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Zusammenfassung Fahrzeugtechnik Aufgaben mit Lösungen
Grundlagen zur Fahrzeugtechnik I (2113808)
Karlsruher Institut für Technologie
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2. Fahrmechanik 2 Fahrwiderstände und Fahrleistung Welche Fahrwiderstände gibt es? Wie verhalten sich die Fahrwiderstände gegenüber steigender Fahrgeschwindigkeit? Steigungswiderstand konstant Radwiderstand und Triebstrangwiderstand steigen Luftwiderstand steigt quadratisch Wie ist die Straßenfahrleistung definiert? Zeichne alle am Fahrzeugwirkenden Kräfte in eine Skizze Zwei Szenarien (konstante Ebene + beschl. Bergfahrt) gegeben: Wirkende Fahrwiderstände bezeichnen und nichtwirkende begründen Konstante Ebene: Luftwiderstand, Radwiderstand, Triebstrangwiderstand Beschl. Bergfahrt: Luftwiderstand, Radwiderstand, Triebstrangwiderstand, Beschleunigungswiderstand, Steigungswiderstand 2.1 Triebstrangwiderstand Was ist der Triebstrangwiderstand? Umfasst alle Verluste zwischen Motorschwungrad und Antriebsrädern (Getriebe, Kardanwelle, Differenzial) 2.1 Radwiderstand Was sind die Anteile des Radwiderstands? Rollwiderstand, Schräglaufwiderstand, Schwallwiderstand Wie ist der Rollwiderstand aufgeteilt (zu welchen Anteilen in %)? - Walkwiderstand 80% - Luftwiderstand 20% Leite den Walkwiderstand anhand einer Skizze her Wie ist der Rollwiderstandsbeiwert definiert, wie groß ist er bei PKW und wie verhält er sich bei geringem Reifenfülldruck? Rollwiderstandsbeiwert = 1*Walkwiderstandsbeiwert PKW fRR,i = 0,006 – 0,012 kleiner Reifenluftdruck großer Rollwiderstandsbeiwert Wovon ist der Luftwiderstand eines Rades abhängig? Radgeschwindigkeit vW und Raddrehgeschwindigkeit W Was ist der Schräglaufwiderstand? Was ist der Vorspurwiderstand? Schräglaufwinkel zwischen Reifenhauptebene und Radschwerpunktsgeschwindigkeit erzeugt Seitenführungskraft Teilkraft die entgegen der Fahrtrichtung wirkt = Schräglaufwiderstand Vorspurwiderstand bei Lenkwinkel = 0 entsteht durch Vorspurwinkel der Räder Wovon ist der Schwallwiderstand abhängig? Geschwindigkeit und Verdrängungsquerschnitt (b*h) Skizziere die 3 Zonen, die bei der Wasserverdrängung am Radquerschnitt entstehen. 2.1 Luftwiderstand Was sind die Bestandteile des Luftwiderstandes (mit prozentualen Anteilen)? - Druckwiderstand (70%) - Durchströmwiderstand (20%) - Reibungswiderstand (10%) Wie lautet die Formel für den Luftwiderstand? c x∗A f ∗ρ 2 mit v in m/s F RAir = ∗v A ,rel 2 Zeichne das Fahrzustandsdiagramm für 5 Gänge. Markiere die vmax und die Zugkraftreserve. Welche Gangarten gibt es für den höchsten Gang? Skizziere die Verläufe. 2 Mechanik der Antriebskräfte 2.2 Schwerpunktlage Wie ist die horizontale Schwerpunktlage definiert und wie kann man sie herleiten? Leite die vertikale Schwerpunktlage her. 2.2 Achslasten Bestimme die Achslasten bei einer beschleunigten Bergfahrt. 2.2 Antriebsgrenzen Wie lauten die Formeln für die maximal übertragbare Kraft bei Front- Heck- bzw. Allradantrieb Antriebsgrenze Allrad: 100%, Frontantrieb: 53%, Heckantrieb: 45% F D , f max =μ ad∗F G , fN ( Frontantrieb ) F D , r max =μad∗FG ,rN ( Heckantrieb ) F D , max =μ ad∗F G ,∗cos ( α ¿ ) ( Allradantrieb ) 2.2 Fron- Heck- und Allradantrieb Wieso gilt folgendes: Weil der AWD das gesamte Fahrzeuggewicht zum beschleunigen verwendet, ist die Beschleunigung insgesamt größer Fahrzeug neigt sich stärker nach hinten Somit ist die Achslast hinten größer und vorne kleiner als bei gewöhnlichen Front-/ Heckantrieben Welche Bauarten von Allradantrieben gibt es und was sind deren Vor- und Nachteile? Starrer Allradantrieb (gleiche Drehzahlen, Zuschaltkupplung): - Verspannung im Antrieb bei Kurven Kraftgesteuerter Allradantrieb (konstantes Momentenverhältnis, Mittendifferenzial): - Eine Achse erreicht vorzeitig die Rutschgrenze - Probleme bei ABS Schlupfgesteuerter Allradantrieb (Viskokupplung): + keine Probleme bei ABS Was ist der Gütegrad einer Abbremsung und wie ist er definiert? Gütegrad gibt an wie nahe an der Maximalbremsung (Vorderachse und Hinterachse an Rutschgrenze) gebremst wird Wie soll der Gütegrad einer Abbremsung im besten Fall sein? Möglichst hoch (= 1) 2.3 Bremskraftverteilung Wie lautet die Formel für eine ideale Bremskraftverteilung Zeichne die Bremskraftverteilung für verschiedene Gütegrade ein und markiere den stabilen und instabilen Bereich. Wie verändert sich die Bremskraftverteilung bei längerem Achsabstand aber gleicher Schwerpunkthöhe? Bei Vergrößerung des Achsabstandes wird bei einer Bremsung das Verhältnis von Vorderachsenbremsung zu Hinterachsenbremsung kleiner, d. es wird mehr Bremskraft auf die Hinterachse und weniger auf die Vorderachse geleitet, als im erst genannten Fall (Fahrzeug neigt nicht so stark nach vorne bei Bremsung) 2.3 Auslegung der Bremskraftverteilung 2.3 ABS Was wird beim ABS geregelt? Schlupf Wie lautet die Formel für den Schlupf? v W −v V ω r∗r dyn−v v swheel = ∗100= vV vv Beschrifte folgende Abbildung Welche 3 Phasen werden im ABS Regelzyklus durchlaufen? Druck halten, Druck erhöhen, Druck senken 2 Passive Sicherheit Welche Schutzmaßnahmen zur Unfallmilderung gibt es? Innere Sicherheit: Gurt, Airbag, Sidebag, Nackenstütze, ... Äußere Sicherheit: Geometrie, Steifigkeit und Deformationswege 2.5 Fahrgastzelle Wandaufprall Geg: Geschw., Deformationsweg, Masse; Aussage zu: Kraft, Steifigkeit, Beschl. F=c b∗s=m∗a c b 2 F tv m∗a E¿ = ∗s tv = ∗s tv= ∗stv 2 2 2 Ekin =E¿ Ansatz: Zeichne diesen Vorgang in ein Diagramm ein. Woran erkennt man im F-s Diagramm die Steifigkeit c? An der Steigung der Geraden. Fahrzeug-Fahrzeug Geg: Geschw., Deformationsweg, Masse; Aussage zu: Kraft Steifigkeit, Beschl. F l=F h F=m l∗al=m h∗ah=cbl∗s l=c bh∗s h m l∗al c bl∗sl = =1 m h∗a h c bh∗s h Berechne die Geschwindigkeit nach dem Aufprall. Zeichne diesen Vorgang in ein Diagramm ein. 2.5 Insassen Welche Rückhaltesysteme gibt es? Dreipunktgurt mit Aufrollautomatik, Airbag/Sidebag/Kopfbag, Wie funktioniert ein Gurtstraffer? Wird kurz vor Aufprall durch Crashsensor aktiviert und zieht Gurt straff, damit Person bei Aufprall nicht noch einen kleinen Weg nach vorne macht Was sind die Bestandteile eines Airbags? Crashsensor, Gasgenerator, Luftsack Welche Verletzungskriterien gibt es und was sind deren Grenzwerte? Kopf -> HIC (Head Injury Criterion), HIC_Europa = 1000 (Beschl. Darf nicht länger als 3ms über 80g liegen) Thorax -> SI (Severity Index), SI = 1000 (Überlebensgrenze) (Beschl. Darf nicht länger als 3ms über 60g liegen) Welche zwei physikalischen Größen sind bei beiden Verletzungskriterien maßgeblich? Beschleunigung und Dauer Leite die Formel für den thermischen Wirkungsgrad des Carnot Prozesses her Q Gain Q 23−Q 41 T 2−T 4 nth= = = Q¿ Q 23 T2 Wie nennt man den Prozess auf dessen Basis die heutigen Verbrennungskraftmaschinen (Diesel und Otto) beruhen? Seiliger-Prozess Skizziere das p-V und T-s Diagramm des allgemeinen Seiliger Prozesses. Skizziere das p-V Diagramm eines schnell laufenden und eines langsam laufenden Dieselmotors Schnell Laufend (PKW, LKW): Gleichraum-Gleichdruck-Prozess siehe allgemeiner Seiliger Prozess Langsam laufen (Schiffsmotor): Gleichdruck-Prozess: Skizziere das p-V Diagramm eines Otto-Motors Gleichraum-Prozess: Betrachten Sie das p-V-Diagramm des Seiliger-Prozesses. Während des Ladungswechsels sinkt der Druck isochor auf das Umgebungsniveau ab. Dadurch geht Restenergie ungenutzt verloren. Wie wird bei manchen Motoren die Restenergie teilweise genutzt? Teilweise Nutzung der Restenergie durch Abgasturbolader möglich. 3.1 Grundlage realer Prozesse Wie ist der Liefergrad eines Motors definiert? mc λ Ch= ,m =ℑ Brennraum vorhandene Frischladungsmasse , m th=theoretisch mögliche Frischladung m th c Skizziere das p-V Diagramm eines realen Otto/ Dieselmotors, kennzeichne darin die 4 Takte und die Öffnungs- und Schließzeitpunkte des Ein- bzw. Auslassventils Zeichne die Energien ein, die durch die Verbrennung gewonnen werden, sowie durch den Ladungswechsel verloren gehen. s. Wie ist das Verdichtungsverhältnis eines Motors definiert? V c −V h ε= , V h=Hubvolumen ( definiert durchTotpunkte des Kolben ) , V c =Kompressionsvolumen(wen Vc Wie hoch ist der maximale effektive Wirkungsgrad eines Ottomotors und bei welchem Verdichtungsverhältnis wird dieser Punkt erreicht? 40% bei = 12 Warum lässt sich das Verdichtungsverhältnis beim Ottomotor, warum beim Dieselmotor nicht beliebig erhöhen? Ottomotor: Klopfen Dieselmotor: Motorfestigeit Was passiert beim Vorgang klopfen und bei welchem Motor kann das passieren? Gemisch entzündet sich selbst vor der Flammenfront (Otto-Motor) rasante Verbrennung und höhere Spitzendrücke und Spitzentemperaturen Thermische Überlastung Welche Eigenschaft muss der Kraftstoff haben, um Klopfen zu verhindern? Hoher Zündverzug, hohe Oktanzahl Was ist Nageln und wie entsteht es? Einspritzung -> Zündverzug (nicht gezündet, Kraftstoff noch im Verbrennungsraum) > Größere Teilmenge eingespritzt bis zur Selbstzündung -> rasante Verbrennung bereits eingespritzter Menge -> Nageln, Klopfen Welche Eigenschaft sollte Dieselkraftstoff haben? Geringer Zündverzug, hohe Cetanzahl Was ist die indizierte Leistung und wie ist sie definiert? Im Brennraum freigesetzte Leistung Mindestluftbedarf und spez. Kraftstoffbedarf nicht beinflussbar Welche Größe erhält man, wenn man von indizierten Mitteldruck den mittleren Reibdruck abzieht? Nennen Sie 4 Einflussgrößen auf den mittleren Reibdruck bei einem Pkw Motor. Man erhält den effektiven Mitteldruck. Einflussgrößen: Hilfsaggregat, Steuerung, Gaswechsel, Kurbel und Nockenwellenlager, Pleuellager, Kolben und Ringe 3.1 Abgasemissionen 3.1.3 Schadstoffe und Grenzwerte Welche Abgase gibt es beim Dieselmotor? NOx (Stickstoffoxide), HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonooxid), Ruß 3.1.3 Motorische Maßnahmen Wodurch entstehen CO, CH und NOx CO: örtlicher Luftmangel CH: örtlicher Luftmangel und/oder örtlich zu niedrige Gastemperatur NOx: örtlicher Luftüberschuss und örtlich zu hohe Gastemperatur Skizziere den Schadstoffausstoß über der Luftverhältniszahl für Ottomotor Nennen Sie Gründe für den Verlauf der Kennlinien (warum steigt die Konzentration in manchen Bereichen, warum fällt die Konzentration in anderen Bereichen, warum zeigt eine Kurve ein Maximum?). NOx hat Maximum bei = 1.05-1, da dort ein leichter Luftüberschuss und erhöhte Temperaturen herrschen. Bei höherem sinkt die Temperatur und bei niedrigerem gibt es nicht genügend Sauerstoff CO und HC steigen bei niedrigen , da dort Luftmangel herrscht. HC steigt bei > 1 da es dort Zündaussetzer gibt Skizziere den Schadstoffausstoß über der Luftverhältniszahl für Dieselmotor Welche Möglichkeit gibt es bei einem Ottomotor den NOx-Ausstoß zu reduzieren? Schichtlademotor Wieso funktioniert ein Schichtlademotor bei = 2? Kraftstoff wird so eingespritzt, dass Gemischwolke mit λ=1 direkt an der Zündkerze im übrigen Brennraum höheres Lambda Welche motorische Maßnahme gibt es bei einem Dieselmotor den NOx-Ausstoß zu reduzieren? Abgasrückführung Beschreiben Sie kurz, wie Ruß entsteht. Nennen und beschreiben Sie 2 Maßnahmen, um diesen Schadstoff zu reduzieren. Entstehung: Durch unvollständige Verbrennung Maßnahmen: Gute Durchwirbelung im Brennraum Hohe Luftverhältniszahl 3.2 Abgasnachbehandlung Wie lauten die Oxidationsgleichungen für einen 3-Wege-Katalsysator? Oxidation: CO + O2 = CO2 HC + O2 = H2O + CO2 Reduktion: NOx + CO = CO2 + N2 Wieso funktioniert ein 3-Wege-Katalysator nur bedingt bei einem Dieselmotor? Da ein 3-Wege-Katalysator nur bei λ=1 optimal funktioniert und der Dieselmotor aufgrund des inhomogenen Gemisches bei höherem λ betrieben wird. In welchem Bereich arbeitet ein 3-Wege-Katalysator? Arbeitet im Bereich von = 0 – 1 Nennen Sie die drei wesentlichen Komponenten am Motor bzw. am Fahrzeug, die erforderlich sind, um diesen Arbeitsbereich einzuregeln. -Sonde, Steuergerät, Einspritzsystem Welche Folgen hat ein Luftüberschuss ( > 1) bzw. Luftmangel ( < 1) im Katalysator? λ< 1: Luftmangel, Oxidation unvollständig Anstieg von CO und CH λ> 1: Luftüberschuss, CO und CH oxidieren vorrangig mit Sauerstoff Anstieg NOx Skizziere den Verlauf des Schadstoffausstoßes nach einem Katalysator Welche Möglichkeit zur Abgasnachbehandlung gibt es zusätzlich beim Dieselmotor und wie nennt man die Flüssigkeit, die hierfür benötigt wird? SCR-Katalysator verwendet „Ad-Blue“ (Harnstoff-Wasser-Lösung) 3 Alternative Verbrennungskraftmaschinen Skizziere das Lieferkennfeld für E-Motor, Gasturbine und Verbrennungsmotor Verbrennung in Hubkolbenmotor oder Umwandlung in el. Energie durch Brennstoffzelle 3 Elektroantrieb 3.3 elektrische Antriebskonzepte Welche rein-elektrischen Antriebskonzepte gibt es und was sind deren VorNachteile? Radnabenmotor Vorteile Nachteile Platzersparnis Motoren sind starken Umwelteinflüssen Keine Reibungsverluste durch Getriebe ausgesetzt Extreme Lenkwinkel möglich Teuer Geringe Leistung, da Drehzahlen niedrig Einmotor-Antrieb (Zentralmotor) Vorteile Klassischer ausgereifter Aufbau Kompakte Bauweise Mehrmotor-Antrieb Vorteile Stark reduzierter Antriebsstrang Bei 4 Motoren einfach Allradantrieb darstellbar Nachteile Antriebsstrang nötig Allradantrieb nicht einfach realisierbar Nachteile Erhöhter Regelaufwand Antriebsstrang nötig 3.3 Hybridantrieb Welche Hybridantriebskonzepte gibt es? Seriell, Parallel und Leistungsverzweigt In welche 3 Kategorien werden Hybridfahrzeuge eingeteilt und was sind deren Eigenschaften?
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