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E-Book

Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik im Automobil

Fahrzeugelektronik, Fahrzeugmechatronik

VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2006
Seitenanzahl652 Seiten
ISBN9783540299806
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis144,99 EUR

Als erster Überblick oder zur schnellen Information zu einzelnen Elementen - dieses Handbuch bietet dem Leser den richtigen Einstieg. Es liefert Informationen über Bauelemente der Automatisierungstechnik und deren Einsatz in der Fahrzeugtechnik. Mit einem detaillierten Abkürzungsverzeichnis der gängigen Fachbegriffe.



Professor Dr.-Ing. Hans-Jürgen Gevatter absolvierte ein Studium des Maschinenbaus und der Elektrotechnik an der TU Braunschweig. Nach der Promotion war er als Entwicklungsingenieur tätig, dann als Technischer Geschäftsführer in der Industrie. Nach einer Honorarprofessur für das Lehrgebiet Bauelemente der Regelungs- und Steuerungstechnik der TU Braunschweig folgte 1985 die Berufung an die TU Berlin, Lehre und Forschung auf den Gebieten der Geräteelektronik, der Sensortechnik und der Mikrosystemtechnik.

Professor Dr.-Ing. Ulrich Grünhaupt war nach dem Studium der Nachrichtentechnik an der TU Berlin wissenschaftlicher Mitarbeiter am dortigen Institut für Feinwerktechnik. Promotion über Laser-Messtechnik in hochdynamischen Servosystemen. Industrietätigkeit bei der Robert Bosch GmbH in der Entwicklung Breitbandkommunikation, als Projektleiter für optische Übertragungskomponenten und als Produktmanager für optische Übertragungssysteme. 1995 Berufung an die FH Karlsruhe auf das Lehrgebiet Elektronik mit Schwerpunkt Optoelektronik.

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Leseprobe

2 Pneumatische Hilfsenergiequellen (S. 359-360)

S. Boller

Der Vorteil von pneumatischen Hilfsenergiequellen zeichnet sich durch die einfache Energiespeicherung und die relative Ungefährlichkeit bei Schadensfällen oder Leckagen aus. Etwas unangenehm, wird die Geräuschbelästigung durch die beim Schalten der Ventile auftretenden schlagartigen Luftbewegungen eingestuft. Diese können aber durch Dämpfer gemindert werden. Aus Kostengründen wird häufig darauf verzichtet. Nachteilig ist der Bedarf an Speichervolumen, da moderne Fahrzeuge durch die vielen Komfort- und Sicherheitssysteme platzmäßig keine Reserven mehr haben. Damit wird die Integration von pneumatischen Speichern schwierig. Im Nutzfahrzeugbereich ist dies kein Problem, der Nutzen durch die größeren umsetzbaren Kräfte überwiegt dabei deutlich, wie z. B. bei einer Druckluftbremsanlage. Pneumatische Systeme können sowohl mit Überdruck als auch mit Unterdruck arbeiten. Neben dem reinen pneumatischen System werden im Automobil sog. elektro- pneumatische Wandler (EPW) eingesetzt.

Dabei handelt es sich um ein preiswertes Ventil mit hohen Stellkräften, wie z. B. für Stellantriebe. Die Initiierung der Schaltvorgänge erfolgt für z. B. das AGR-(Abgasrückführ) Ventil über elektrische Steuerimpulse vom Motorsteuergerät [2.1].

Das Ansaugrohr, häufig auch nur Saugrohr genannt, dient zur Luftversorgung des Verbrennungsmotors. Die durch den Luft. lter gereinigte Luft wird in den Ansaugtrakt geführt. Durch die Volumenvergrößerung im Zylinder nach dem Öffnen des Einlassventils wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch über den entstandenen Unterdruck in den Verbrennungsraum gesaugt.

Nach dem Schließen des Einlassventils und der Aufwärtsbewegung des Kolbens entsteht eine Druckerhöhung durch die beschleunigte Luftsäule in entgegengesetzter Richtung, zurück zum Luftfilter hin. Durch eine spezielle Konstruktion des Ansaugrohres kann ein Schwingungssystem entstehen, das je nach Ventilsteuerzeit den Füllungsgrad und damit das Drehmoment und die Leistung des Motors beeinflusst. Anders gesagt, kann eine korrekte Auslegung zu einer besseren Befüllung des Brennraumes führen. Für Ausführungen und Anforderungen der verschiedenen Einspritzsysteme und Motorvarianten sei hier auf die Literatur verwiesen [2.2, S.296f, 2.3, S.308f ].

Im Mittel ergibt sich jedoch gegenüber dem Umgebungsdruck ein Unterdruck im Bereich von 5 bis 80 kPa. Die Größe ist abhängig von der Drosselklappenstellung, der Drehzahl und dem oben genannten Effekt der Druckschwingungen. Um nun mit einem halbwegs konstanten Unterdruck arbeiten zu können, werden ein Speicher und ein Rückschlagventil zwischen das Saugrohr und z. B. den Unterdruckstellergeschaltet. Der gesamte Aufwand rechnet sich angesichts der Tatsache, dass die Unterdruckerzeugung quasi kostenlos erfolgt. Beim Dieselmotor ist wegen der fehlenden Drosselklappe der Unterdruck im Saugrohr zu gering.

Beim turbo-aufgeladenen Motor ist im Saugrohr wunschgemäß ein Überdruck vorhanden. In diesen Fällen setzt man eine Unterdruckpumpe ein. Diese kann direkt vom Verbrennungsmotor oder auch elektrisch angetrieben werden. Häufig werden an den Motoren wie z. B. beim 2,0l TDI [2.4] von Volkswagen Pumpenkombinationen verwendet. Diese dienen zum einen als Kraftstoffpumpe und zum anderen als Vakuumpumpe für die Unterdruckerzeugung bei der Abgasrückführung. Angetrieben wird diese Kombi-Pumpe über den Einlassnocken direkt vom Motor. Überdrucksysteme werden z. B. im Bereich der Luftfederung eingesetzt. Der AUDI A8 (Modelljahr 1999) ist mit einem Luftversorgungsaggregat, bestehend aus einem Kompressor und verschiedenen Rückschlag- und Ablassventilen zur Versorgung der Luftfederung ausgestattet [2.5].

Dasselbe gilt für den VW Phaeton. Für die kontinuierliche Luftfederregelung [2.6] wurde der Druckluftkompressor- Betrieb nur im Fahrbetrieb vorgesehen, damit keine unnötige zusätzliche Geräuschbelästigung im stehenden Fahrzeug entsteht. Dafür musste die Anlage so ausgelegt werden, dass selbst bei abgeschaltetem Kompressor immer noch ein schnelles Aufregeln möglich war. Dieses wurde ermöglicht über eine Druckdifferenz von 30 kPa zwischen dem Druckspeicher und den Luftfedern. Damit wurde nicht nur die Geräuschbelästigung, sondern auch eine Schonung der Fahrzeugbatterie erreicht, denn der Kompressor müßte im Stand über die Batterie angetrieben werden, falls vom Batteriemanagement freigegeben.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Autoren8
Inhaltverzeichnis9
Teil A Begriffe, Benennungen, Definitionen17
1 Mensch-Maschine-Interaktion bei der Fahrzeugführung19
1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug19
1.2 Schwerpunkte der Fahrer-Fahrzeug-Interaktions gestaltung21
1.2.1 Informationsdarbietung21
1.2.2 Fahrerassistenzsysteme22
1.3 Entwicklungstendenzen23
Literatur23
2 Mechatronik25
2.1 Mechatronik im Automobil25
2.2 Funktionale und Lokale Integration27
2.3 Beherrschung der System-Komplexität30
2.4 Beispiele für Mechatronische Systeme im Fahrzeug31
2.4.1 Fahrwerks- und Fahrassistenz-Systeme31
2.4.2 Mechatronische Systeme im Triebstrang33
2.4.3 Komfort- und Sicherheitssysteme im Innenraum35
Literatur36
3 Regeln und Steuern39
3.1 Einleitung39
3.2 Regeln40
3.2.1 Definition und Grundstruktur40
3.2.2 Entwurf von Reglern41
3.2.3 Anforderungen an Regelkreise42
3.2.4 Der lineare Standardregelkreis42
3.2.5 Lineare Regler44
3.2.6 Nichtlineare Regler46
3.3 Steuern47
3.3.1 Definition und Grundstruktur47
3.3.2 Verknüpfungssteuerungen48
3.3.3 Ablaufsteuerungen49
3.3.4 Vergleich der Steuerungsarten51
Literatur52
4 Hilfsenergiequellen53
4.1 Elektrische Hilfsenergie53
4.2 Hydraulische Hilfsenergie55
4.3 Pneumatische Hilfsenergie55
5 Gebiete der Automatisierungstechnik im Automobil57
5.1 Triebstrang57
5.2 Fahrwerk und Fahrassistenz61
5.3 Innenraum63
6 Umgebungsbedingungen und Einbauorte65
6.1 Qualität und Serienanforderung65
6.2 Einbauorte65
6.2 Abnahmetests66
Teil B Sensoren68
1 Kraft, Drehmoment71
Literatur72
2 Drucksensoren73
Literatur78
3 Weg, Winkel, Position79
Literatur85
4 Geschwindigkeit87
Literatur89
5 Beschleunigung91
Literatur92
6 Temperatur93
Literatur96
7 Gassensorik97
Literatur101
8 Betriebsstoffsensorik103
Literatur104
9 GPS107
10 Optische Sensorik109
Literatur113
11 Antennen115
Literatur120
Teil C Bauelemente für die Signal verarbeitung mit elektrischer und nichtelektrischer Hilfsenergie122
1 Elektrische Hilfsenergie123
1.1 Bipolartransistoren123
1.2 MOS-Feldeffekttransistoren127
1.3 Operationsverstärker (OPV)128
1.3.1 Grundschaltungen mit OPV129
1.4 Optoelektronische Bauelemente131
1.4.1 Lichttechnische Grundbegriffe131
1.4.2 Passive optische Bauelemente133
1.4.2.1 Berechnung optischer Elemente133
1.4.2.2 Optische Werkstoffe135
1.4.2.3 Linsen136
1.4.2.4 Lichtwellenleiter137
1.4.3 Strahlungssender139
1.4.3.1 Leuchtdioden139
1.4.3.2 Laserdioden139
1.4.4 Strahlungsempfänger140
1.4.4.1 Fotowiderstand140
1.4.4.2 Fotodiode140
1.4.4.3 Fototransistor140
1.5 Digitale Schaltungen141
1.5.1 Grundlegende Betrachtungen141
1.5.2 Schaltkreisfamilien und Schaltkreistechnologien143
1.5.3 Funktionen digitaler Bauelemente150
1.5.4 Anwendungsspezi. sche Schaltungen (ASIC)158
1.6 Analog-Digital-Umsetzer161
1.7 Digital-Analog-Umsetzer168
1.8 Aufbau- und Ver bindungstechnik171
1.8.1 Aufgaben der AVT171
1.8.2 Packungsebenen der AVT172
1.8.2.1 Bauelementebene172
1.8.2.2 Modulebene173
1.8.2.3 Mechatronik174
1.8.3 Baugruppentechnik174
1.8.3.1 Leiterplatten174
1.8.3.2 SMT Montagetechnik177
1.8.4 Hybride und Module180
1.8.4.1 Substrattechnologien180
1.8.4.2 Montagetechniken184
1.8.4.3 Kontaktierungstechniken187
1.8.4.4 Leistungsmodule191
1.8.5 Entwurf zuverlässiger AVT192
1.8.5.1 Fehlermechanismen192
1.8.5.2 Thermal Management194
1.8.5.3 Mechanische Belastungen196
1.8.5.4 Quali. zierungsstrategien199
1.8.5.5 AVT-Normen200
1.9 Kamerasysteme im Automobil201
1.9.1 Das sehende Fahrzeug201
1.9.2 Anforderungen an fahrzeugtaugliche Kameras203
1.9.3 Fahrerassistenz „Lane Departure Warning“ LDW206
1.9.3.1 Aufbau eines LDW-Systems207
1.9.3.2 Eigenschaften einer LDW-Kamera207
1.9.3.3 Auswertung der Fahrspurinformation209
1.9.3.4 Warnalgorithmus210
1.9.4 Fahrerassistenz „Night Vision“210
1.9.4.1 Technologien für Nachtsichtsysteme210
1.9.4.2 Visualisierung des Unsichtbaren212
1.9.4.3 Leistungsfähigkeit eines NIR-Nachtsichtsystems213
1.9.5 Die dritte Dimension: 3D-Kameras216
Literatur218
2 Nichtelektrische Hilfsenergie223
2.1 Hydraulische Signal- und Leistungsverstärker223
2.2 Elektro-hydraulische Umformer224
2.2.1 Elektromechanische Wandler225
Teil D Aktoren für mechanische Verstellung235
1 Aktoren mit elektrischer Hilfsenergie237
1.1 BegriffsdeFInition237
1.2 Einleitung237
1.3 Allgemeine Beschreibung elektrischer Stellantriebe239
1.3.1 Hauptgrößen239
1.3.2 Störgrößen und Umgebungsbedingungen240
1.4 Auslegung von Stellantrieben unter Fahrzeugbedingungen241
1.4.1 Vorwiderstand241
1.4.2 Bordnetzspannung241
1.4.3 Leistungsgrenzen im Bordnetz242
1.5 Aktoren244
1.5.1 Elektromotorische Stellantriebe244
1.5.2 Getriebe250
1.5.3 Elektromagnete253
1.5.4 Piezo-Direktantriebe255
1.6 Ansteuer- und Steuerelektronik257
Literatur264
2 Aktoren mit hydraulischer Hilfsenergie265
2.1 Aktoren mit hydraulischer Hilfsenergie für stetige Bewegungen265
2.2 Aktoren mit hydraulischer Hilfsenergie für absätzige Bewegungen271
Literatur274
Teil E Leistungsübertragung und -steuerung276
1 Elektrische Kontakte277
1.1 Ruhender Kontakt277
1.2 Schaltender Kontakt284
1.3 Kontaktwerkstoffe288
Literatur293
2 Elektromechanische Relais295
2.1 Einsatzbereiche und Relaistypen296
2.2 Elektromagnetischer Relaisantrieb298
2.3 Schaltvorgänge von Relais303
2.4 Relaisausführungen305
Literatur312
3 Mikromechanische Relais313
3.1 Schaltverhalten bei kleinen Kontaktkräften313
3.2 Spannungsfestigkeit315
3.3 Konzepte für Mikroantriebe316
3.4 Technologische Realisierungen von Mikrorelais320
3.5 Hochfrequenzschalter (RF MEMS)326
Literatur327
4 Halbleiter-Relais331
4.1 Elektronische Schalter333
4.2 Halbleiter-Relais mit galvanischer Trennung336
4.3 Elektronische Lastrelais für Wechselstrom338
Literatur339
5 Leistungselektronische Bauelemente341
5.1 Grundlagen der Leistungselektronik341
5.2 Bauelemente der Leistungselektronik348
Literatur364
Teil F Hilfsenergiequellen367
1 Elektrische Hilfsenergiequellen369
Literatur373
2 Pneumatische Hilfsenergiequellen375
Literatur376
3 Hydraulische Hilfsenegiequellen377
Literatur380
Teil G Anzeigegeräte und Bedienelemente382
1 Einleitung, Sehen und Bedienen383
1.1 Zentrale Anzeigegeräte, Primäranzeigen383
1.2 Sekundäre Anzeigegeräte, Sekundäranzeigen383
1.3 Eingabeelemente für den Fahrer384
2 Anzeigegeräte385
2.1 Analoge Anzeigegeräte385
2.2 Digitale Anzeigegeräte391
3 Integration der Anzeigegeräte ins Fahrzeug403
3.1 Einzel-Instrumente403
3.2 Kombinations-Instrumente403
3.3 Hybrid-Instrumente404
3.4 Frei kon. gurierbares Kombinations-Instrument404
3.5 Head-up-Display (HUD)405
4 Bedienelemente407
4.1 Ergonomie und kurzer Rückblick407
4.2 Einzelne Stellelemente im Umfeld des Kombinations-Instrumentes408
4.3 Automobile Schaltertechnik409
4.4 Zentrale Bedienkonzepte409
Teil H Anwendungsbeispiele413
1 Triebstrang415
1.1. Elektronische Motorkontrolle415
1.2 Tiptronic422
1.3 Nebenaggreate426
1.4 Abgas428
1.5 Kühlwasser-Temperaturregelung432
1.6 Valvetronic435
1.7 Wartungsanzeigen440
Literatur441
2 Fahrzeugbewegung443
2.1 Systemvernetzung im Fahrwerk443
2.2 Federung469
2.3 Reifendruck-Kontrolle478
2.4 Geschwindigkeits- und Distanzregelung480
2.5 Dynamische Stabilitäts-, Brems- und Traktionskontrolle486
2.6 Servolenkung488
Literatur493
3 Innenraum497
3.1 Innenraum-Klimaregelung497
3.2 Navigationssysteme501
3.3 Zündschlüssel mit Funkfernbedienung506
3.4 Airbagsystem508
3.5 Sitzgurtstraffer513
3.6 Parkdistanzkontrolle514
3.7 Front- und Heckscheibenheizung516
3.8 Verkehrsnachrichtenempfang517
3.9 Zentral-Steuergerät518
Literatur520
Teil J Vernetzte Systeme im Automobil – Kommunikationsnetz und Datenverarbeitung523
1 Anforderungen525
2 Elektronische Steuergeräte527
2.1 Eingangsschaltung527
2.2 Logikteil zur Signalverarbeitung528
2.3 Ausgangsschaltung mit Stell- und Regelgrößen529
3 Architektur531
Literatur531
4 CARTRONIC532
4.1 Vernetzte Teilsysteme532
4.2 Beispiele für vernetzte Teilsysteme im Fahrzeug532
4.3 Neue Anforderungen534
4.4 Das Konzept534
4.5 Strukturierung und Architektur535
4.6 Regeln der Funktionsarchitektur536
4.7 Anforderungsanalyse536
4.8 Strukturierungselemente537
4.9 Systeme, Teilsysteme und Komponenten537
4.10 Strukturierungsregeln538
4.11 Modellierungsregeln538
4.12 Typische Architekturmerkmale538
4.13 Der Produktentstehungsprozess539
4.14 Konsequenzen und Ausblick540
Literatur540
5 Kommunikationsnetze541
5.1 Multimedia-Vernetzung542
5.2 Multiplexanwendungen für Karosserie und Innenraum542
5.3 Echtzeitanwendungen in Antriebstrang und Fahrzeugbewegung543
6 Controller Area Network (CAN)545
6.1 Buskonfiguration545
6.2 Adressierung546
6.3 Logische Buszustände546
6.4 Priorisierung546
6.5 Buszugriff546
6.6 Botschaftsformat547
6.7 Data Frame und Remote Frame548
6.8 Störungserkennung548
6.9 Störungsbehandlung549
6.10 Fehlereingrenzung549
6.11 Implementierung549
6.12 Standardisierung549
6.13 Erweiterung auf zeitbestimmte Systeme550
Teil K Das Kommunikationssystem FlexRay - ein Überblick553
Das Kommunikationssystem FlexRay – ein Überblick555
CAN557
Anforderungen an FlexRay als ein zukünftiges Kommunikationssystem559
Technische Eigenschaften von FlexRay561
Literatur572
Allgemeines Abkürzungsverzeichnis573
Sachverzeichnis651

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