A&T 12/2023

12 | DEZEMBER 2023

www.auto-wirtschaft.ch NEWS Frühwarnsystem soll Akkuschäden erkennen Vorausschauendes System mit Echtzeitdaten

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Bremsenset für leichte Nutzfahrzeuge reduziert Emissionen Mehr Bremssicherheit bei Nutzfahrzeugen

FACHWISSEN Kraft und Bewegung Kräfte begegnen uns im täglichen Leben immer und überall. Zu jeder Bewegung und Geschwindigkeitsänderung gehört eine Kraft. Und um Kräfte in andere Richtungen umzulenken, müssen sie zerlegt werden. Die Kräftezerlegung kommt auch im Auto an einigen prominenten Stellen zum Zug.

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TECHNIK Motor an seiner Wirkungsstätte Continental und Deep-Drive – der Entwickler eines DoppelrotorRadialfluss-Motors – arbeiten gemeinsam an einer kombinierten Einheit aus Antriebs- und Bremskomponenten, die direkt am Rad zum Einsatz kommt.

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Signale statt Kraft übertragen ZF hat ein rein elektromechanisches, also «trockenes» Brake-by-Wire-Bremssystem für Software-definierte Fahrzeuge präsentiert, das vom Pedal bis zu den Bremsbelägen ohne Hydrauliksystem auskommt.

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80 12/23 NEWS

BAM / VITESCO

S

ysteme, die vor dem thermischen Durchgehen der Traktionsbatterie ein Warnsignal an die Personen in der Fahrgastzelle des Elektroautos abgeben, registrieren schadhafte Veränderungen des Akkus über Sensoren, die auf verdächtige Temperatur- oder Druckveränderungen innerhalb der Batterie reagieren.

Der Nachteil dabei: Ein Alarm wird erst ausgelöst, wenn die Batterie bereits gravierend geschädigt ist. Ein thermisches Durchgehen und damit wahrscheinlich auch die vollständige Zerstörung der Batterie sind zu diesem Zeitpunkt meist unvermeidlich.

In Kooperation mit Vitesco Technologies forscht die deutsche Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) nun an einem Warnsystem, das kritische Veränderungen

Bild: BAM

FRÜHWARNSYSTEM SOLL AKKUSCHÄDEN ERKENNEN

Das Frühwarnsystem misst und analysiert den Wechselstromwiderstand und kann so gefährliche Veränderungen in einer Batteriezelle deutlich früher registrieren.

in einzelnen Batteriezellen früher anzeigt und so hilft, einen Totalverlust zu vermeiden. Grundlage dabei ist ein Verfahren, das fortwährend den elektrischen Wechselstromwiderstand, also die Impedanz in der Zelle misst und analysiert. Für aussagekräftige Impedanzanalysen sind bisher allerdings lange Messzeiten notwendig, welche die Implementierung derartiger Analysen in ein Batteriemanagementsystem (BMS) verhindern. Das Projekt-Team modifiziert deshalb die Messmethodik, so dass eine hohe Beschleunigung in Aufzeichnung und Verarbeitung der Impedanzdaten möglich ist. Das Frühwarnsystem soll im Ernstfall einen Service initiieren oder als sofortige Schutzmassnahme zum Beispiel das Abschalten einzelner Zellen auslösen. (pd/sag)

CONTINENTAL

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ontinental wird ab 2025 mehrere Millionen Autos eines grossen europäischen Herstellers mit dem «eHorizon for Dynamic Road Events» ausstatten. Während das vorausschauende System «eHorizon» bereits seit 2022 erfolgreich bei einem grossen Erstausrüster im Einsatz ist, bietet diese neueste Version Echtzeiteinblicke in Verkehrsereignisse und potenzielle Gefahren, denn die cloudbasierte Lösung enthält neben statischen Daten wie Strassengeometrie und -topologie auch hochzuverlässige dynamische Informationen zu Strassenereignissen. Dazu gehören beispielsweise Stauenden, vorausgehende Unfälle, Baustellen, rutschige Fahrbahnverhältnisse, Hindernisse auf der Strasse und vieles mehr. So können sich

Bild: Continental

VORAUSSCHAUENDES SYSTEM MIT ECHTZEITDATEN

Contis «eHorizon» erhält dynamische Informationen zu Strassenereignissen wie etwa zu Stauenden, rutschigen Fahrbahnverhältnissen, Baustellen und vielem mehr.

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Fahrzeuge proaktiv auf ändernde Strassenbedingungen einstellen und früher als herkömmliche Sensorfunktionen darauf reagieren, also beispielsweise die Geschwindigkeit vorzeitig reduzieren.

Die «eHorizon»-Plattform wird stetig weiterentwickelt, dazu werden kontinuierlich neue Datenquellen und Lieferanten integriert, verschiedene Ereignistypen hinzugefügt (zum Beispiel Bahnübergänge, Begegnungen mit Wildtieren), und die geografische Reichweite wird auf weitere Regionen ausgedehnt. Die flexible Architektur erlaubt eine schnelle Anpassung an Veränderungen und neue Lieferanten – und die Plattform verändert die Interaktion zwischen Fahrzeugen, Fahrern und ihrer Um­ gebung und steigert dadurch die Verkehrssicherheit. (pd/sag)

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BREMBO

BREMSEN-SET FÜR LEICHTE NFZ REDUZIERT EMISSIONEN Bild: Brembo

B

rembo steht vor der Markteinführung seines neuen sogenannten Beyond-Greenance-Kits, einer speziell für leichte Nutzfahrzeuge entwickelten umweltfreundlichen Bremsenlösung, die letztes Jahr auf der Automechanika vorgestellt und im vergangenen Oktober mit einem renommierten Top-Innovator-Award 2023 (Kategorie «Green») des Verbands der europäischen Automobilzulieferer (CLEPA) ausgezeichnet wurde. Das Greenance-Kit ist Teil der neuen Produktlinie Brembo Beyond, die auf Innovation und Nachhaltigkeit von Ersatzteilen für sämtliche zukünftigen Fahrzeuggenerationen ausgerichtet ist. So umfasst das Sortiment der Greenance-Kits aufeinander abgestimmte Leichtmetallbremsscheiben und neu konzipierte Bremsbeläge,

Das Beyond-Greenance-Kit ist eine für leichte Nfz entwickelte Bremsenlösung mit neu konzipierten Bremsbelägen und darauf abgestimmten Leichtmetallbremsscheiben.

die gemeinsam entwickelt wurden.

Damit wird das Aftermarket-Angebot von Brembo deutlich erweitert.

Brembo preist das Greenance-Kit als optimale Kombination aus Leistung und Langlebigkeit an. Gleichzeitig soll es die Umweltbelastung beim Bremsen deutlich verringern. Die Partikelemissionen werden signifikant reduziert, Brembo spricht von –83 % bei PM 10 und –80 % bei PM 2.5.

Die Lösung stellt zudem eben auch eine längere Laufleistung sicher und ermöglicht so um durchschnittlich 15 % reduzierte Fahrzeugbetriebskosten. Mit den Greenance-Kits wird eine bessere Verschleissfestigkeit der Bremsscheiben erzielt, was eine Verdreifachung der Lebensdauer im Vergleich mit einem gleichwertigen Aftermarket-Produkt ermöglichen soll. (pd/sag)

IAV / TU BERLIN

MEHR BREMSSICHERHEIT BEI NUTZFAHRZEUGEN Bild: IAV

I

AV und die TU Berlin haben in zweijähriger Forschungsarbeit die technische Grundlage für ein neues Fahrerassistenzsystem für Nutzfahrzeuge erarbeitet, mit dem es möglich wird, die übertragbare Kraft zwischen Reifen und Fahrbahn im Betrieb auf der Strasse zu bewerten und den Fahrer vor einem verminderten Reibwert zu warnen.

Weiterentwickelt und auf den Anwendungsfall angepasst könnte diese Methode in hochautomatisierten Fahrzeugen zur Anwendung kommen. Das Besondere an der Methode ist, dass sie vorhandene Anzeiger wie beispielsweise Aussentemperaturfühler und Regensensor nutzt und darüber hinaus keine weitere Sensorik benötigt. Lediglich Wetterdaten werden über eine Datenverbindung ins Fahrzeug geholt

Bremsversuch mit einem Lastwagen: Experten von IAV und TU Berlin haben eine Datenbank mit Dutzenden Parametern zu jedem erfassten Bremsvorgang aufgebaut.

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und mithilfe einer neuen Software ausgewertet.

Im Zentrum der umfangreichen Untersuchungen von Bremsmanövern bei verschiedensten Witterungsbedingungen und auf unterschiedlichsten Fahrbahnbelägen stand der aus der Interaktion von Reifen und Fahrbahn resultierende «Reibwert» und die Frage, wie gut man die Kräfte zwischen Reifen und Strasse übertragen kann. Dazu haben Experten von IAV und TU Berlin eine Datenbank mit Dutzenden Parametern zu jedem erfassten Bremsvorgang aufgebaut.

Gemessen wurde insbesondere die Bremsverzögerung in Längsrichtung des Lastwagens – dabei wurden auch die Daten und Erkenntnisse aus über 8000 vergleichbaren Vollverzögerungen mit Personenwagen hinzugezogen. (pd/sag)

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auslöst. Die Bewegung äussert sich in einer Beschleunigung, welche im Beispiel des Boxsackes im ersten Moment am grössten ist und dann immer kleiner wird. Bleibt aber die einwirkende Kraft konstant, so bleibt auch die Beschleunigung konstant.

Damit kann diese newtonsche Aussage auch in eine physikalische Formel gepackt werden:

Bild 1. Der neue Weltrekord-Formula-Student der ETH-Zürich. Um die Kraft auf den Boden zu bringen, welche erforderlich ist, um in weniger als einer Sekunde 100 km/h zu erreichen, muss das Fahrzeug mit Unterdruck auf die Strasse gesaugt werden.

Nur so erhalten die Pneus genügend Grip.

Physik

KRAFT UND BEWEGUNG Kräfte begegnen uns im täglichen Leben immer und überall. Manche Kräfte sind praktisch und ­andere müssen überwunden werden. Sicher gehört zu jeder Bewegung und Geschwindigkeitsänderung eine Kraft. Und um Kräfte in andere Richtungen umzulenken, müssen sie zerlegt werden.

Die Kräftezerlegung kommt auch im Auto an einigen prominenten Stellen zum Zug. Text: Andreas Lerch | Bilder: ETH Zürich, SBG, aCentauri, Lerch

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enn es um die Beschleunigung oder um die Höchstgeschwindigkeit von Strassenfahrzeugen geht, hört man immer den Ausdruck Leistung – manchmal vielleicht auch noch Drehmoment. Aber eigentlich geht es um die Kraft, welche das Auto über vier Flächen, die je so gross sind wie eine Handfläche, auf die Strasse überträgt.

Newton und die Kraft Isaac Newton war wohl einer der bedeutendsten Wissenschaftler. Er lebte von 1643 bis 1727 in England.

Statt auf dem elterlichen Bauernhof mitzuarbeiten, studierte er in Cambridge. Die Universität wurde jedoch 1665 wegen der Pest geschlossen und Newton forschte zu Hause weiter und legte in dieser Zeit die

Grundsteine für die Differential- und Integralrechnung; er entdeckte, dass weisses Licht aus farbigem Licht besteht, und er machte sich Gedanken über die Bewegung und die Kraft.

In den drei newtonschen Axiomen (Gesetzen) begründet er wesentliche, aber auch selbstverständliche (!) Dinge aus dem täglichen Leben mit physikalischen Gesetzen.

In seinem ersten Gesetz begründet er die Trägheit. Ein Boxsack hängt an der Decke und bewegt sich nur, wenn er angestossen wird. Wird er nicht angestossen und ist es in dem Raum windstill, so hängt er senkrecht nach unten und bewegt sich nicht.

Das zweite Gesetz gilt als Grundgesetz der Mechanik, denn hier kommt nun die Kraft ins Spiel. Wird auf den Boxsack eine Kraft ausgeübt, bewegt er sich, und zwar genau in jene Richtung, in welche die Kraft wirkt.

Je stärker auf den Sack geschlagen wird, je grösser also die einwirkende Kraft, desto grösser der Ausschlag oder die Bewegung. Ebenfalls ist es wichtig, wie schwer der Sack ist. Je schwerer, desto kleiner der Ausschlag bei einer gegebenen Kraft.

Im dritten Gesetz beschreibt er, dass zu einer Kraft immer eine Gegenkraft gehört, welche im Betrag gleich und in der Richtung entgegengesetzt ist. Nur so kann ein Körper in Ruhe, also bewegungslos oder in gleichbleibender Bewegung sein.

Sitze ich auf meinem Stuhl und der Boden bringt nicht die genau gleiche Kraft gegen die Stuhlbeine, dann versinke ich oder ich fliege weg.

Zweites newtonsches Gesetz Im Grundgesetz der Mechanik zeigt sich, dass die Kraft, welche auf eine Masse wirkt, eine Bewegung

Einheiten In dieser Formel kommen drei Basiseinheiten zum Tragen: das Kilogramm als Einheit der Masse m, der Meter als Einheit der Länge l und die Sekunde als Einheit der Zeit t. Werden die Strecke und die Zeit miteinander verknüpft, kommt dabei die Geschwindigkeit heraus: Meter pro Sekunde oder Kilometer pro Stunde. Physikalisch einfacher und bezogen auf die Basiseinheiten bleiben wir bei der Einheit Meter pro Sekunde.

Die Beschleunigung ist die Geschwindigkeitsänderung über einer Zeiteinheit = m/s pro Sekunde, oder aber:

So ergibt sich für die Kraft die Einheit:

Die Einheit Newton ist also eine Verknüpfung von Basiseinheiten und würde eigentlich «Kilogramm-Meter pro Sekunde im Quadrat» heissen.

Da ist die Einheit Newton aber sicher einfacher.

Basiseinheiten Die Schweiz hat im Januar 1978 das Messwesen grundlegend revidiert und das neue internationale System der Masseinheiten (Système international d’unités) eingeführt.

Sämtliche Einheiten werden nun auf die sieben Grundeinheiten zu­ rückgeführt und davon abgeleitet.

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FACHWISSEN 12/23 83

Temperatur (Kelvin), die Stoffmenge (mol) und für die Lichtstärke (Candela). Es tönt erstaunlich, aber alle physikalischen Einheiten können von diesen Basiseinheiten abgeleitet werden.

Speziell an diesen «neuen» Einheiten war vor allem, dass sie nicht mehr von Messprototypen abhängig sind, sondern auf Naturkonstanten beruhen (ausser Kilogramm). Für Nichtwissenschaftler sind die Definitionen natürlich viel komplizierter geworden. Früher bezog sich das Mass 1 Meter auf den in Paris gelagerten Urmeter, der aus einer ganz speziellen Edelmetalllegierung gefertigt war. Heute bezieht sich die Definition des Meters auf die Geschwindigkeit von elektromagnetischen Strahlungen im Vakuum (Lichtgeschwindigkeit) und kann mit jeder stabilen Strahlung in jedem Labor auf dieser Welt oder im Weltall gemessen oder kalibriert werden.

Für uns wäre die Anwendung insofern einfacher geworden, als dass heute die mechanische, die elektrische und die thermische Leistung mit der gleichen Einheit (Watt) ausgestattet sind. Früher galt die Pferdestärke für die mechanische Leistung, das Watt für die elektrische und die Kalorie/Sekunde für die thermische Leistung.

Bild 2. Die Karikaturen zeigen die für die Mechanik wichtigen drei Basiseinheiten.

In der Mechanik sind dies die im Bild 2 dargestellten Einheiten für die physikalischen Grössen der Länge, der Masse und der Zeit. Als Basis für die Elektrizitätslehre dient die Einheit für die Stromstärke. Dann bleiben noch die Einheiten für die

Kraft und Gewichtskraft Wieso hängt nun der Boxsack gerade nach unten? Das hat sich Herr Newton vor dreihundertfünfzig Jahren auch gefragt, und er kam zur Überzeugung, dass es sich eben nicht um eine Erdanziehungskraft handelt, sondern um eine Beschleunigung in Richtung des Erdmittelpunktes.

Aus diesem Grund schmerzt mich ein Steinchen von 10 g, welches mir von 1 m auf den Fuss fällt, weniger, als ein Stein von 10 kg Masse. Die Erdbeschleunigung liegt in unseren Breitengraden bei 9.81 m/s2. Ob wir jetzt 0.01 kg mal 9.81 m/s2 rechnen oder 10 kg, so ergibt sich bei der zweiten Rechnung eine 1000-mal grössere Kraft – und die schmerzt

mehr! Wird das Beispiel versüsst und anstelle eines Steins eine 100 Gramm schwere Tafel Schokolade fallengelassen, ergibt sich eine Beschleunigungskraft von ziemlich genau 1 Newton, weil 0.1 kg mal ca. 10 m/s2 genau 1 N ergeben.

Folglich brauchen wir zum Anheben oder Halten einer Tafel Schokolade ziemlich genau die Kraft 1 Newton.

Bei der automobilen Beschleunigung geht es also grundsätzlich um die Beschleunigungskraft und die Fahrzeugmasse. Je grösser die Kraft und je kleiner die Masse ist, desto schneller kann das Auto auf 100 km/h beschleunigen. Die Beschleunigungskraft hängt in einem Auto von der Kraft ab, welche die Kolben auf die Kurbelwelle wuchten.

Diese wird dann im Getriebe in den unteren Gängen und im Achsgetriebe vergrössert und zum Schluss über die Antriebswellen zu den Rädern geführt. Im ersten Gang wird die angelieferte Kraft mehr vergrössert als

in den höheren Gängen. Aus diesem Grund schlägt in Bild 3 die rote Kurve des 1. Ganges am höchsten aus.

Aus diesem Fahrleistungsdiagramm kann herausgelesen werden, bei welcher Geschwindigkeit das Fahrzeug in welchem Gang wie viel Kraft auf die Räder bringen kann. Dank dem Getriebe liegt mit zunehmender Geschwindigkeit immer weniger Kraft an. Die Fahrwiderstände, welche im Beispiel (Bild 3) auf den Luftwiderstand bzw. die Luftwiderstandskraft reduziert werden, vergrössern sich quadratisch zur Geschwindigkeit.

Dabei kommt es natürlich darauf an, wie windschlüpfrig eine Karosserie gebaut wird (cW-Wert) und wie gross die Angriffsfläche ist. Bei dem Solarfahrzeug des «aCentauri»-SolarRacing-Teams der ETH Zürich, welches sich kürzlich auf der 3000 km langen Strecke zwischen Adelaide und Darwin quer durch das australische Outback mit 31 anderen

Bild 3. Das Fahrschaubild mit der idealen Zugkrafthyperbel gibt über die wirkenden Kräfte in einem Fahrzeug kompetent Auskunft.

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Bild 4. Das Solarfahrzeug des «aCentauri»-Solar-Racing-Teams weist eine tolle Aerodynamik und eine sehr kleine Stirnfläche auf. So können Fahrwiderstände verkleinert werden.

Teams in der Kategorie Challenger mass, hat offensichtlich nur eine verschwindend kleine Angriffsfläche für den Wind und auch der Luftwiderstandsbeiwert wird gering sein (Bild 4). Damit würde bei diesem Fahrzeug die blaue Linie in Bild 3 flacher ausfallen als bei einem serienmässigen sportlichen Fahrzeug.

Kräftegleichgewicht Das Fahrleistungsdiagramm zeigt einige Zusammenhänge sehr deutlich: Die Fahrwiderstände wie auch die Antriebskräfte sind beides Kräfte, die gegeneinander wirken (ähnlich wie beim sportlichen Seilziehen).

Bei kleinen Geschwindigkeiten wird nur ein geringer Kraftanteil für die Überbrückung des Luftwiderstandes benötigt, die restliche Kraft bleibt für die Fahrzeugbeschleunigung in Reserve. Wird sie nicht gebraucht, weil der Fahrer nicht beschleunigen will, so gibt er weniger Gas und die Antriebskraft wird kleiner. Erst wenn die Antriebskraft genau der Widerstandskraft entspricht, bleibt die Geschwindigkeit konstant.

So ist es auch beim Seilziehen: Sind beide Mannschaften genau gleich stark, bleiben sie stehen.

Daraus ergibt sich, dass die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges

dort liegt, wo sich die rote und die blaue Kurve schneiden. Man kann im Diagramm erkennen, dass der Schnittpunkt im fünften Gang bei 300 km/h liegt, im vierten bei etwa 290 km/h.

Kraftüberschuss Die Differenz zwischen der Antriebskraft und maximalen Kraft bei einer bestimmten Geschwindigkeit ergibt die Beschleunigungskraft. Das bedeutet, dass bei kleinen Geschwindigkeiten Kräfte über 20’000 N auf die Räder geführt werden können.

Ob diese Kräfte auf die Strasse gebracht werden können oder ob dabei die Haftreibung aufgehoben wird und in Gleitreibung übergeht (Rad dreht durch), hängt von der Anpresskraft der Antriebsräder auf die Strasse, von der Anzahl der angetriebenen Räder und von der Qualität der Reibpartner Reifen und Strasse ab. In jedem Fahrleistungsdiagramm müsste es eine waagrechte Linie geben, welche die Rutschgrenze der Räder bezeichnet.

Gerichtete Grösse Die Kraft ist eine gerichtete physikalische Grösse oder mit dem Fremdwort ist die Kraft eine vektorielle Grösse. Dass die Kraft eine

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physikalische Grösse ist, braucht nicht mehr erklärt zu werden. Die Grösse der Kraft besteht aber aus einem Betrag und einer Richtung.

Der Betrag einer Antriebskraft kann aus dem Diagramm in Bild 3 herausgelesen werden, und die Richtung dieser Kraft ist auch klar: Sie wirkt in der Antriebsrichtung des Fahrzeuges. Dagegen wirkt die Richtung der Widerstandskraft genau entgegen.

In Bild 5 befährt ein Auto eine Steigung. Hier werden alle Widerstandskräfte sichtbar. Es sind dies die Luftwiderstandskraft (b), die Rollwiderstandskraft (c) und die Steigungswiderstandskraft (d). Da diese Kräfte alle in die gleiche Richtung zeigen, können sie mathematisch addiert werden. Die dagegenwirkende rote Antriebskraft (a) ist noch grösser. Deshalb bleibt noch ein zusätzlicher Pfeil übrig, welcher für die Beschleunigungskraft (e) steht.

Je grösser dieser Pfeil ist, desto grösser ist auch die maximal mögliche Beschleunigung des Fahrzeugs.

Die Beschleunigung kann auch vergrössert werden, indem die Fahrzeugmasse oder die Fahrwiderstandskräfte verkleinert werden.

Darauf weist wiederum das Rennfahrzeug in Bild 4 hin. Zusätzlich ist vom Velofahren bekannt, dass

es einfacher ist, bergab zu beschleunigen als bergauf. Fährt man bergab, hilft die Steigungskraft der Beschleunigung, weil die Steigungskraft in die gleiche Richtung wie die Antriebskraft wirkt. Fährt man hingegen bergauf, wirkt eben die Steigungskraft als Widerstand der Antriebskraft entgegen.

Kräftezerlegung Die Kraftvektoren können geometrisch addiert (zusammengesetzt) und subtrahiert (zerlegt) werden.

Im Beispiel der Steigungskraft ist die Gewichtskraft des Fahrzeuges bekannt, welche in Richtung des Erdmittelpunktes wirkt. Wird der Betrag dieser Kraft über einen Kräftemassstab einer bestimmten Pfeillänge zugeordnet, kann die Gewichtskraft nun geometrisch in zwei Richtungen zerlegt werden. Die eine Richtung zeigt rechtwinklig auf die Strasse (Normalkraft) und die zweite zeigt parallel zur Strasse (Steigungskraft).

Werden die Wirkungslinien für die Normal- und die Steigungskraft durch den Ursprungs- und den Endpunkt der Gewichtskraft des Fahrzeuges gezeichnet, ergibt sich ein Rechteck, dessen Diagonale die Gewichtskraft darstellt. Die Seitenlängen stellen die Beträge der Kräfte dar und die Pfeile ihre Richtung.

Bild 5. Antriebskräfte und Fahrwiderstandskräfte im automobilen Fahrbetrieb. aA ­ ntriebskraft – b Luftwiderstandskraft – c Rollwiderstandskraft (verteilt sich auf alle vier Räder) – d Steigungswiderstandskraft – e Beschleunigungskraft. Oben rechts ­werden die Widerstandskräfte addiert und der Antriebskraft gegenübergestellt.

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nicht geschehen. Diese zweite Kraft ist die Seitenkraft (4). Soll die Kolbenkraft nach rechts umgelenkt werden, muss diese Umlenkung nach links abgestützt werden. Das geschieht durch die Seitenkraft. Diese Seitenkraft ist auch dafür verantwortlich, dass sich die Zylinderwand auf der «Druckseite» mehr abnützt als auf der gegenüberliegenden Seite. Ähnlich wie bei der Kräftezerlegung des Autos an der Steigung (Bild 5) müssen zwei Wirkungslinien gefunden werden. Die eine Wirkungslinie geht durch die Pleuelstange und die andere rechtwinklig zur Kolbenkraft in Richtung Zylinderwand. Diese Wirkungslinien werden dann parallel durch den Endpunkt des senkrechten Kraftvektors verschoben und damit die Beträge und Richtungen der beiden Teilkräfte bestimmt. Interessant ist, dass durch die Abstützung die Pleuelstangenkraft sogar ein bisschen grösser wird als die Kolbenkraft.

Bild 6. Die Kraftübertragung im Kurbeltrieb. 1 Kräfte aus dem Verbrennungsdruck – 2 Kolbenkraft – 3 Pleuelstangenkraft – 4 Seitenkraft – 5 Pleuelstangenkraft im Pleuelzapfen – 6 Reaktionskraft auf das Hauptlager – 7 Tangentialkraft, Umfangskraft oder drehmomentwirksame Kraft – 8 schematische Darstellung des Kurbeltriebs und im Hintergrund die Darstellung des Motors.

Motorische Kräfte Auch die Rotoren von E-Motoren brauchen Kräfte, welche sie zum Drehen bringen. Diese Kräfte entstehen durch zwei aufeinanderwirkende magnetische Felder (Lorentzkräfte) und wirken direkt in der Umfangrichtung des Rotors.

Viel komplizierter ist dieser Vorgang beim Verbrennungsmotor. Damit die geradlinige Kolbenkraft in eine Drehkraft umgewandelt werden kann, musste zunächst der Kurbeltrieb erfunden werden. Im Brennraum über dem Kolben entsteht durch die Verbrennung eine starke Erwärmung der Verbrennungsgase, wodurch sich

diese ausdehnen und den Kolben unter Druck setzen. Vom Kolbenbolzen wird diese Druckkraft auf die Pleuelstange und dann weiter auf den Pleuelzapfen der Kurbelwelle übertragen. Erst dort entsteht jetzt die Drehkraft, welche über die Kupplung auf das Getriebe wirken kann.

Dazu braucht es aber gerade zwei Kräftezerlegungen.

Pleuelstangenkraft Die erste Kräftezerlegung erfolgt im Kolbenbolzen. Die Kolbenkraft (2 in Bild 6) muss in die Richtung der Pleuelstange umgelenkt werden (3).

Das kann aber ohne zweite Teilkraft

Kurbelwellenkraft Die Pleuelstangenkraft (3) wird jetzt zum Pleuelzapfen der Kurbelwelle verschoben. In der Pleuelstange geht die Kraft nicht verloren und wird einfach ans andere Ende verschoben.

Erst dort – im Pleuelzapfen – passiert mit der Kraft wieder etwas. Sie wird erneut zerlegt, und zwar einerseits in eine Tangential- oder Umfangskraft (7), welche macht, dass die Kurbelwelle auch tatsächlich drehen kann. Die andere Wirkungslinie muss wiederum Abstützaufgaben übernehmen – und im Bereich der Kurbelwelle kann ausser den Hauptlagern kein Teil abstützen. Deshalb führt die zweite Wirkungslinie rechtwinklig zur ersten direkt ins Zentrum des Kurbelwellenhauptlagers. Werden die beiden Wirkungslinien wiederum parallel durch den Endpunkt der Kraft (5) verschoben, ergeben sich auch hier wieder die Kraftbeträge und Richtungen der anderen Kräfte. Da die Umfangskraft (7) rechtwinklig auf die Verbindung Hauptlager-Pleuellager wirkt, entsteht hier ein Drehmoment.

Die Umfangskraft ist aber kleiner als die Pleuelstangenkraft und deshalb geht hier ein grosser Teil der Kraft verloren. Am ganzen Kurbelwellenumfang gibt es gerade eine Stelle kurz vor Hubmitte, wo die gesamte Kraft in Drehmoment umgewandelt werden kann und die Hauptlagerkraft null wird (wenn die Pleuelstange zum Kurbelradius einen rechten Winkel aufweist). In der OT-Stellung trifft aber das andere Extrem zu: Die gesamte Kolbenkraft ist auch die Pleuelstangenkraft – und die wird direkt auf das Hauptlager weitergeleitet und Drehmoment gibt es keines. Die Kraftabgabe vom Kolben an die Kurbelwelle passiert nur während des Arbeitstakts. Während der anderen Takte nimmt der Kolben Kraft von der Kurbelwelle auf.

Aus diesem Grund ist es praktisch, wenn mindestens vier Kolben parallel arbeiten. So können die Arbeitsspiele verteilt werden, damit immer ein Kolben gerade am Arbeiten ist und Kraft auf die Kurbelwelle leitet.

FRAGEN 1. Aus welchen Teilen setzt sich eine ­gerichtete Grösse zusammen?

2. Aus welchen Basiseinheiten setzt sich die Einheit der Kraft zusammen?

3. Wie viele Wirkungslinien sind ­erforderlich, damit eine Kraft zerlegt werden kann?

LÖSUNG ZUR AUSGABE 11/2023 1. – Zusammenschaltung zweier ­einfacher Planetensätze.

1. – Planetensatz mit zwei in Serie ­geschalteten Planetenrädern.

1. – Planetensatz mit zwei in Serie ­geschalteten Planetenrädern und ­einem aussenver­zahnten Hohlrad (welches somit aussieht wie ein Sonnenrad).

2. Die kinematischen Verhältnisse eines Planetengetriebes.

3. Koaxial: Der Antrieb erfolgt auf der ­Verlängerung der Motorachse.

Achsparallel: Der Antrieb erfolgt auf einer parallel zur Rotorachse gelegenen Linie.

Prüfung und Instandsetzung von Common Rail Injektoren und Hochdruckpumpen

86 12/23 TECHNIK

Beim Radnabenantrieb werden Antriebs- und Bremskomponenten direkt in die Räder integriert – unmittelbar dort also, wo ihre Kräfte wirken.

Hohe Effizienz im Antrieb und beim ­Abbremsen: E-Maschine in einer Einheit mit einer hydraulischen Bremse.

Radnabenantrieb

MOTOR AN SEINER WIRKUNGSSTÄTTE Continental und das Münchner Hightech-Unternehmen Deep-Drive entwickeln gemeinsam eine kombinierte Einheit aus Antriebs- und Bremskomponenten, die direkt am Rad zum Einsatz kommt.

Dabei bringt Deep-Drive seinen Doppelrotor-Radialfluss-Motor und Continental seine techno­ logische Expertise bei Bremssystemen in die Partnerschaft ein. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Continental

R

adnabenantriebe sind eigentlich eine smarte Lösung – denn was liegt im wahrsten Sinne des Wortes näher, als Elektromotoren direkt in den Antriebsrädern zu integrieren? Entsprechende Systeme sind entwickelt und serienreif, Schaeffler etwa konnte seinen (auch für den PW-Einsatz entwickelten) Radnabenantrieb kürzlich im Segment der kompakten Kommunalfahrzeuge auf die Strasse bringen. Bei diesem Einsatzzweck fällt sicher auch der hauptsächliche Nachteil solcher Lösungen weniger ins Gewicht: die hohen ungefederten Massen mit ihrer Auswirkung auf die Fahreigenschaften.

Partner für Antriebs-Bremseinheit Einen weiteren Schub erhielten die Motoren in den Rädern, als De­epDrive auf der IAA Mobility 2021 seinen patentierten sogenannten

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Doppelrotor-Radialfluss-Motor vorstellte – eben zunächst als Radnabenantrieb, heuer auf der IAA Mobility schliesslich auch als Zentralantrieb.

In der Folge hat Continental nun eine strategische Partnerschaft zur Entwicklung von Kerntechnologien für Elektrofahrzeuge mit dem Münchner Hightech-Unternehmen gestartet, als deren ersten Meilenstein eine kombinierte Einheit aus Antriebs- und Bremskomponenten realisiert werden soll, die direkt am Rad zum Einsatz kommt. Beide Unternehmen sehen ein grosses Potenzial in der Zusammenarbeit, denn durch die Elektrifizierung von Fahrzeugen wird es möglich, künftig alle Fahrwerksfunktionen einschliesslich des Antriebs direkt am Rad zu platzieren.

Um jedoch die unterschiedlichen Anforderungen von Elektrofahrzeugen wie eine hohe Reichweite bei geringem Bauraum und eine gleich-

zeitige Modularität bestmöglich umzusetzen, sei eine umfassende Optimierung auf Fahrzeugebene notwendig. Hier könne die optimale Abstimmung von Bremse und Antrieb einen entscheidenden Beitrag leisten, schliesslich ermögliche die Integration beider Elemente in einer Einheit eine besonders hohe Effizienz im Antrieb und beim Abbremsen.

Darüber hinaus reduzieren integrierte Komponenten die Komplexität durch Modularisierung und erleichtern so auch die Herstellungsprozesse.

Rascher Serieneinsatz angestrebt Der Doppelrotor-Radialfluss-Motor spielt eine wichtige Rolle beim effizienten, kompakten und für eine kostengünstige Produktion optimierten Radnabenantrieb, wie Matthias Matic, Leiter des Geschäftsfelds Safety and Motion bei Continental, erklärt: «Die von Deep-Drive entwickelten

Elektromotoren sorgen für eine höhere Reichweite in Elektrofahrzeugen.

Sie sind leichter, kostengünstiger und ressourcenschonender. Die Kombination mit unserer effizienten und leistungsfähigen Bremsentechnologie zu einer neuen, kompakten Einheit ist ein entscheidender Beitrag für den Erfolg der Elektromobilität.» Continental steuert nicht nur Bremskomponenten für die AntriebsBremseinheit bei. Das Unternehmen will mit seinen Kompetenzen bei der Industrialisierung hin zur Serienentwicklung dafür sorgen, dass die Motoreninnovation in Kombination mit neuester Bremsentechnologie zeitnah auf die Strasse kommt.

Während zunächst eine hydraulische Bremse zum Einsatz kommen soll, ist in einem zweiten Schritt geplant, langfristig «trockene», also rein elektromechanische Bremssysteme in den Radnabenantrieb zu integrieren. Und die Kombination von Antrieb und Bremse in einer Einheit ebnet schliesslich auch den Weg hin zu einem Corner-Modul, das in der Zukunft weitere Fahrwerkskomponenten wie beispielsweise Luftfedersysteme von Continental in einer kompakten Einheit direkt am Rad integrieren könnte.

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ZFs Brake-by-Wire-System will aber auch auf Kostenseite überzeugen. Zum einen bringt der Verzicht auf ein Hydrauliksystem schon während der Fahrzeugproduktion einen signifikant niedrigeren Montage- und Logistikaufwand mit sich, da das System aus weniger Teilen besteht.

Und während der Lebensdauer des Fahrzeugs schliesslich profitiert der Nutzer, weil keine Bremsflüssigkeiten mehr gewechselt werden müssen und der Serviceaufwand in der Werkstatt dadurch verringert wird.

Daten- und Stromkabel statt Hydraulikleitungen: Das «trockene» Brake-by-Wire-Bremssystem kommt ohne Bremsflüssigkeit aus, die Bremssignale vom Pedal bis zum Elektromotor werden elektrisch übertragen.

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SIGNALE STATT KRAFT ÜBERTRAGEN ZF hat ein rein elektromechanisches, also «trockenes» Brake-by-Wire-Bremssystem für ­Software-definierte Fahrzeuge präsentiert, das vom Pedal bis zu den Bremsbelägen ohne Hydrauliksystem auskommt und kürzere Bremswege sowie eine bessere Rekuperation von Bremsenergie ermöglichen soll. Bilder: ZF Dabei werden nun die Bremsbeläge nicht mehr hydraulisch an die Scheiben gepresst, stattdessen übernehmen Elektromotoren diese Aufgabe.

Ebenso fallen sämtliche hydraulischen Bremsleitungen und -schläuche weg, da die Bremssignale vom Pedal bis zum Elektromotor durchgehend und ausschliesslich elektrisch übertragen werden. Im Englischen spricht man daher von «dry brakeby-wire».

Die Bremskraft am Rad wird durch ­Elektromotoren erzeugt.

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F hat an seinem «Next Generation Mobility Day» in Shanghai sein neues, elektromechanisches Bremssystem für Software-definierte Fahrzeuge vorgestellt, das «trocken», also ohne Bremsflüssigkeit funktioniert.

Effizienter und kostengünstiger Gegenüber konventionellen Bremssystemen ermöglicht das neue Brake-by-Wire-System – wie auch das bereits eingeführte IntegratedBrake-Control-System (IBC) – kürzere Bremswege, bessere Rückgewinnung von Bremsenergie sowie niedrigere Wartungskosten. Und ZF untermauert dies auch mit Zahlen:

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Bei einer automatischen Notbremsung könne der Bremsweg bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h um bis zu 9 m kürzer ausfallen als bei herkömmlichen Bremssystemen. Zudem könnten Elektroautos bis zu 17 % mehr Reichweite über die noch bessere Rückgewinnung von Bremsenergie erreichen. Hinzu kommt, dass speziell bei trockenen Brakeby-Wire-Systemen die Restschleifmomente, die bei konventionellen Bremssystemen durch ein minimales Anliegen der Bremsklötze auf den Bremsscheiben entstehen, auf nahezu null verringert werden können. Dadurch entstehen einerseits weniger Feinstaubemissionen durch Bremsabrieb und andererseits wird durch den noch geringeren Widerstand beim Fahren natürlich ein bisschen Energie gespart bzw. Reichweite gewonnen.

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Komfort und Sicherheit Für den Fahrer soll sich im Vergleich zu einer herkömmlichen Bremsanlage nichts ändern. Denn auch wenn keine mechanische Verbindung mehr zwischen dem Bremspedal und den Bremsaktuatoren besteht, entspreche das Bremsgefühl dem einer Hydraulikbremse, lässt ZF verlauten – die haptischen Rückmeldungen des Pedals an den Fahrerfuss erfolgen wohl mit Elektromotoren bzw. Aktoren. Selbstverständlich verfügt das System über Redundanzen, die sind für die Fahrzeugbremse schliesslich auch gesetzlich vorgeschrieben. ZF betont denn auch, dass die Sicherheit der Datenübertragung und -verarbeitung sowie der Energieversorgung der Elektromotoren durch die Dopplung aller Verbindungen und Systeme gewährleistet werde, so wie es auch bei By-Wire-Systemen in der Luftfahrt üblich ist.

Wann und vor allem wie genau das «trockene» Brake-by-Wire-System von ZF auf die Strassen kommen wird, ist noch offen. Denn interessierte Fahrzeughersteller können ihr optimales Bremssystem vom klassischen rein hydraulischen bis hin zum neuen rein elektrischen Bremssystem je nach Anforderung zusammenstellen. Dabei seien gemäss ZF sogar hybride Formen mit beispielsweise einem hydraulischen System vorn und einem rein elektrischen System auf der Hinterachse möglich. (sag)

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LESEN SIE IN DER AUSGABE 1+2/2024: & Wirtschaft

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TITELTHEMA

FACHWISSEN

Schmierstoffe/Öl Moderne Verbrenner stellen hohe Anforderungen ans Motorenöl, und in Elektrofahrzeugen werden E-Fluids zur Schmierung bzw. Kühlung von Getriebe, E-Maschine respektive Batterie eingesetzt.

A&W stellt die Neuheiten vor.

Oszilloskopbilder interpretieren Das Messen ist das A und das O des Diagnostizierens. Das war bei den Benzinautos vor 100 Jahren so und das bleibt auch bei den heutigen Hybrid- und Elektrofahrzeugen bestehen. Durch Bus-, Infotainment- und Assistenzsysteme ist die Zahl von Sensoren, Aktoren und Verarbeitungsgeräten gestiegen.

Häufig reichen herkömmliche Multimeter nicht mehr aus und es müssen schnell ablaufende Spannungsänderungen sichtbar gemacht werden. Dafür gibt es Oszilloskope.

Diese machen das Messen zwar nicht einfacher, ermöglichen den Spezialisten jedoch die feinere Diagnose durch die bildliche Darstellung von Spannungen. Das nächste «Fachwissen» soll eine Einführung in die Welt der Bilder werden.

WIRTSCHAFT Prognosen 2024 Marktprognosen, Fahrzeughandel, ­Händlernetze sowie Aftermarket: ein Ausblick auf das neue Jahr.

Zu den weiteren Themen der Januar- / Februar-Ausgabe zählen Entsorgung und Recycling, Berufsbekleidung, Sicherheit in der Werkstatt sowie Weiterbildung.

SCHWERPUNKT Lackieranlagen und Lacktrends 2024 In der ersten Ausgabe des neuen Jahres setzt AUTO&Carrosserie den Schwerpunkt auf Lackieranlagen und Lacktrends. Zum ­einen spüren wir die neusten Trends bei den Lacken auf. Einer davon ist, dass die ­Produkte laufend verbessert werden und noch schneller zu applizieren und vor allem zu trocknen sind. Zum anderen stellen wir die neusten Lackierkabinen, Multiarbeits­ plätze sowie innovative Technologien bei der Lackaufbringung vor.

Die AUTO&Carrosserie-Ausgabe 1/2024 erscheint Mitte März.

AUTO-EVENTS 2024 Termin

Veranstaltung

Ort

Internet

11.01.24

Transformationsforum

Schwägalp

transformationsforum.ch

16.01.24

Tag des Garagisten

Bern

agvs.ch

17.01.24-20.01.24 Winter Raid

Romanshorn

raid.ch

25.01.24

Safenwil

awverlag.ch

27.01.24-29.01.24 GP Ice Race

Zell am See

zellamsee-kaprun.com

31.01.24-04.02.24 Retromobile

Paris

retromobile.com

31.01.24-07.02.24 Rallye Monte Carlo Historique

Monaco

acm.mc

01.02.24-04.02.24 Man's World

Zürich

mansworld.com

23.02.24-24.02.24 The Ice St. Moritz

St. Moritz

theicestmoritz.ch

26.02.24-03.03.24 GIMS Genf

Genf

genevamotorshow.com

20.04.24-21.04.24 Grand Prix TCS

Cossonay

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A&W Branchenanlass

TRANSFORMATIONSFORUM

B AW-Guide 2023/2024

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J BUCETZT HBA R

eim Transformationsforum am 11. Januar 2024 im Hotel «Säntis – der Berg» auf der Schwägalp geht es um die Zukunft des Autogewerbes in der Schweiz. Denn: Die Transformation im Autogewerbe findet jetzt statt.

Für jede Unternehmerin und jeden Unternehmer besteht Wandel nicht nur in Form von Risiken, sondern insbesondere auch in Form von Chancen – selbst wenn in Beiträgen zur Zukunft des Autohandels in der Schweiz wiederholt das Drohbild von

einem grossen Autogaragensterben gezeichnet wird. Das muss nicht sein.

Transformation kann mit einem strukturierten Vorgehen aktiv gestaltet werden, und die Branchenkonsolidierung muss nicht einfach passiv hingenommen werden. «Viele reden von Wandel – wir machen»: Am Transformationsforum zeigen handverlesene Referenten, wie konkret und systematisch Chancenpotenziale erschlossen werden können. www.transformationsforum.ch

Herzlichen Dank

Ihre Loyalität und Ihr Vertrauen sind der Treibstoff, der uns täglich antreibt.

Wir sind stolz, dass Sie Teil unseres Antriebes sind.

Das Team der Fibag AG wünscht Ihnen, Ihren Mitarbeitenden und Familien eine schöne Weihnachtszeit.

Fibag AG Lischmatt 17 I 4624 Härkingen I info@fibag.ch I Tel. 062 285 61 30

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