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Fahrzeugantriebskonzepte

1.1 Antriebskonzepte

In den letzten 100 Jahren haben Kraftfahrzeuge unser Leben verändert. Sie haben uns die Mobilität verliehen, die wir bei all unseren Geschäftsaktivitäten rund um den Globus nutzen. Zudem haben sie Millionen von uns neue Möglichkeiten gegeben, die erst mit dem Individualverkehr möglich wurden. Das Herzstück jedes Fahrzeugs ist das Antriebssystem. Die Technik des Antriebssystems stellt die die treibende Kraft für die Mobilität bereit.

Der Kraftquellenabtrieb – bis heute meist eine Verbrennungskraftmaschine – wird über ein System zur Kraftübertragung und den Antriebsstrang kontrolliert und wird als Zugkraft an die Räder abgegeben. Alle diese Komponenten, die zusammen auch als Antriebssystem oder kurz Antrieb bezeichnet werden, werden vom Fahrer kontrolliert. Anspruchsvolle Fahrer nehmen, so glaubt die Automobilindustrie, eine Reihe von Performance-Kriterien wahr. Beispielsweise sind Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit, Kraftstoffverbrauch, Steigfähigkeit oder Anhängelast einige der augenscheinlicheren quantitativen Merkmale. Aber subjektive Kriterien wie Fahrverhalten, Fahrspaß, technische Ausgereiftheit und Fahrvergnügen spielen eine wichtige Rolle beim wirtschaftlichen Erfolg von Fahrzeugen. Andererseits fordert die Gesellschaft verschiedene Leistungsanforderungen ein – wovon in jüngerer Zeit Emissionswerte und CO2-Ausstoß von Fahrzeugen im Vordergrund stehen. Die Regierungen gehen so weit, Herstellern sogar Gesamtemissionswerte für ihre Fahrzeugflotten vorzugeben.

Um all diese widersprüchlichen Anforderungen erfüllen zu können, müssen die Ingenieure das gesamte Antriebssystem beherrschen. Wenn es ein durchgehendes Thema in diesem Buch gibt, dann ist dies, dass das Gesamtsystem analysiert werden muss, bevor Fahrzeugmobilität wirklich verstanden werden kann – inklusive Fahrer, Motor, Kraftübertragung, Fahrzyklen usw. Ziel dieses Kapitels ist es, dieses Hintergrundwissen bereitzustellen.

1.1.1 Systemansatz

Das Kernthema dieses Buches besteht in der Vorgabe eines systematischen Lösungsansatzes für das Antriebskonzept eines Fahrzeugs. Einfach ausgedrückt geht es darum, alle Einzelkomponenten des Antriebsstrangs zu betrachten und zu analysieren, wie sie zusammen funktionieren und interagieren. Letztlich ist die Zielsetzung natürlich, das Gesamtverhalten des Fahrzeugs hinsichtlich Geschwindigkeit, Beschleunigung, Steigfähigkeit, Kraftstoffverbrauch usw. vorausberechnen zu können.

Zunächst wird das Verhalten der Triebstrangkomponenten analysiert – danach werden sie als Komplettsystem zusammen betrachtet, um den gesamten Triebstrang des Fahrzeugs zu erfassen, also von der Antriebsmaschine, die zumeist auch heute noch ein Verbrennungsmotor ist, über die Kraftübertragung – Kupplung, Getriebe, Differenzial usw. – bis hin zum Achsantrieb der Räder. Das Wichtige daran ist, dass der Fahrzeugkonstrukteur nur dann die gewünschten Leistungsmerkmale erreichen kann, wenn er den Antriebsstrang aus der Systemebene betrachtet. Beim Systemansatz für beliebige Systeme ist die Festlegung der Systemgrenzen die eigentlich problematische Aufgabe. Betrachtet man beispielsweise den Gesamtenergieverbrauch eines Pkw, sieht das System wie in Abb. 1.1 aus – wobei hier die Energie von der Primärenergiequelle bis zur Nutzung für den Vortrieb des Fahrzeugs bilanziert wird. Bei der Planung eines Antriebssystems ist dieser Zusammenhang von Bedeutung. Dieser wird häufig als Well-to-Wheel-Analyse des Energieverbrauchs bezeichnet.

Abb. 1.1 Gesamtenergiewandlungsprozess im Kraftverkehr – Well-to-Wheel-Analyse (W2W-Analyse); (a) Bohrung bis Tank, (b) Tank bis Rad.

1.1.2 Geschichtliches

Es gibt Hunderte faszinierender Bücher, die sich mit der Entwicklungsgeschichte des Automobils befassen. Es ist nicht Ziel dieses Buches, über die Geschichte der Automobiltechnik nachzusinnen. Allerdings gibt es einige interessante Beobachtungen, die den Rahmen für unsere Analyse von Antriebssystemen stecken.

1997 veröffentlichte die SAE (Society of Automotive Engineers) anlässlich ihres hundertjährigen Bestehens ein informatives Buch [1] über die Geschichte des Automobils. Jedes Kapitel wurde von einem ausgewählten US-Experten geschrieben und alle Komponenten des Antriebs – Triebwerk (Motor), Kraftübertragung, Reifen usw. – wurden behandelt. Aus dem Blickwinkel der technischen Innovationen ist unzweifelhaft, dass Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts eine Fülle von innovativen Konstruktionen veröffentlicht wurden. Allerdings wurden sie erst viele Jahrzehnte später durch verbesserte Werkstoffeigenschaften und Massenfertigungsverfahren praktisch nutzbar. Beispielsweise gab es jede Menge ziemlich komplexer Konstruktionen, etwa Automatikgetriebe und stufenlose Automatikgetriebe, die in dieser Zeit patentiert wurden, aber erst einige Jahrzehnte später kommerziell genutzt werden konnten. Die historische Entwicklung der Fertigung, die Massenproduktion und das wirtschaftliche Umfeld der Automobiltechnik werden in einem exzellenten Buch von Eckman [2] beschrieben.

Die beiden wichtigsten Komponenten von Antriebssystemen – der Verbrennungsmotor und das Getriebe – wurden aus historischer Perspektive beleuchtet. Der Titel des Buches von Daniels „Driving Force“ [3] (Anm. d. Übersetzers: etwa „Treibende Kraft“) erklärt die Rolle des Verbrennungsmotors als dominante Kraftquelle für Kraftfahrzeuge im 20. Jahrhundert. Daniels gibt einen umfassenden Überblick über die detaillierte technische Entwicklung von Motorenkonstruktionen – von den ersten Anfängen 1876 mit dem stationären Ottomotor bis zu den modernen Motoren, die sich ebenso durch intelligente Steuerungssysteme wie durch mechanische Konstruktionen auszeichnen.

Aus der Sicht der Ingenieure waren die Entwicklungen des 20. Jahrhunderts im Bereich der Kraftübertragung ebenso wichtig. Aus Systemsicht muss man dem Argument zustimmen, denn der Verbrennungsmotor gibt nur über einen begrenzten Drehzahlbereich Leistung ab. Somit kommt dem Getriebe eine entscheidende Rolle bei der Leistungswandlung in eine an den Rädern nutzbare Form zu. Gott [4] verfolgt die Geschichte technischer Entwicklungen anhand der Getriebe – wenn auch mit einer Vorliebe für die in den USA bevorzugten Automatikgetriebe. Das stärkt allerdings den systematischen Ansatz, denn die Steuerung des Getriebes muss vollständig in der Motormanagementsteuerung integriert sein.

Dieser ganzheitliche Ansatz, bei dem alle beteiligten Komponenten des Antriebsstrangs in ihrem Zusammenwirken betrachtet werden, führt zu der Idee der Systemoptimierung. Beispielsweise ist es sehr wichtig, die Einzelkomponenten schon beim Entwurf optimal zu gestalten. Andererseits ist ebenso klar, dass das Ziel immer sein muss, alle Komponenten als Gesamtsystem optimal aufeinander abzustimmen.

1.1.3 Herkömmliche Antriebe

Dieses Buch beschreibt hauptsächlich sogenannte konventionelle Antriebe. Dabei treibt ein Verbrennungsmotor die Räder eines Fahrzeugs über eine Kraftübertragungseinheit an, zu der Getriebe und Achsantrieb gehören. In Abb. 1.2 ist ein typisches Fahrzeug mit Frontmotor und Heckantrieb dargestellt. Dazu sind die entsprechenden Buchkapitel aufgeführt. Die am häufigsten anzutreffende Pkw-Konstruktion ist die Variante mit Frontmotor und Vorderradantrieb (FWD, Front-Wheel Drive). Die Prinzipien, die bei der Analyse des Antriebs angewendet werden, sind aber dieselben wie beim Heckantrieb.

2009 wurde die Zahl der Pkw und leichten Nutzfahrzeuge auf ca. 900 Millionen geschätzt, wobei in dem Jahr rund 61 Millionen neue Pkw/leichte Nutzfahrzeuge produziert wurden. Der überwiegende Teil dieser Fahrzeuge – über 99% – nutzen die oben beschriebenen konventionellen Antriebssysteme. Daher ist klar, dass die Prinzipien zu Analyse und Verständnis der herkömmlichen Antriebssysteme, die in diesem Buch beschrieben werden, sicher noch mehrere Jahrzehnte von Interesse sein werden, trotz des seit ca. 2000 enorm gestiegenen Interesses an alternativen Antriebssystemen. Diese werden allgemein als „kohlenstoffarme Fahrzeuge“ (LCVs, Low Carbon Vehicles) bezeichnet.

1.1.4 Hybridantriebe

Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts begeisterten sich die Ingenieure an dem durch das Kraftfahrzeug möglich gewordenen Individualverkehr. Es waren drei Technologien, die als Triebwerke konkurrierten – Dampf, Elektrizität und Benzin. Jede hatte eigene Vor- und Nachteile, darum war damals keineswegs klar, welche Technik sich langfristig durchsetzen würde. Tatsächlich ergab eine Zählung im Jahr 1900 in den Oststaaten der USA [5], dass jede Technologie zu rund einem Drittel vertreten war. Allerdings führten die Pferdekutschen zu der Zeit hinsichtlich der Gesamtzahl noch deutlich!

Abb. 1.2 Übersicht Antriebssystem und zugehörige Kapitel des Buches.

Die Dampfmaschine hatte damals eine längere technische Entwicklung hinter sich. Daher war sie hinsichtlich der installierten Leistung im Vorteil. Aber die Kraftstoffausbeute war gering. Zudem musste der Kessel vor der Fahrt auf...