Zusfas 3 - Zusammenfassung Kraftfahrzeuge 1/2 PDF

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Zusammenfassung KFZ-Komponenten 1. Kraftübertragung 1.1 Abtriebskonzepte Unterscheidung: nach Anordnung von Motor und Antriebsachse Wahl ist abhängig von :

- Packaging (Platzkomfort etc.) - max. Anfahrmomente (bei Heckmotor höher) - Trägheitsmoment um die Hochachse - Gewichtsverteilung (Beeinflusst die Querdynamik) - Platzverhältnisse

Verschiedene Konzepte

- Standardbauweise (Motor/Getriebe vorn, Heckantrieb) - Transaxle-Bauweise (Getriebe auch hinten) - Frontantrieb mit Motor längs oder quer - Heckantrieb mit Motor längs/ quer - Heckantrieb mit Motor vor HA (Mittelmotor)

Antriebsstrang: Motor, Kupplung, Getriebe, Gelenkwellen, Ausgleichsgetriebe 1.2 Kupplung 1.2.1 Allgemeines • • • • •

Lösbare Verbindung zwischen Motor und Getriebe; Hauptaufgabe: schlupffreie Übertragung von Moment und Drehzahl Zum Anfahren, Schalten, Drehzahldifferenz überbrücken und Drehschwingungen dämpfen, evtl. als Überlastschutz Auslegung: 10 6 Kupplungsvorgänge, davon 2 4 10 5 Anfahrvorgänge Reibpaarung: organische Beläge gegen Guss oder Stahl Höchste Reibwerte: mit org. und sinterkeramischen Materialien, allerdings bei org. Belägen hohe Reibwertschwankungen

1.2.2 Funktionsprinzip von Kupplungen o Anpresskraft durch Membran- oder Schraubenfedern; Ausrücker betätigt über einen Hebel die Anpressplatte (Anpressplatte+Federn+Gehäuse=Druckplatte) o Verschleiß: Rutschmoment senkt sich über den gesamten Reibwertbereich ab o Therm. Überbelastung: Gefahr des Durchrutschens bei max. Motormoment  irreversibel o Membranfedern sind leichter, billiger, einfacher und „drehzahlfester“ (keine Fliehkraftbeeinflussung), günstige Federcharakteristik o Federcharakteristik: Schraubenfeder hat lin. Charakterisitik, analog dem Federgesetz ist Anpresskraft zu Kupplungsweg proportional; Membranfeder hat entsprechend dem Federgesetz eine Charakteristik höherer Ordnung o Auswirkung Abnützung: bei Schraubenfeder senkt sich Anpresskraft linear ab; bei korrekter Auslegung der Membranfeder gibt es eine geringere Abnahme sicherer gegen Durchrutschen bei max. Motormoment

o Heutige Kupplungen:

- Membranfedern zum Anpressen - Blattfedern zur Führung/ Rückführung der Anpressplatte/ zur Drehmomentübertragung - sind torsionsgedämpft - zusätzlich Belagfedern (Erzielt leicht dosierbare Kupplungsbetätigung; bei Rupfen, unparallelen Belägen)

1.2.3 Auslegung von Kupplungen   

Erfolgt bezüglich Durchrutschsicherheit bei maximalem Moment Im Neuzustand liegt das Rutschmoment auch bei geringen Reibwerten über dem maximalen Motormoment Parameter: Reibfläche ( di / da 0,6  0,7 ) und Anzahl der Reibbeläge (Pkw: meist 2, Lkw: meist 4)

1.2.4 Wirkungsgrad der Kupplung  hängt ab vom Schlupf  Verluste v.a. durch Leistungsumsetzung in Wärme  Unter einigen Voraussetzungen ist für 0 t t KR  0,5 1.2.5 Ergänzungen • • •



Antriebsseite Abtriebsseite

10-40%

i n s t a b Hebel,i l

Gedrückte (einfachere Montage/ Demontage) oder gezogene (größere weniger Durchbiegung) Betätigung Hydrodynamische Kupplung: 2 radial beschaufelte Räder (Pumpenrad P und Turbinenrad T), kein drittes Glied zur Drehmomentabstützung Lamellenkupplung: Lamellenpaket stellt Reibschluss zwischen Antriebsrad und Kupplungsnabe her, Druck auf Druckbolzen führt zum Auskuppeln

1.3 Getriebe 1.3.1 Allgemeines o Aufgaben: n und M wandeln, Drehrichtungsumkehr o Notwendig, weil ein Verbrennungsmotor nur in einem engen Drehzahlbereich annähernd Nennleistung entwickelt, sie sind Drehmoment-Drehzahl Wandler o Anforderungen: geeignete Übersetzung, hoher Wirkungsgrad, Laufruhe, leichte Schaltbarkeit, hohe Lebensdauer, niedriges Gewicht… o Bauform: äußere Gestalt, Anordnung von An- und Abtrieb o Bauart: konstruktive Ausführung o Hauptfunktionen: - Anfahren ermöglichen - Übersetzen, n ändern - Schalten, Leistungsfluss herstellen - Betätigung (z.B. Handschaltung) o Generelle Unterscheidung: Stufengetriebe und stufenlose Getriebe (keine Schaltpausen)

o Nach Art der Schaltung:  formschlüssig geschaltetes Getriebe (lastfreies Schalten)  kraftschlüssig geschaltetes Getriebe (keine Unterbrechung notw., Schalten z.B. im Planetengetriebe)  sebsttätig oder stufenlos anpassende Getriebe (z.B. hydrodynamischer Wandler) 1.3.2 Bauarten von Schaltgetrieben 

 

Gleichachsiges Getriebe (Eingangs- und Ausgangswelle fluchten, = Direktgetriebe, Ausgangs- = - Eingangsdrehrichtung, Vorgelegewelle für die Schaltvorgänge, es gibt einen direkten Gang, ansonsten mind. 2 Zahnradpaare im Eingriff, ein Rad für Richtungsumkehr) Ungleichachsiges Getriebe (Abtrieb über Vorgelegewelle, Ausgangs- Eingangsdrehrichtung, nur ein Zahneingriff, kein direkter Gang weil Zähnezahl nicht gleich [durcheinander teilbar] sein darf) Auslegung erfolgt bezüglich: - Zahnfußtragfähigkeit Aufgrund von - Flankentragfähigkeit Lastkollektiven - Gleitverschleiß



1.3.3 Schaltvorgang – Synchronisiereinrichtung  Unterscheidung durch Art der Gangwechsel: o Schieberadgetriebe: Verschieben der Räder mit Zwischengas/ -kuppeln o Klauengetriebe: ständiger Eingriff, Räder werden mit Muffen mit Wellen verbunden, auch Zwischengas/-kuppeln o Synchrongetriebe: Klauengetriebe mit Synchronisierung beim Schaltvorgang; o Arten von Synchronisierungen: Zwangssynchronisation oder Sperrsynchronisation (mit Sperrglied) o Synchronisierung: An- und Abtriebszahnrad auf gleiche n bringen  Sperrsynchronisation: Schaltmuffe wird beim Schalten zum Gangrad verschoben, drückt dabei den Innenreibkegel des Synchronrings auf den Außenreibkegel des Gangrades  Verdrehung und Bremsmoment  kein Weiterschieben wegen Sperrverzahnung  Druck  Bremsmoment steigt  Gleichlauf  Bremsmoment verschwindet  Sperrverzahnung nicht mehr wirksam, Gang kann geschalten werden  Verschiedenste Ausführungen: integrierendes Differential, Leichtlaufgetriebe… 1.3.4 Umlaufgetriebe (Planetengetriebe) • • • •

Außenverzahntes Zentralrad (Sonnenrad), innenverzahntes Zentralrad (Hohlrad), 3 mit den Rädern kämmende Planetenräder, ein Planetenträger Verschiedenste Möglichkeiten der Zuordnung von Eingang, Ausgang und Festteil: Übersetzung ins langsame oder schnelle, Vorwärts- oder Rückwärtsgang Lamellenkupplung/-bremse überträgt ein Moment durch Aneinanderpressen von Lamellenpaketen Servoelement mit Bremsband: auch in Planetengetriebe verbaut

1.3.5 Ausgleichsgetriebe (Verteilergetriebe) (= Achsgetriebe)

o Zur Aufteilung von Drehmomenten und zum Ausgleich von Drehzahlunterschieden, Quer- (Ausgleichsgetriebe) oder Längsdifferential (Verteilergetriebe), abschaltbarer Betrieb ist möglich, eingesetzte Verzahnungen: - Spiralkegelräder - Hypoidkegelräder (heute überwiegend verwendet; +: leise, baut niedrig, -: hohe Drücke  bes. Schmiermittel) - Schneckenräder - Stirnräder o Funktionsweise: Ausführung: - nicht sperrend - selbstsperrend (über Fliehkraft) - manuell sperrbar o Drehmoment wird vom Differenzialkorb auf die Ausgleichsräder übertragen, es gilt immer: Mlinks Mrechts  Nachteil: bei Eis oder  -Split bestimmt Rad mit geringerem Kraftschluss die Gesamtantriebskraft  Lösung: Sperrdifferenzial o Selbstsperrendes Differenzial: hohe Drehzaldifferenz verursacht Kraftschluss  lastabhängige Sperrwirkung o Sonderfall: Torsendifferenzial: mit Schneckenrädern, durch die Selbsthemmung des Schneckentriebs wird der langsamer drehenden Achse mehr Moment zugeführt; Antrieb erfolgt über eine Hohlwelle, dann Verteilung der Kraft mit Schneckenrädern auf die Achsen, nur bei n drehen die Schneckenräder sich, sonst Übertragung über Stirnräder ohne Hemmung, bei Durchdrehen eines Rades tritt Selbsthemmung im Schneckentrieb auf o Werden oft bei Allradantrieben verwendet, z.B. bei Audi 1.3.6 Haldex-Kupplung Elektronisch geregelte Lamellenkupplung am Hinterachsgetriebe für permanenten Allrad, die das Drehmoment autom. Und variabel (stufenlos) zur Achse mit besserer Traktion verteilt Aufbau Komponenten: Lamellenkupplung, Hydraulikpumpe, el. Steuermodul Eingang ist Kardanwelle, Ausgangswelle geht zu Hinterachsdifferential Funktion  



Über Hydraulikdruck wird übertragbares Drehmoment variiert und damit Kraftübertragung auf Hinterräder geregelt, nur bei geschlossenem Lamellenpaket kann eine Drehmomentenübertragung auf das Hinterachsdiferential erfolgen Bei Drehzahldifferenz zwischen VA und HA dreht sich Aussenlamellengehäuse mit Rollenlagern um Ausgangswelle und erzeugt dabei eine Hubbewegung, dadurch wird Öl gefördert, das auf den Arbeitskolben wirkt  Verbindung zwischen den Achsen Ein Steuergerät regelt Höhe und Verlauf des hydraulischen Drucks

1.4 Gelenkwellen  Aufgabe:

- Übertragen von P bzw. M und n (von Schalt- auf Achsgetriebe) - Zulassen von Längsverschiebungen und Winkelbewegungen

in mehreren Ebenen  Üblich: Gelenkwellen mit Kreuzgelenken: erzeugt Kardanfehler abhängig vom Beugewinkel (Welle 2 läuft mal vor, mal nach) und Ungleichförmigkeit

1 , 1 

2

cos  2  1  cos 2 1 sin 2 

- Abhilfe: Gabeln der Zwischenwelle bei 2 Kreuzgelenken in einer Ebene + alle Wellen in eine Ebene + gleiche Beugewinkel  Ausgleich des Kardanfehlers - Fehler summiert sich bei Reihenschaltung auf - Je größer der Beugewinkel ist, umso größer ist auch der result. Fehler - Ungleichförmigkeit: anh. von absoluter Größe der ungleichen Beugewinkel  Wellen mit Gelenkscheiben: mit Gummielementen, für kleine Beugewinkel und beschränkte Winkelamplituden  Gelenkwellen mit Gleichlaufgelenken: gleichförmige Übertragung durch 2 Schalen und Kugeln dazwischen  Verwendung z.B. für gelenkte Antriebsräder 1.5 Stufenlose und Automatische Getriebe (CVT) • • • •

•

Gibt es mechanische (Umschlingungsgetriebe, Ketten), hydraulische (Wandler) und elektrische (Generator/Batterie versorgen E-Motor) Aufgabe: die konventioneller Getriebe + stufenlos steuerbar und mindestens gleich großer, besser größerer Gesamtbereich Vorteile: - Optimierung der Zugkraft (keine nicht nutzbaren Bereiche) - Minimierung des Verbrauchs (oft fahren im besten Betriebspunkt) Bauformen: - mechanisch: Riemengetriebe, Kraftübertragung durch Reibschluss; Problem: Schlupf  Verlust + Verschleiß - Elektrisch: keine Kupplung, schlechter Wirkungsgrad, für Schienenfahzeuge - Hydraulisch: - hydrostatisch: verstellbare Ölpumpe und –motor schlechter  , teuer - hydrodynamisch: Wandler (Bsp.:Trilok) Trilokwandler: 3 Räder: Turbinenrad T, Pumpenrad P, Leitrad L (überträgt Differenzmoment) und Freilauf (drehen nur in eine Richtung); bis zu einem Drehzahlverhältnis  von 0,8 – 0,95 stützt sich L auf F ab, dann wird L von T und P mitgenommen Auslegung: A und B möglichst weit rechts, evtl. Kombination mit Stufengetriebe  keine Kupplung nötig



A

0,9

Wandlerbereich 0,5

•

C B Kupplungsbereich 1



Funktionsweise Trilok: (1) T steht, Abstützen des Stroms an L verstärkt Druck auf T; (2) Anfahren: Drehzahl von T nimmt zu  weniger Ablenkung  weniger Steigerung von M; (3) Kupplungspunkt: Strom durchfließt L ohne Abstützung, keine Verstärkung; (4)

Wandler arbeitet als Kupplung, L wird mitgedreht in Motordrehrichtung

• •

• •

Schubgliederband (CVX): Trapezförmige Glieder, fixiert von dünnen Stahlbändern; Einsatz: z.B. Audi Multitronic (mit Laschenkette) Axialkolbengetriebe: Schwenkung des Zylinders ändert den Hub  andere Übersetzung, Pumpe hat n = konst.  Fördervolumen abh. Vom Hub und Leistung ist proportional zum Fördervolumen Wandlerüberbrückungskupplung: Lamellenkupplung und Magnetventil im Wandler um Verluste zu minimieren (  Wandlerschlupf) Anforderungen an vollautomatische Stufengetriebe: o Verschleißfrei o Angepasste Zahl wählbarer Gänge o Kraftschlüssige Schaltelemente für jeden Gang ohne Zugkraftunterbrechung o Installierte Motorleistung möglichst ungeschmälert als Fahrleistung o Keine spezielle Wartung o Automatische Steuerung und Regelung o Funktionsicher o Baugröße, Gewicht und Herstellkosten gering

•

Mittel zur Verwirklichung: o Trilokwandler o Planeten- oder Vorgelege-Stufengetriebe o Gangläufe durch Freiläufe, Reibbremsen und Reibkupplungen o Besonderes Getriebeöl o Abfuhr der Wärmeverluste durch äußeren Kühlkreislauf o Bevorzugte Verwendung von Druckguss/ Blechumformteilen o Kühlung o Servokraft fast ausschließlich durch Öldruck erzeugt

•

Schaltprogramme: Funktionen oder Kennfelder mit Linien für jeden Gangwechsel; abh. von Fahrpedalstellung, -bewegung, v, … Automatisiertes Schaltgetriebe (ASG, Basis: Handschaltgetriebe) Kuppeln und Schalten erledigen fremdkraftbetätigte elektro-mechanische oder hydraulische Aktuatoren und ein Steuergerät  weniger Verbrauch, Emissionen; Vorteile bzgl. Gewicht, Kosten und Wirkungsgrad, kurze Schaltvorgänge, nur eine Kupplung Vorteile zu Schaltgetriebe: geringerer Verbrauch, weniger Emissionen, kein Missbrauch, shift by wire, nieriges Temp.niveau, weniger Verschleiß Vorteile zu Automatik: leichter, kleiner, ger. Verbrauch, weniger Emissionen, gutes Kaltstartverhalten, niedriges Temp.niveau, geringere Kosten

•

•

•

Doppelkupplungsgetriebe/ Direktschaltgetriebe (DSG) Keine Schaltpause oder Zugkraftunterbrechung durch zweigeteilte Getriebewelle (Innenwelle und äußere Hohlwelle) mit je einer Lamellenkupplung für je einen Teil der Gänge; im Fahrbetrieb ist immer ein Gang eingelegt und ein zweiter vorgewählt; eine Kupplung öffnet, während die andere schließt  Schaltvorgang kaum spürbar Probleme stufenlose Getriebe: Hohe Verlustleistung und Verschleiß durch Schlupf

2. Lenkung 2.1 Allgemeines Anforderungen:

- Betriebssicherheit - Direktheit - Geringer Kraftaufwand

- spürbare Kraft - Stoßfreiheit - Präzision

 Zielkonflikt bei Auslegung (dir.Lenkung mit ger. ü  ger. Kraftaufwand mit hoher ü), teilweise Abhilfe durch Servolenkung (Reduziert Lenkarbeit, Unterstützung ohne Gefühlseinbußen, Gewährleistung der Funktion bei Ausfall)

üges  Gesamtübersetzung:

üL 



üGestänge   

Lenkradw . Lenkstockh ebelw. Lenkgetriebe  Lenkstockh ebelw . Durchschn. Radeinschlagsw.

Funktion: Lenkrad dreht über Lenkgetriebe die Lenkwelle  Schwenkbewegung des Lenkstockhebels, Lenkunterstützung durch Ölkreislauf mit Steuerschieber (reguliert den Druck je nach Lenkradmoment) 2.2 Einfluss der Lenkung auf das Eigenlenkverhalten o Zahnstange als Teil des Lenktrapez oder zwei mittig angelegte Spurstangen o Rolllenken: durch Länge und Anordnung der Spurstangen beeinflusst o Je Länger die Spurstange ist, umso weniger ändert sich der Ort des Momentanpols des Rades beim Einfedern  weniger Rolllenken = Rollsteuern (unerwünscht) o Rolllenken tritt auf, weil das Rad einen anderen Momentanpol hat als der Anlenkpunkt der Spurstange am Rad  Relativbewegung beim Federn  Vorspuränderung  Rolllenken 2.3 Lenkgetriebe 3 Arten: mit Querbewegung, mit Drehbewegung, el. Lenkungen (steer by wire) 2.3.1 Lenkgetriebe mit Querbewegung An der Lenkspindel ist ein Ritzel, das eine Zahnstange bewegt (meist Schrägverzahnung wegen höherer Überdeckung besserer Zahneingriff und geringere Auswirkung des Spiels, muss aber zusätzlich abgestützt werden), variabler Einschlag durch veränderlichen Wälzkreis: innen kleine Übersetzungen für Geradeausfahrt, außen große Übersetzungen zum Parkieren (  versch. Zahnform)

Vorteile: einfacher Einbau, preiswert, geringer Bauraum, leichtgängig, reibungsarm, steife Anbindung an Karosserie möglich Nachteile: bei Crash (Zahnstange im Weg), Spiel  immer geringe Unruhe in der Lenkung, evtl schwierig gef. Spurstangenlänge zu realisieren, bei Starrachsen nicht zu verwenden (zu großes Rollsteuern) 2.3.2 Lenkgetriebe mit Drehbewegung Kugelumlaufgetriebe: mit Kugeln geführte Lenkmutter wird axial verschoben  Schwenken des Lenkstockhebels Generell mehr Reibungsbehaftet, da 2 Kugelläufe; braucht zus. Bauteile zur Führung des Lenktrapez; aber leichtgängig und verschleißarm Schneckenrollengetriebe: Lenkspindel dreht eine Schnecke Schwenken; Übersetzung durch Gestaltung der Schnecke variierbar, ermöglicht großen Einschlagwinkel bei geringem Raumbedarf, lange Spurstangen können verwendet werden Vorteile: geringer Platzbedarf, große Radeinschlagswinkel, lange Spurstangen möglich, Lenkung stoßärmer Nachteile: erhöhter Aufwand, hoher Preis, steife Karosserieanbindung schwierig, Platzbedarf (bei Frontantrieb) 2.4 Servolenkungen Lenkunterstützung: Hydraulisch, Elektrohydraulisch oder elektrisch 2.4.1 Hydraulische Lenkunterstützung 









Pumpe läuft immer, erzeugt eine Hilfskraft abhängig vom Lenkmoment über einen Torsionsstab die den Fahrer unterstützt. Durch verschiedene Zu- und Abläufe Druckunterschied auf Arbeitskolben Torsionsstab: zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe; Drehung erzeugt Verdrehung der Kolbenführung gegenüber dem Kolbengehäuse durch andere Stellung der Kolben ergibt sich eine Druckdifferenz zwischen zwei getrennten Ölkreisläufen  resultierende Kraft auf einen Arbeitskolben erzeugt Hilfskraft zur Lenkung Bsp.: Zwei getrennte Ölkreisläufe mit Ventilkolben auf einer gemeinsamen Welle, Verschiebung der Kolben  Zulauf durch große, Rücklauf durch kleine Öffnung im Kolben  Druckdifferenz der Kreisläufe  resultierende Kraft auf Arbeitskolben Ist auch mit Drehkolbenventilen möglich; Sonderfall: Drehschieberventile (ebenfalls 2 Kreisläufe, relative Verdrehung anstatt Translationsbewegung); auch hier muss der Rücklauf durch eine kleinere Öffnung als der Zulauf u.U. erfolgen, so baut sich ein Druck am Arbeitskolben auf Heute: Drehschieberventile, da billiger und geringerer Platzbedarf

2.4.2 Geschwindigkeitsabhängige Lenkunterstützung  Alle bisherigen Lenkunterstützungen waren abh. vom herrschenden Moment; jetzt: sinkende Lenkunterstützung mit steigender Geschwindigkeit

 Üblich: Aufbau wie bei Drehkolbenventilen, zusätzlich Magnetventil (regelt den Rückfluss zu Pumpe), bei höherem v wird der Öffnungsquerschnitt vergrößert  Drücke in beiden Kreisläufen nähern sich an  weniger Lenkunterstützung 2.4.3 Elektrohydraulische Lenkunterstützung (heute Standard) • • • •

Ziel: Energie Sparen Pumpe wird nur im Bedarfsfall elektrisch angesteuert  weniger Verluste durch Ölumwälzung Varianten entsprechend obiger Abschnitte sind möglich Heute: elektrohydraulische LU mit geschwindigkeitsabh. LU kombiniert

2.4.4 Elektrische Lenkunterstützung o Hilfskraft durch einen Elektromotor direkt ins Lenkgetriebe über eine Kupplung nach Kennfeld(ern) o Freie Wahl der Größe der Hilfskraft abhängig vom Fahrzustand, Fahrstil,… o Fehlsenierung muss auf jeden Fall ausgeschlossen werden o Zusätzliche Energieeinsparung im Vergleich zur elektrohydraulischen LU 2.5 Überlagerungslenkung Elektromotor erzeugt Zusatzlenkwinkel der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel mit Hilfe eines in die Lenksäule integrierten Getriebes überlagert wird. Es ist ein aktives Lenksystem zur Optimierung des Fahrverhaltens. Bei niedrigem v wird der Lenkwinkel der Vorderräder erhöht, bei hohen herabgesetzt. Funktionsweise Steuergerät ermittelt notw. Zusatzlenkwinkel und steuert den Aktuator an, eine mechanische Verbindung ist auch bei Ausfall vorhanden. Ausführungen:  

Überlagerung einer Translationsbewegung: an Zahnstange, hohe Leistung notwendig, mit Stellzylinder Überlagerung einer Rotationsbewegung: Doppelplanetengetriebe vor Servolenkung + Elektromotor, ermöglicht theoretisch unendliche Lenkwinkel, geringere Kraft notwendig

Stabilisierungsfunktion durch geregelten Lenkeingriff Stabilisierungsregler berechnet stabilisierenden Lenkeingriff. Im Vergleich zur Fahrstabilisierung über die Radschlupfregelung (ESP) hat die Stabilisierung über den Lenkeingriff folgende Vorteile:  Lenkeingriff für Fahrer weniger spürbar als Bremseingriff  Geht schneller als Radschlupfsysteme  Fahrzeuggeschwindigkeit wird weniger reduziert 2.6 Elektrische Lenkung