Software-Lösung für datenbasierte Reifenzustandserkennung
Multi-Energy-Fahrzeugplattform
Verbesserter aktiver Parkassistent
Elektromechanische Sperrung des Sicherheitsgurts
FACHWISSEN
Drehmoment und Energie
Die Zusammenhänge zwischen Drehmoment, Arbeit und Energie, die umso wichtiger werden, je mehr unterschiedliche Energiewandler und -speicher sich auf dem Markt tummeln.
TECHNIK
Mensch-Maschine-Schnittstellen
Ein Demofahrzeug erkennt sich nähernde Personen und deutet ihre Absichten. Und eine unsichtbar hinter dem Display angebrachte Kamera erfasst die Vitaldaten der Fahrzeuginsassen.
Batteriemanagement
Fahrzeugspezifische Optimierungen für den Antriebsstrang werden Cloud-getrieben und in Echtzeit bereitgestellt.
Zukünftige Technologien
Mercedes-Benz gibt Einblicke in seine Forschungsaktivitäten und zeigt einen neuartigen Power Converter sowie die Integration der mechanischen Bremse in die Antriebseinheit.
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SOFTWARE-LÖSUNG ERKENNT SCHLEICHENDE REIFENDRUCKVERLUSTE UND LOCKERUNG DER RADSCHRAUBEN
Bosch erweitert sein Angebot an Software-Lösungen für die datenbasierte Reifenzustandserkennung. Die neue Lösung wird im Rahmen des «Bosch Vehicle Motion Management» –einer Software-Systemlösung für den gesamten Bereich der Fahrzeugbewegung – als datenbasierter Service angeboten. Hierfür arbeitet das Unternehmen auch mit Partnern zusammen. So baut Bosch beispielsweise im Bereich der indirekt arbeitenden Systeme seine langjährig bestehende Geschäftsbeziehung mit dem Automobilzulieferer Nira Dynamics mit Fokus auf graduellen Reifendruckverlust und Radlöseerkennung aus und nutzt die Expertise beider Unternehmen für präzise und kosteneffiziente Lösungen.
Der datenbasierte Service «Databased Tire Solutions» besteht aus verschiedenen Algorithmen, die den
STELLANTIS
Das System überwacht jeden Reifen kontinuierlich und zeigt Warnungen zu Druckverlust und gelockerten Rädern über die Benutzeroberfläche an.
Zustand der Reifen überwachen und den Fahrer frühzeitig vor schleichendem Reifendruckverlust oder lockeren Rädern warnen. Das System überwacht dazu jeden Reifen kontinuierlich und individuell und zeigt dem Fahrer die Warnungen zu Reifendruckverlust und gelockerten Rädern über eine anwenderfreundliche Benutzeroberfläche an. Einer der Algorithmen der neuen SoftwareLösung ermöglicht es, bereits kleine,
MULTI-ENERGY-FAHRZEUGPLATTFORM
schleichende Druckverluste in den Reifen zu detektieren. Weicht der Reifendruckwert ca. 5 % vom nominalen Wert ab, wird der Fahrer informiert und – wenn nötig – gewarnt. Nach erfolgreichem Ausgleich des fehlenden Luftdrucks lässt sich das System durch die Funktion «Easy Reset» einfach und benutzerfreundlich neu einstellen.
Ein sich lockerndes Rad wird durch einen weiteren Algorithmus bereits bei einer Lockerung der Radschrauben um 0.5 mm frühzeitig erfasst. Eine Lockerung dieser Grössenordnung ist durch nicht geschulte Fahrer nicht oder nur schwer wahrnehmbar. Neben der somit frühzeitigen Warnung des Fahrers erfolgen ebenfalls konkrete Handlungsempfehlungen. Die frühzeitigen Warnungen helfen auf diese Weise, Fahrausfälle zu vermeiden, und erhöhen die Sicherheit bei jeder Fahrt. (pd/sag)
FÜR PICK-UPS UND GROSSE SUV BIETET HOHE ANHÄNGE- UND NUTZLAST
Stellantis hat eine neue, auf BEV ausgelegte Multi-Energy-Plattform vorgestellt, die für grosse Elektrofahrzeuge wie Full-Size-Pick-ups und SUV entwickelt wurde, bei denen die Karosserie auf einen Rahmen aufgesetzt ist. Dies ist vor allem in Nordamerika und ausgewählten globalen Märkten ein wichtiges Segment. Die STLA-FramePlattform kommt zuerst bei Fahrzeugen der Marken Ram und Jeep zum Einsatz und ist für eine Reichweite von bis zu 1100 km bei Fahrzeugen mit Range Extender und 800 km bei BEV, eine maximale Anhängelast von 6350 kg und eine Nutzlast von 1224 kg ausgelegt. Sie bietet Platz für flüssigkeitsgekühlte Akkupacks mit bis über 200 kWh und ist für schnelles Laden geeignet. Bei BEV-Modellen kann eine 800-V-DC-Schnellladung mit bis zu 350 kW in nur 10 Minuten 100 Meilen (bzw. 161 km) Reichweite
Die STLA-Frame-Plattform von Stellantis (im Bild die Variante als Range Extended Electric Vehicle) kommt zuerst bei Fahrzeugen der Marken Ram und Jeep zum Einsatz.
hinzufügen. Bei Range Extended Electric Vehicles (REEV) können mit einer 400-V-DC-Schnellladung mit bis zu 175 kW in 10 Minuten bis zu 80 km hinzugeladen werden. STLA Frame ist für Fahrzeuge mit den folgenden wichtigsten Abmessungen konzipiert: Gesamtlänge zwischen
5488 und 5941 mm, Gesamtbreite von 2062 bis 2124 mm, 3143 bis 3690 mm Radstand sowie eine Bodenfreiheit im Bereich von 168 bis 262 mm (max. Wattiefe: 61 cm).
Zur Unterstützung der Full-SizePick-up-Trucks, der leichten Nutzfahrzeuge und der SUV von Stellantis
werden STLA-Frame-Fahrzeuge zunächst mit einer Antriebspalette angeboten, die eine BEV-Variante und ein REEV beinhaltet. Die Plattform kann in Zukunft aber auch für Verbrennungsmotoren, Hybridsowie Wasserstoffantriebe genutzt werden.
Mit dem REEV-System, das eine Batterie, vordere und hintere E-Maschinen, einen On-Board-Generator sowie einen Verbrennungsmotor (ausschliesslich als Range Extender eingesetzt) kombiniert, können Fahrer schwere Lasten über eine längere Strecke transportieren/ziehen. Da es keinen direkten mechanischen Weg vom Motor zu den Rädern gibt, versorgt der Generator die E-Maschinen mit Strom, um das Fahrzeug anzutreiben, und lädt die Batterie nach Bedarf auf. Dadurch wird eine erweiterte Reichweite unter Lastbedingungen gewährleistet. (pd/sag)
Bild:
Stellantis
VERBESSERTER AKTIVER PARKASSISTENT KOMMT MIT
INTUITIVERER BEDIENUNG UND PARKIERT
SCHNELLER
Mercedes-Benz hat seinen aktiven Parkassistenten mit Parktronic weiterentwickelt, um das Ein- und Ausparkieren noch angenehmer zu machen. Das System parkiert jetzt mit 4 km/h doppelt so schnell wie bisher. Der Parkvorgang soll dadurch im Alltag deutlich stressfreier und komfortabler werden. Gestartet wird er über einen digitalen Knopf auf dem Bildschirm, und ein Fortschrittsbalken zeigt den Verlauf an. Während des automatisierten Parkierens schaltet das System die Parktronic-Signaltöne stumm. Wenn der Mercedes über eine 360°-Kamera verfügt, sind verschiedene Ansichten beim Ein- und Ausparkieren auswählbar.
Das Fahrzeug sucht bei Geschwindigkeiten unter 35 km/h kontinuierlich nach Parklücken und zeigt dies im Fahrerdisplay mit einem blauen
Der aktive Parkassistent parkiert nun schneller, und in Mercedes-Modellen mit 360°-Kamera sind verschiedene Ansichten beim Ein- und Ausparkieren auswählbar.
P-Symbol an. Es kann auch sehr enge Parklücken mit lediglich 50 cm Platz an beiden Fahrzeugenden nutzen und orientiert sich an weissen Markierungen oder parallelen Strukturen wie etwa der Randsteinkante oder an-
ELEKTROMECHANISCHE
GURTS
Fderen parkierten Fahrzeugen. Wenn der Mercedes eine Lücke gefunden hat, erscheint ein weisser Pfeil im Display neben dem P-Symbol. Nach Einlegen des Rückwärtsgangs kann die Fahrerin oder der Fahrer die
SPERRUNG
Parklücke auswählen und das automatisierte Parkieren starten; bei geeigneten Querparklücken ist dies vorwärts oder rückwärts möglich. Selbstverständlich darf dabei die Sicherheit nicht zu kurz kommen, und Mercedes-Benz verweist auf die nahtlos integrierten Sicherheitssysteme: Während des automatisierten Parkierens reagiert das Fahrzeug auf Veränderungen und achtet auf die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer. Erkennen die Sensoren während des rückwärts Ausparkierens querende andere Fahrzeuge, Fahrräder oder auch schnell gehende Fussgängerinnen und Fussgänger, erfolgt zunächst eine optische und akustische Warnung. Reagiert die Fahrerin oder der Fahrer nicht, führt das Fahrzeug eine autonome Notbremsung durch. Das gilt sowohl für automatisiertes als auch für manuelles Ausparkieren aus Querlücken. (pd/sag)
DES SICHERHEITS-
ERLEICHTERT DIE INTEGRATION IN DEN SITZ
ür die Sperrung des Sicherheitsgurtbands sind bisher zwei redundante mechanische Systeme direkt am Ausroller notwendig. ZF Lifetec bringt nun ein neues elektromechanisches System in Serie: Ein mechanischer Sensor reagiert auf die Beschleunigung der Ausrollbewegung des Gurtbands selbst. Der andere Mechanismus detektiert die Beschleunigung des gesamten Fahrzeugs. Üblicherweise wird hier ein sogenannter Kugelsensor verwendet. Im Falle einer starken Verzögerung oder Beschleunigung des Fahrzeugs bewegt sich der Trägheitskörper in Form einer Kugel, vorzugsweise einer massiven Stahlkugel, und führt zum Schwenken des Sperrhebels. Hierdurch kann beispielsweise eine Kupplungsklinke in die Kupplungsverzahnung eines Blockiermechanismus eingesteuert werden, der schliesslich die Gurtspu-
ZF Lifetecs «e.Locking» ermöglicht eine erleichterte bauliche Integration des Sicherheitsgurtes in den Sitz, was erhebliche Vorteile im Design schafft.
le blockiert. Diese Konstruktionsweise erschwert aber die Integration des Sicherheitsgurtes in den Sitz, die künftig wichtiger wird – etwa für «Relaxpositionen» beim autonomen Fahren.
Das neue «e.Locking»-System, das im sitzintegrierbaren Gurtaufroller «ACR8.S» von ZF Lifetec erhältlich ist, ersetzt die Stahlkugel durch eine elektromagnetische Spule, die den Aufroller elektromechanisch durch
ein Signal aus einer zentralen ECU sperrt. Beschleunigung, Verzögerung und Neigung des Fahrzeugs werden dazu über Sensoren erfasst, deren Informationen durch einen Algorithmus ausgewertet werden. Das «e.Locking»-System befindet sich am Aufroller an der gleichen Stelle wie das bisherige mechanische System, und auch die Sperrmechanik über eine Klinke bleibt unverändert. Dank der elektromagnetischen Spule kann die Sperrfunktion des Gurtbands auch durch Steuerungssoftware ausgelöst werden. Vernetzt mit anderen Sicherheitssystemen im Fahrzeug, wie beispielsweise Notbremsassistenten oder Pre-CrashFunktionalitäten, lässt sich auf diese Weise die Insassensicherheit weiter steigern – weil eine Gurtsperrung unmittelbar ausgelöst werden kann, ohne Zeitverzug und ohne Gurtband zu verlieren. (pd/sag)
Bild: ZF Lifetech ZF LIFETECH
1. Links wird potenzielle Energie in das Fahrzeug gespeichert. Diese wird in kinetische Energie und dann in Verformungsund Wärmeenergie (rechts) verwandelt.
Physik
DREHMOMENT UND ENERGIE
Energie und Energiespeicher sind heute in aller Munde. In diesem Beitrag sind die Zusammenhänge zwischen Drehmoment, Arbeit und Energie dargestellt. Diese werden umso wichtiger, je mehr unterschiedliche Energiewandler und speicher sich auf dem Markt tummeln. Text: Andreas Lerch | Bilder: Autef, Volvo, Lerch
Der Titel umfasst natürlich nicht das gesamte Thema aus der physikalischen Grundlagenwelt. Sowohl zum Drehmoment wie auch zur Energie gehören zwingend die Kraft und der Weg – und daneben sind die Arbeit und die Energie eng miteinander verwandt. Rund um das Auto und die Automobiltechnik kommen alle diese Begriffe immer wieder vor – auch bei den aktuell wichtiger werdenden alternativen Antrieben. Da wird beispielsweise intensiv über die möglichen Energieträger diskutiert. Sind jetzt die fossilen Energieträger (Benzin und Diesel) einfach nur
schlecht? Und wenn Wasserstoff aus fossilem Methangas hergestellt wird, ist dann der Wasserstoff grün oder grau, also gut oder schlecht? Wie steht es mit Methan, Methanol, Ammoniak oder gar den Syn-Fuels? Ist es so viel besser, die Energie in elektrischer Form im Fahrzeug zu speichern, oder …? Genau darum geht es in diesem Artikel nicht. In diesen Fragen darf jeder seine Meinung haben, und wenn er gut argumentiert, bekommt er vielfach auch recht. Mit welcher Energie wir schliesslich fahren werden, müssen die Politiker in Brüssel oder Bern entscheiden –bloss, die sind sich auch nicht einig.
Aus diesem Grund beschränken wir uns auf die Technik und damit auf die physikalischen und eventuell auch die chemischen Grundlagen.
Drehmoment
Jedes Auto braucht an den Antriebsrädern ein Drehmoment, um anfahren zu können; es braucht das Drehmoment aber auch, um die Fahrwiderstände zu überbrücken. Dabei spielt es keine Rolle, ob es mit 50 km/h oder mit 120 km/h unterwegs ist. Natürlich sind die Fahrwiderstände bei höheren Geschwindigkeiten grösser. Beim Bremsen muss ein Bremsmoment erzeugt werden, was auch wiederum
ein Drehmoment ist, welches am Rad jedoch in die andere Drehrichtung wirkt.
Das Rad seinerseits hat auch noch einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Kraft, welche in der Reifenaufstandsfläche, also dem Latsch wirkt. Ob das Rad einen Durchmesser von 13 Zoll und damit einen wirksamen Radius von ca. 0.3 m aufweist oder ob es sich um ein Hinterrad einesTraktors handelt, ist für die wirksame Kraft im Reifenlatsch entscheidend, denn diese errechnet sich aus:
Dabei ist F die Antriebskraft im Reifenlatsch, M das Antriebsmoment in der Radnabe und r der Radius zwischen Radnabe (Mittelpunkt) und Radumfang (im Beispiel weist der Radius zum Reifenlatsch).
Drehmomentbeispiele
Im Bild 2 sind drei Beispiele dargestellt, wie das Drehmoment mit dem Rad zusammenhängt. Im Bild 2a wird eine Radschraube mit einem bestimmten Drehmoment festgezogen. Dabei ist es wichtig, dass zwischen der Kraftrichtung und dem Hebel ein rechter Winkel besteht. Alles andere wirkt nicht als Drehmoment. Wer schon einmal eine Schraube gelöst oder angezogen hat, weiss das. Der Extremfall wäre, wenn der Schlüssel im Bild 2a senkrecht an der Schraube angebracht wäre und die Krafteinwirkung ebenfalls senkrecht wäre. Da sieht man sofort, dass das nicht geht. Der Schlüssel könnte so keine Drehbewegung ausführen und somit würde die Schraube nicht angezogen. Deshalb müssen Schraubenschlüssel so an die Schraubenköpfe gelegt werden, dass es möglich ist, senkrecht auf den Hebel zu drücken und somit die gesamte Kraft in Drehmoment umzuwandeln.
Ähnlich funktioniert die Drehmomentumwandlung in Bild 2b. Dort wird das Moment vom Differentialgetriebe über die Antriebswelle zur Radnabe bzw. zum Mittelpunkt der Radnabe oder des Rades geleitet.
Bild
2. Drehmomente/Kräfte rund ums Rad. a Anzugsmoment der Radschrauben – b Antriebsmoment von der Radnabe wird zur Antriebskraft beim Bodenkontakt – c die Bremskraft wird durch Reibung an der Bremsscheibe erreicht und dann zum Bodenkontakt übertragen
Von dort wirkt ein virtueller Hebelarm zum Reifenaufstandspunkt, und über den rechten Winkel ergibt sich die Antriebskraft. Der Hebel ist virtuell, weil ja Rad und Reifen am ganzen Umfang Radien aufweisen, das Drehmoment wird aber nur von einem Radius in Kraft umgewandelt, und das ist genau derjenige, welcher die Kraft in den Reifenaufstandspunkt leitet. Die Kraft kann dort aufgenommen und von der Strasse abgestützt werden. So wird der kraftübertragende Hebel theoretisch in jedem Fall senkrecht ausgerichtet sein, ist aber beim Betrachten des Rades nicht erkennbar. Aus diesem Grund wird von einem virtuellen Hebel oder Radius gesprochen. Wenn die Reifenaufstandsfläche oder der Latsch untersucht wird, passt diese Fläche nicht genau in die Radsymmetrie, und so wird der Hebel in der Realität nicht ganz genau senkrecht stehen und damit die Antriebskraft auch nicht genau im Mittelpunkt des Rades angreifen. Bei der Bremskraft werden zwei Kraftumformungen benötigt. Durch Reibung zwischen dem Bremsbelag und der Bremsscheibe entsteht eine Reibungskraft. Über den Hebelarm der Bremsscheibe wird sie in den Bremsscheibenmittelpunkt übertragen und dort als Drehmoment an das Rad übergeben. Das Rad hat immer noch seinen virtuellen senkrechten Hebel zum Radaufstandspunkt. Damit wird das Drehmoment wieder in eine Kraft – die Bremskraft – verwandelt.
Bremsmoment und Bremskraft wirken in entgegengesetzter Richtung der Antriebskraft. Da der Hebelarm der Bremsscheibe kürzer ist als jener des Rades, ist die Reibungskraft an der Bremsscheibe grösser als die Bremskraft am Rad, weil das Produkt aus der jeweiligen Kraft mal ihren Hebelarm das gleiche Drehmoment ergeben muss.
Drehmoment in Motoren
Im Bild 3 sind die Kräfte dargestellt, welche im Verbrennungstakt als Druckkräfte auf den Kolbenboden wirken. Sie sammeln sich im Zentrum des Kolbenbolzens. Steht dabei die Pleuelstange senkrecht, gibt es keine Kräftezerlegung im Kolbenbolzenauge, sondern die gesamte Kraft wirkt direkt auf die Pleuelstange, das Pleuellager und die Hauptlager der Kurbelwelle. Da in dieser Kurbelwellenposition kein Hebelarm wirkt, kann sich kein Drehmoment bilden und die ganze Verbrennungskraft verpufft. Sobald sich der Kolben nach unten bewegt und die Pleuelstange auslenkt, ergibt sich zwischen Pleuellager und Hauptlager ein Hebelarm, welcher so lange grösser wird, bis die Pleuelstange und der Pleuelradius einen rechten Winkel bilden. Genau in diesem Moment, kurz bevor der Kolben die Hubmitte erreicht, wird die ganze Pleuelstangenkraft in Drehmoment umgewandelt.
Durch die Auslenkung der Pleuelstange im Kolben ergibt sich dort
noch eine Kolbenseitenkraft, welche zu einem grossen Teil für den Zylinderverschleiss verantwortlich ist. Damit ist der Kurbeltrieb für die Umwandlung von geradliniger Kraft in ein Drehmoment ein eher schlechter Helfer, aber offenbar gibt es keinen besseren.
Felix Wankel verbesserte diesen Umstand mit dem Wankelmotor. Er musste den Umwandlungsvorteil aber mit vielen Nachteilen im Verbrennungsprozess und in der Motorabdichtung erkaufen. Deshalb blieb sein Motor nur in Nischenanwendungen erhalten.
Anders ist es bei Elektromotoren. Bei Drehstrommotoren gibt es grundsätzlich drei Wicklungsstränge. Diese können wie in Bild 4 als einzelne Pole dargestellt werden oder sie können am Umfang mehrfach vorkommen. Der Drehstrom mit seinen um je 120° versetzten sinusförmigen Schwingungen hat die Eigenschaft, dass sich deren Spannungen immer auf null ergänzen. Damit ergeben sich an den drei Polen in Summe immer gleich grosse magnetische Kräfte, nur ist die Kräfteverteilung zwischen den Polen immer anders und das Drehfeld wechselt stufenlos, so dass es keine störenden Schwingungen gibt und der Rotor sauber und gleichmässig bewegt wird.
Die drei ständigen Kräfte wirken auf den Hebelarm, welcher dem Radius des Rotors entspricht, und treiben die Welle mit dem entsprechenden Drehmoment an. Da die Spulen beim
Anlauf des Motors nur ohmsche Widerstände aufweisen und keine induktiven oder kapazitiven, fliesst in diesem Moment der grösste Strom, welcher auch das grösste Magnetfeld und damit das grösste Drehmoment erzeugt. Aus diesem Grund sind die Drehmomente von E-Fahrzeugen im Startmoment derart gross.
Drehmoment und Arbeit
Interessanterweise haben das Drehmoment und die Arbeit die gleiche Einheit: Nm. Die Arbeit und auch die Energie werden häufig auch mit Joule (J) oder Wattsekunde (Ws) bzw. Kilowattstunde (kWh) angegeben.
Nm = J = Ws
Damit ergibt sich eine Brücke zwischen den physikalischen Hauptgebieten, weil ein Joule in der Mechanik einem Joule in der Thermodynamik oder der Elektrotechnik entspricht.
Bild 3. Das für die Kurbelwelle wirksame Drehmoment muss im Verbrennungsmotor durch mehrere Kräftezerlegungen ermittelt werden. Die Kräftezerlegung im Pleuellager ergibt den drehmomentwirksamen Kräfteanteil und den Kräfteanteil, welcher sich am Hauptlager abstützt.
Bild
4. Drehstrommotoren werden von drei Phasen dauernd mit Strom versorgt.
Der Unterschied zwischen der mechanischen Arbeit und dem Drehmoment ist in der Wirkrichtung der Kraft (Vektor) zu suchen. In AUTO&Technik 12/2023 wurden die Kräfte ausführlich besprochen und es wurde darauf hingewiesen, dass es bei den Kräften nicht nur um deren Grösse (Betrag), sondern auch um deren Richtung geht. Beim Drehmoment sind in den Bildern 2, 3 und 4 überall die Kräfte, die Hebelarme und dazwischen die rechten Winkel eingetragen. Um ein Drehmoment zu erzeugen, muss also zwischen dem Hebel und der Kraft ein rechter Winkel sein.
Anders bei der Arbeit. Wird ein Auto mit einem Lift oder wie in Bild 5 von einem Seil angehoben, so wirkt im Seil die Kraft genau in der gleichen Richtung, wie sich das Auto bewegt: nämlich gegen oben. Hier spricht man auch nicht von einem Hebel, sondern von einer Wegstrecke. Damit das Auto angehoben werden kann, muss die Kraft grösser sein als die Gewichtskraft des Fahrzeuges, dessen Kraftpfeil senkrecht nach unten zeigt (FG). Mit diesem Kräfteunterschied wird das Fahrzeug gegen oben beschleunigt. Soll es stillstehen, wird die Kraft genau der Gewichtskraft entsprechen. Stimmt das nicht ganz genau, bewegt sich das Auto weiter. Entweder nach oben oder nach unten.
Was passiert aber, wenn das Auto den höchsten Punkt erreicht hat und vom Motor nicht mehr weiter nach oben gezogen werden kann? Das
Fahrzeug bleibt jetzt einfach dort oben hängen. Wenn es von Menschen gehalten werden müsste, würden diese schwitzen, weil es für sie Arbeit bedeuten würde, ein Auto an einem Seil in der Höhe zu halten. Physikalisch existiert diese Arbeit aber nicht. Das Auto steht still, also wird keine Arbeit vollbracht, weil es keinen Weg zurücklegt.
Wenn das Auto aber retour auf den Boden gelassen wird, gibt es seine Arbeit wieder zurück. Der E-Motor könnte in dieser Phase die gespeicherte Energie wieder zurückgewinnen. Aus diesem Grund spricht die Physik von Energie als eine gespeicherte Arbeit. Die Arbeit wurde beim Hochkurbeln des Autos gespeichert. Wenn das Auto sich dann nicht mehr bewegt, speichert es diese zugeführte Arbeit und gibt sie beim Herunterlassen wieder zurück. Es werden zwei verschiedene Arten von Energie unterschieden: potenzielle Energie oder Energie der Lage und kinetische Energie oder Bewegungsenergie.
Potenzielle Energie
Im Bild 5b wird das Auto von einem gleichen Fahrzeug in der Luft gehalten.
Somit bewegt sich keines der beiden Autos. Das am Boden stehende Fahrzeug hat keine potenzielle Energie gespeichert, das hängende Fahrzeug jedoch schon – und zwar genau so viel, wie Arbeit in das System geliefert wurde, als es angehoben wurde:
m steht für die Gewichtskraft des Autos, g für die Erdbeschleunigung = 9.81 m/s2 und h für die Höhe, in welcher das Auto hängt. Wird diese Formel mit der Arbeitsformel verglichen, so kann festgestellt werden, dass sie beide das Gleiche aussagen:
Die Gewichtskraft des Fahrzeuges entspricht dem Produkt aus Masse und Erdbeschleunigung. Daneben entspricht in diesem System die Strecke s der Höhe h. Auch damit kann die Energie erneut als gespeicherte Arbeit angesehen werden.
Im Bild 5c wird das am Boden stehende Fahrzeug leicht nach oben angestossen. Es nimmt damit potenzielle Arbeit auf, während das andere Fahrzeug potenzielle Arbeit abgibt, weil es sich dem Boden nähert. Die in diesem System (in den beiden Fahrzeugen) gespeicherte Energie bleibt sich also immer gleich.
Kinetische Energie Im Bild 1 ist ebenfalls die Situation dargestellt, dass ein Fahrzeug – hier mit einem Kran – hochgehoben wurde. Es hat potenzielle Energie gespeichert. Als es aber losgelassen wurde, verwandelte sich die potenzielle Energie in kinetische Energie: Das Fahrzeug hat im freien Fall Geschwindigkeit zugelegt und ist mit seiner Wucht auf den Boden aufgeprallt. Im Crashmoment wurde die kinetische Energie in Verformungsenergie und in Wärmeenergie umgewandelt. Es musste dabei genau die Energie umgewandelt werden, welche im ruhenden System als potenzielle Energie gespeichert war.
Wird das hochgehobene Fahrzeug losgelassen, verrichtet die Schwerkraft auf dem Fallweg wiederum die Arbeit. Diese Arbeit wird jetzt aber nicht dazu benutzt, ein anderes Auto hochzuheben, sondern sie dient der Beschleunigung des fallenden Fahrzeuges. Weil die Erdbeschleunigung g konstant ist, gilt hier für die Beschleunigungsarbeit: dabei ist:
5. Arbeit und Energie. a der E-Motor zieht das Fahrzeug nach oben, dabei wird Energie gespeichert – b steht das Fahrzeug still, kann es von einem gleich schweren Fahrzeug in Ruhe gehalten werden – c die Energie im System bleibt gleich, auch wenn das eine Fahrzeug etwas angehoben und das andere etwas gesenkt wird.
Vom Kolbenmotor Elektroantrieb:
Bild
Bild
Die Strecke kann in der Beschleunigungsrechnung mit verschiedenen Formeln ausgerechnet werden. Da es im freien Fall des Autos natürlich zu Geschwindigkeit kommt, macht die Formel Sinn, welche die Geschwindigkeit miteinbezieht (5).
Damit kann die Formel (2) derart umgebaut werden, dass anstelle von FG die Formel (4) eingesetzt wird und anstelle von h die Formel (5). Damit ergibt sich Formel (6). Algebraisch kann diese Formel aufgelöst und zur Formel (8) vereinfacht werden.
Mit dieser Formel (8) wird die kinetische oder Beschleunigungsenergie berechnet. In Bild 1 wird links die potenzielle Energie gespeichert und rechts wird sie zurück in Verformungsarbeit verwandelt. Über die Formel der kinetischen Energie kann dabei die Aufprallgeschwindigkeit ausgerechnet werden.
Gespeicherte Arbeit
Energiespeicher, also Geräte oder Einrichtungen, welche Arbeit speichern und diese unter gewissen Umständen wieder abgeben können, gibt es in vielen physikalischenTeilgebieten und auch in der Chemie. So stammen die bisher beschrieben Beispiele aus dem physikalischen Gebiet der Mechanik. In der Mechanik gibt es auch noch den Schwungradspeicher. Diesen kann man sich vorstellen, wenn im Bild 5b das unten stehende Auto eben durch ein sehr schweres Schwungrad ersetzt wird. Das Schwungrad wird durch das herunterfallende Auto beschleunigt und die potenzielle Energie des Autos
Bild 6. Fahrzeugbatterien treiben moderne E-Fahrzeuge zuverlässig über mehrere Hundert Kilometer an. Sie sind aber voluminös und machen fast die halbe Fahrzeugmasse aus.
wird in Rotationsenergie umgewandelt. Beim Verbrennungsmotor hat das Schwungrad genau diese Aufgabe und überbrückt die Zeiten der Leertakte möglichst schwingungsfrei. Während der Arbeitstakte wird das Schwungrad wieder mit Energie aufgeladen. Wichtige Energiespeicher in der Mobilität sind vor allem die chemischen und heute auch die elektrochemischen Energiespeicher. Benzin, Diesel und Kerosin sind bekannt und weisen gegenüber elektrochemischen Speichern den riesengrossen Vorteil auf, dass sie pro Kilogramm Masse ein Vielfaches an Energie speichern können. Auf der anderen Seite ist der Wirkungsgrad der elektrischen Antriebe gegenüber den verbrennungsmotorischen Antrieben so viel besser, dass sich eben auch elektrisch problemlos Auto fahren lässt.
Durch die CO2-Diskussion sind die fossilen Energieträger in Verruf geraten, doch können sie mittels alternativer Energie wie Windenergie oder Photovoltaik synthetisch aufgebaut werden und sind dann auch klimaneutral. Bei diesen Syn-Fuel oder E-Fuel genannten chemischen Energiespeichern weiss noch niemand so recht, welches Produkt am meisten gefördert werden soll: Wasserstoff wird durch die Elektrolyse aus Wasser hergestellt. Das winzig kleine Atom ist
aber schwierig zu transportieren, weil es überall diffundiert. Aus Wasserstoff und Kohlenstoff können Methan oder Methanol hergestellt werden, die wiederum zu benzin- oder dieselähnlichen Stoffen weiterverarbeitet werden können. Jede Verarbeitung braucht abermals Energie, und der Wirkungsgrad der Umwandlung sinkt bzw. die Treibstoffkosten steigen.
Dabei spielt vor allem der Energieträger Wasserstoff die entscheidende Rolle. Dieses Element speichert sehr viel Energie pro Masseeinheit, und so geht es eigentlich darum, was am meisten Wasserstoff binden kann. Dies ist Ammoniak, eine StickstoffWasserstoff-Verbindung, welche pro Volumeneinheit mehr Wasserstoff speichern kann, als wenn Wasserstoff komprimiert oder verflüssigt gespeichert wird. Aus diesem Grund gibt es Anstrengungen, im maritimen Bereich Ammoniakmotoren zu entwickeln.
Die Politik liebäugelt im Moment immer noch mehr mit der reinen Elektrizität als Energieträger, was unter dem Aspekt der Energieumwandlungen natürlich logisch und vernünftig ist. Jede Energieumwandlung erfolgt unter Verlusten. Deshalb sollte die elektrische Energie direkt benutzt werden. Hier stellt sich dann wieder das Problem der Speicherung. In Fahrzeugen stellen
die Li-Ionen-Akkumulatoren heute akzeptable Speicher dar. Wenn aber der Fokus vom Verkehr auf die Infrastruktur gelegt wird, dann werden riesige Energiespeicher nötig. Da haben wir in der bergigen Schweiz den Vorteil, dass wir Stauseen bauen können. Die Wassermassen werden bei Stromüberschüssen von Pumpen in die höher gelegenen Seen gepumpt und nehmen so potenzielle Energie auf. Wird die Energie wieder gebraucht, stürzen die Wassermassen in die Turbinen, welche Generatoren antreiben und so wieder elektrische Energie erzeugen.
FRAGEN
1. Erklären Sie den Begriff Vektor oder gerichtete Grösse.
2. Wann wird aus einer Kraft und einem Hebel oder einer Strecke ein Drehmoment?
3. Welcher Unterschied besteht zwischen der physikalischen Formel für die Arbeit und jener für die potenzielle Energie?
LÖSUNG ZUR AUSGABE 12/2024
1. 1 t Masse: ca. 900 kJ, 2 t Masse: ca. 1800 kJ
2. Die Elektronik entscheidet aufgrund von Sensordaten. Wie viel kann die E-Maschine liefern, wie viel kann die Batterie aufnehmen, welche Verzögerung wird überhaupt gefordert usw.
3. ASM
Mensch-Maschine-Schnittstellen
NUTZERABSICHTEN ANTIZIPIEREN
Ein «intelligentes» Demofahrzeug erkennt sich nähernde Personen und deutet ihre Absichten. Und eine unsichtbar hinter dem Display angebrachte Kamera erfasst die Vitaldaten der Fahrzeuginsassen.
Text: Stefan Gfeller | Bild: Continental
Continental hat im Januar auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas mit dem eigens aufgebauten Demofahrzeug Intelligent Vehicle Experience Car technologische Innovationen für die Interaktion zwischen Auto und Fahrer präsentiert – Lösungen, die in den nächsten drei bis fünf Jahren in Serie gehen könnten. Das Showcar soll einen konkreten Ausblick auf das Software-definierte Fahrzeug und gleichzeitig auf die grosse Bedeutung von Biometrie für künftige Fahrzeuggenerationen bieten. Denn die Interaktion zwischen Mensch und Maschine in Fahrzeugen ist für eine positive
Nutzererfahrung entscheidend. In Zukunft sollen Fahrzeuge mit ihren Nutzern schon vor dem Öffnen der Türen interagieren. Sie werden in der Lage sein, Absichten, Bewegungen und Gesichtsausdrücke zu deuten.
Vielfältige Anwendungsfälle
Das «intelligente Fahrzeug» von Continental zielt auf diesen ersten, entscheidenden Kontakt zwischen Mensch und Automobil ab. Dazu nutzt es die Vorteile der biometrischen Erkennung, wie man sie zum Beispiel von der Gesichtserkennung vieler Smartphone-Apps kennt, geht aber noch einen Schritt weiter: Es antizipiert die Absichten des Nutzers,
versteht den Kontext und personalisiert die Interaktion. Das Demofahrzeug zeigt unter anderem die Anwendungsfälle Approach Detection (das Auto erkennt sich nähernde Personen), User Identification (das Auto identifiziert autorisierte Personen mittels Gesichtserkennung), Intention Recognition (das Auto erkennt die Absicht einer sich nähernden Person, etwa durch Interpretation einer Handbewegung in Türnähe) und Intuitive Trunk Access (der Kofferraum öffnet sich automatisch, wenn eine autorisierte Person zum Beispiel eine gewisse Zeit in Richtung der Heckklappe schaut. In einer ersten Generation dieser Innovation wird der Öffnungsimpuls noch durch eine Fussbewegung in Richtung hinterer Stossstange ausgelöst).
Für diese Funktionen kombiniert Continental künstlich intelligente Algorithmen und Fahrzeugsensorik, die für verschiedene Anwendungen bereits im Fahrzeug vorhanden sind.
Zum Beispiel können 360°-Kameras, die für einen Parkassistenten genutzt werden, gemeinsam mit bewährter Ultrabreitband-Radarsensorik auch
zur Identifizierung von Personen zum Einsatz kommen. Das bereits bei verschiedenen Herstellern in Serie gegangene Smart-Device-basierte Zugangssystem «CoSmA» von Continental bietet dabei die Basis für die Interaktion.
Display mit Durchblick
Im Rahmen der CES mit einem Innovation Award Honoree ausgezeichnet wurde das von Continental gemeinsam mit «trinamiX» entwickelte Invisible Biometrics Sensing Display. Es erfasst die Vitalparameter der Fahrzeuginsassen, wobei die Technik die im Fahrzeuginnenraum befindlichen Passagiere durch den hochauflösenden OLED-Bildschirm hindurch erkennt und so komplett unsichtbar bleibt. Darüber hinaus bietet das System weitere Vorteile: So erstellt es zum Beispiel eine 3DTiefenkarte für eine optimierte Auslöseentscheidung bei Airbags und erkennt zuverlässig, ob der Sicherheitsgurt angelegt ist. Zudem bietet das Invisible Biometrics Sensing Display eine berührungslose Analyse von Vitalparametern wie der Herzfrequenz. So können Stresssituationen oder ein sich anbahnender medizinischer Notfall rechtzeitig registriert und entsprechende Sicherheitsfunktionen eingeleitet werden.
Um Vitaldaten zu erfassen, ist neben einer 1.5-MP-Near-InfraredKamera ein für das menschliche Auge ungefährlicher Laser-Dot-Projektor hinter dem hochauflösenden OLED-Bildschirm platziert. Die hier eingesetzte biometrische Bildanalyse stammt von «trinamiX». Das Verfahren nutzt die Reflexionen der vom Laser-Dot-Projektor im unsichtbaren Lichtspektrum ausgesendeten Lichtpunkte, um auf Basis von künstlicher Intelligenz Ergebnisse abzuleiten. Zudem stellt die Lösung weitere relevante Informationen bereit: den Abstand des Fahrers zum Cockpit oder auch die Klassifikation von Textilstoffen, die zur Erkennung eines korrekt angelegten Sicherheitsgurtes benötigt wird.
Das Intelligent Vehicle Experience Car antizipiert die Absichten des Nutzers, versteht den Kontext und personalisiert die Interaktion.
CLOUD-GETRIEBENE POWERTRAIN-OPTIMIERUNG
Cloudgetrieben und in Echtzeit werden fahrzeugspezifische Optimierungen für den Antriebsstrang bereitgestellt. Das resultiert in grösserer Reichweite und längerer Batterielebensdauer, zudem kann die UpdateFähigkeit des Fahrzeugs um HardwareUpgrades erweitert werden – und ein standardisierter BatterieScore könnte den FahrzeugWiederverkaufswert erhöhen. Bild: IAV
Typischerweise ist die Reaktion eines Batteriemanagementsystems (BMS) starr vorgegeben, wobei nur sehr begrenzte Anpassungen an Kundenoder Umweltbedingungen möglich sind. Es ist zum Zeitpunkt der Fahrzeugauslieferung vorprogrammiert, und alle Softwareanpassungen oder -verbesserungen müssen durch Updates vorgenommen werden.
Die IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr hat nun eine Cloud-getriebene PowertrainOptimierung vorgestellt, mit der ab Werk ein standardisiertes oder sogar ein «minimales» BMS geliefert werden kann, das dann individuell über die Cloud auf den Fahrer abgestimmt wird. Das Verhalten des BMS kann in Echtzeit gesteuert und bei Bedarf angepasst werden. So wird eine flexible und personalisierte Optimierung des Batteriemanagements möglich, die auf die spezifischen Bedürfnisse und Bedingungen des Fahrers zugeschnitten ist. Dabei nutzt die Lösung Sensordaten von elektrifizierten Fahrzeugen, Flottendaten und komplexe Algorithmen in der Cloud, um die fahrzeugspezifischen Optimierungen für den Antriebsstrang, aber auch Tipps für den Fahrer in Echtzeit bereitzustellen. So können signifikante Verbesserungen in Reichweite und Batterielebensdauer erzielt werden.
Hardware-Upgradefähigkeit
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Cloud-getriebenen Powertrain-Optimierung ist die Update- und Upgrade-Fähigkeit des Fahrzeugs. IAV
spricht hier gar von einem «neuen Level» für Software-definierte Fahrzeuge, welches auch die HardwareUpgradefähigkeit umfasst. Das bedeutet, dass beispielsweise die Batterie oder der Elektromotor durch ein Modell mit der neuesten Technologie ersetzt werden kann, ohne dass neue Software erforderlich ist. Mit der Lösung von IAV ist die Software nicht Hardware-gebunden und kann basierend auf Algorithmen in der Cloud einfach an die neue Hardware angepasst werden. Dies ermöglicht
es, das Fahrzeug in Bezug auf die Hardware zu aktualisieren und aufzurüsten und so seine Lebensdauer zu verlängern. Dazu stellt IAV sicher, dass die «Treiber» der Hardware immer kompatibel sind – ähnlich wie beispielsweise bei früheren PCs, bei denen das Gehäuse gleich blieb, aber neue Prozessoren und mehr Speicher installiert wurden: Das Fahrzeug bleibt äusserlich unverändert, während der Antriebsstrang auf den neuesten Stand gebracht wird. Dies schafft eine nachhaltige
und kosteneffiziente Lösung für Fahrzeugbesitzer.
Ein Score für Batterien
Hinzu kommt die Einführung eines Batterie-Scores, der die verbleibende Lebensdauer, die Umweltbelastung, die Aussichten für die Nutzung in Second-Life-Anwendungen und den Wiederverkaufswert der Batterie berücksichtigt. Durch die Optimierung der Batterie in Echtzeit und die Anpassung cloudbasierter Fahrmodelle an den Fahrer kann zudem die Batterielebensdauer verlängert werden. Das erhöht nicht nur den Wiederverkaufswert des Fahrzeugs, sondern schafft auch eine Motivation für den Fahrer, sein Fahr- und Ladeverhalten anzupassen. Durch den Einsatz von Gamification-Elementen beispielsweise könnten Fahrer zusätzlich motiviert werden, ihr Verhalten zu ändern und so die Batterie zu schonen. (sag)
Das Verhalten des Batteriemanagements kann Cloud-getrieben angepasst werden.
Leistungselektronik: Zukünftig könnten Mikrowandler die Regelung jeder einzelnen Batteriezelle und die Kommunikation der Zellen untereinander ermöglichen.
Zukünftige Technologien
EINBLICKE IN FORSCHUNGSAKTIVITÄTEN
MercedesBenz gibt Einblicke in seine Forschungsaktivitäten und zeigt, wie ein neuartiger Power Converter mehr Effizienz für die Hochvoltarchitektur der Zukunft bieten könnte und welche Vorteile die Integration der mechanischen Bremse in die Antriebseinheit verspricht.
Text: Stefan Gfeller | Bilder: Mercedes-Benz
Mercedes-Benz forscht kontinuierlich an neuartigen Technologien, um die Mobilität von morgen zu gestalten, und gab nun Einblicke in aktuelle Forschungsaktivitäten, die auf den automobilen Fortschritt weit nach der jetzigen Ära der Transformation zielen. Dazu gehören etwa Visionen von Städten der Zukunft oder der Einsatz von Augmented Reality und Mixed Reality für ein «hyperpersonalisiertes Kundenerlebnis» der Zukunft, auf die hier nicht näher eingegangen wird, aber auch Entwicklungen in der Leistungselektronik und eine Umplatzierung der Bremse.
Regelung auf Zellebene
Eine neue Generation von Leistungselektronik-Technologien soll nicht weniger als einen Paradigmenwechsel einläuten. Denn künftig könnten programmierbare Mikrowandler über die Grenzen derzeit üblicher elektrischer Wechselrichtersysteme hinausgehen. Dazu werden die Mikrowandler direkt auf der Batteriezellebene integriert und ermöglichen so die Regelung jeder einzelnen Batteriezelle und die Kommunikation der Zellen untereinander. Genauer: Ein
aus mehreren Mikrowandlern bestehender Power Converter wird direkt an eine beliebige Anzahl von Batteriezellen angeschlossen und ermöglicht es, Zellen individuell zu regeln und die Höhe der Ausgangsspannung dieser Einheit zu regeln. Die derzeitigen Forschungsergebnisse zeigen, dass damit – unabhängig vom Ladezustand und dem Alterungszustand der einzelnen Zellen – eine konstante Spannung von 800 V am Ausgang bereitgestellt werden kann. Dabei ist die Ausgangsspannung dieser gesamten Fahrzeugbatterie nicht mehr von der Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen abhängig, die Anzahl wird lediglich durch die gewünschte Leistungs- und Kapazitätsklasse vorgegeben.
Mercedes-Benz erklärt, dass dieser technologische Ansatz überdies die Reichweite steigern und den Energiefluss auch für bidirektionale Ladevorgänge optimieren könnte. Zudem würden sich neue Freiheiten bei der Modularisierung von Elektroantrieben ergeben, denn die programmierbaren Mikrowandler könnten die Varianten elektrischer Bauteile in der Produktion reduzieren, für aktuelle Updates leicht umprogrammiert werden und sich
so als ressourcenschonende Einheitsbauteile anbieten.
Kaum Verschleiss und nahezu wartungsfrei
Die mechanische Bremse kann in Elektrofahrzeugen, die überwiegend durch Rekuperation verzögern, anders gestaltet werden. So sitzt die nachhaltigere Bremse, an der Mercedes-Benz aktuell forscht, nicht mehr klassisch im Rad, sondern ist in die geschlossene Elektromaschine-Getriebe-Einheit an der/den angetriebene(n) Achse(n) integriert.
Dabei nimmt die «In-Drive Brake» nur wenig Bauraum ein, verschleisst kaum, rostet nicht und ist nahezu wartungsfrei – all dies gemäss den derzeitigen Forschungsergebnissen. Sie wäre also sehr langlebig und zuverlässig, ausserdem würden keine Feinstaubemissionen durch Bremsabrieb nach aussen gelangen. Bremsgeräusche und Bremsenreinigung könnten damit künftig der Vergangenheit angehören.
Gemäss Mercedes sei die Bremswirkung gut zu dosieren und lasse auch unter hoher Belastung nicht nach. Zu den weiteren Vorteilen gehört natürlich einerseits die Verringerung der ungefederten Massen, da die Bremse nicht mehr am ungefederten Rad sitzt. Andererseits würden durch den Wegfall der Bremsenkühlung am Rad auch komplett geschlossene Felgen für eine verbesserte Aerodynamik möglich.
Mercedes-Benz forscht an der «In-Drive Brake», die nicht mehr am Rad, sondern in der Elektromotor-Getriebe-Einheit eingebaut ist.
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Zu den weiteren Themen zählen Tuning mit Trends aus dem Bereich der Fahrzeugindividualisierung sowie Felgenreparatur.
AUTO-EVENTS 2025
FACHWISSEN
Stellantis-Getriebe 6-eDCT Für Hybridfahrzeuge werden immer wieder neue Getriebe entwickelt. Stellantis hat 2023 ein neues 6-Gang-Doppelkupplungsgetriebe mit integriertem 48-Volt-E-Motor vorgestellt. Für rein verbrennungsmotorisch fahrende Fahrzeuge kann das Getriebe softwaremässig auf sieben Gänge erweitert werden. Es weist insgesamt drei Kupplungen, vier Getriebewellen, einen Planetensatz und den Achsantrieb mit dem Differential auf. Die in P2-Manier eingebaute E-Maschine wird direkt an die Trennkupplung angeschlossen. Wie das Getriebe funktioniert und wo das Drehmoment durchgeleitet wird, erklären wir im «Fachwissen» der März-Ausgabe.
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Lackieranlagen und Lacktrends 2025
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, Multiarbeitsplätze sowie innovative Technologien bei der Lackaufbringung vor.
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