auf den vielfältigen Anforderungen an die Produktgestaltung, insbesondere wenn es sich um ein Fahrzeug für den globalen Einsatz handelt. An diesem Prozess sind zahlreiche kreative Mitarbeiter beteiligt, sowohl innerhalb der Organisation des Automobilherstellers als auch im Lieferantenumfeld und bei diversen Dienstleistern, die zur Abdeckung von Kapazitätsspitzen heute bei jedem Automobilhersteller eine wichtige Rolle spielen.

In der Summe können es über 1000 Beteiligte sein, die interdisziplinär und lokal variabel in einem Simultaneous-Engineering-Prozess miteinander vernetzt werden müssen.

Ulrich Widmann, Jürgen Weissinger, Thomas Breitling, Ulrich Hackenberg, Kai Wundram, Stefan Goß

13. Ausblick

Zusammenfassung

Die Automobilindustrie vollzieht in der Zeit der Erstellung der 9. Auflage den größten Wandel in ihrer Geschichte. Schon seit einiger Zeit zeigt sich, dass Kunden in breiten Bereichen nur begrenzt bereit sind, vor allem für nicht kundenrelevante Neuerungen (z. B. infolge verschärfter gesetzgeberischer Vorschriften) entsprechende Mehrpreise zu zahlen. Weiterhin ist erkennbar, dass Bewohner von Großstädten vielfach auf den Besitz von Automobilen verzichten und dafür variable Mobilitätsdienstleistungen nutzen werden.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt in der weiteren Elektrifizierung des Antriebsstrangs, in Form von z.B. Plug-in Hybrid Modellen, reinen Elektrofahrzeugen, aber auch der Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen. Hier wirken fast alle der genannten Einflüsse zusammen. Dieser Trend bedeutet für OEM und Zulieferer auch eine Abkehr von wichtigen Produkt- und Produktionstechnologien, die jahrzehntelang besondere Schwerpunkte darstellten.

Stefan Pischinger, Ulrich Seiffert

Backmatter

Titel: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik
herausgegeben von: Prof. Dr. Stefan Pischinger
Prof. Dr. Ulrich Seiffert
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-25557-2
Print ISBN: 978-3-658-25556-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-25557-2

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Inhaltsverzeichnis

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1. Mobilität

2. Anforderungen, Zielkonflikte, Grundlagen

3. Gesamtfahrzeug

4. Karosserie

5. Fahrwerk

6. Antriebe

7. Digitalisierung /Elektrik/Elektronik/Software

8. Fahrerassistenzsysteme und Automatisiertes Fahren

9. Fahrzeugsicherheit

10. Mensch-Technik-Kooperation und Fahrzeuginnenraum

11. Rennfahrzeuge

12. Produktentstehungsprozess

13. Ausblick

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