Automotive Engineering I - Exam

Aufgabe 1)

Betrachte die Geschichte der Fahrzeugentwicklung und die entscheidenden technologischen Meilensteine, die zur modernen Automobilindustrie beigetragen haben.

a)

(a) Beschreibe die technologische und gesellschaftliche Bedeutung des ersten von Karl Benz entwickelten Automobils im Jahr 1886. Gehe dabei auf die technischen Spezifikationen des Fahrzeugs, sowie auf die Auswirkungen auf die damalige Gesellschaft ein.

Lösung:

(a) Das erste Automobil, das von Karl Benz im Jahr 1886 entwickelt wurde, markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Geschichte der Fahrzeugentwicklung. Dieses Fahrzeug, bekannt als der Benz Patent-Motorwagen Nummer 1, wurde von einem Einzylinder-Viertaktmotor mit einer Leistung von etwa 0,75 PS (0,55 kW) angetrieben. Es verwendete einen Vergaser, um das Benzin-Luft-Gemisch zu erzeugen, welches verbrannt wurde, um Antriebskraft zu erzeugen.

• Technische Spezifikationen:
  • Motor: Einzylinder-Viertaktmotor
  • Leistung: 0,75 PS (0,55 kW)
  • Sitzzahl: Zwei-Personen-Fahrzeug
  • Höchstgeschwindigkeit: Etwa 16 km/h
  • Antrieb: Kettenantrieb
  • Lenkung: Figurenkopf-Heinlenkung

Die technologische Bedeutung dieses Fahrzeugs liegt in der Einführung des benzinbetriebenen Verbrennungsmotors, der eine Neuheit in der Welt der Fortbewegung darstellte. Dies setzte neue Maßstäbe für zukünftige Fahrzeugentwicklungen und öffnete das Tor zu immer fortschrittlicheren und komplexeren Automobiltechnologien.

Gesellschaftlich hatte das Automobil eine tiefgreifende Wirkung. Es revolutionierte die Art und Weise, wie Menschen sich fortbewegten, und bot eine neue Ebene der persönlichen Mobilität und Freiheit. In den Jahren nach seiner Einführung erkannten mehr Menschen die Vorteile dieses neuen Transportmittels. Dies führte schließlich zur Entwicklung einer breiten Automobilindustrie, die wichtige wirtschaftliche und soziale Veränderungen antreiben sollte.

• Gesellschaftliche Auswirkungen:
  • Verbesserte persönliche Mobilität und Freiheit
  • Erleichterung des Transportwesens, insbesondere in städtischen und suburbanen Gebieten
  • Eröffnung neuer wirtschaftlicher Möglichkeiten und Schaffung von Arbeitsplätzen in der Automobilindustrie
  • Veränderung von städtischen und ländlichen Infrastrukturen mit dem Bau von Straßen und Autobahnen
  • Förderung des Tourismus durch einfachere und schnellere Reisemöglichkeiten

Insgesamt war das von Karl Benz entwickelte Automobil ein technischer und gesellschaftlicher Durchbruch, der die Welt nachhaltig veränderte und den Grundstein für die moderne Automobilindustrie legte.

b)

(b) Erkläre den Einfluss der Fließbandproduktion, die Henry Ford 1913 in die Automobilindustrie eingeführt hat. Berechne dabei anhand eines Beispiels, wie sich die Produktionszeit pro Fahrzeug verändert hat. Gegeben sind folgende Werte: Vor der Einführung der Fließbandproduktion dauerte die Fertigung eines Fahrzeugs 12 Stunden. Durch die Fließbandproduktion konnte die Zeit auf 2 Stunden reduziert werden. Berechne den prozentualen Zeitgewinn.

Lösung:

(b) Henry Ford führte 1913 die Fließbandproduktion in die Automobilindustrie ein, was einen revolutionären Einfluss auf die Effizienz und Produktivität der Fahrzeugherstellung hatte. Diese Einführung ermöglichte es, die Produktionskosten drastisch zu senken und die Herstellungszeit erheblich zu verkürzen. Durch die Arbeitsteilung, bei der jeder Arbeiter nur eine spezifische Aufgabe ausführt, wurde die Produktion standardisiert und optimiert.

Um den prozentualen Zeitgewinn zu berechnen, der durch die Einführung der Fließbandproduktion erzielt wurde, vergleichen wir die Produktionszeiten vor und nach der Einführung:

• Vor der Einführung der Fließbandproduktion: 12 Stunden pro Fahrzeug
• Nach der Einführung der Fließbandproduktion: 2 Stunden pro Fahrzeug

Der prozentuale Zeitgewinn lässt sich mit der folgenden Formel berechnen:

 Zeitgewinn = \(\frac{\text{Alte Zeit} - \text{Neue Zeit}}{\text{Alte Zeit}} \times 100\) 

Setzen wir die gegebenen Werte in die Formel ein:

 Zeitgewinn = \(\frac{12 - 2}{12} \times 100 = \frac{10}{12} \times 100 = 83,33\) %

Der prozentuale Zeitgewinn beträgt somit 83,33%. Das bedeutet, dass die Produktionszeit pro Fahrzeug durch die Einführung der Fließbandproduktion um mehr als 80% reduziert wurde.

Die Einführung der Fließbandproduktion hatte mehrere weitreichende Auswirkungen:

• Kostensenkung: Durch die effizientere Produktion konnten die Herstellungskosten gesenkt und die Fahrzeuge zu günstigeren Preisen angeboten werden.
• Massenproduktion: Die erhöhte Produktionskapazität ermöglichte die Herstellung von Fahrzeugen in großen Stückzahlen und machte das Automobil für eine breite Bevölkerungsschicht erschwinglich.
• Wirtschaftliche Impulse: Die Automobilindustrie erlebte ein rapides Wachstum, was zur Schaffung zahlreicher Arbeitsplätze in der Produktion und in den Zulieferbranchen führte.
• Gesellschaftlicher Wandel: Die Verfügbarkeit von Automobilen veränderte die Mobilitätsgewohnheiten der Menschen, was zur Urbanisierung und zum Aufschwung der Vorstädte beitrug.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Einführung der Fließbandproduktion durch Henry Ford einen grundlegenden Wandel in der Automobilindustrie und im gesamten Wirtschafts- und Gesellschaftssystem bewirkte. Durch die signifikante Reduktion der Produktionszeiten und -kosten legte Ford den Grundstein für die moderne Massenproduktion und die breite Verfügbarkeit von Automobilen.

Aufgabe 2)

In einem modernen Elektrofahrzeug kommen sowohl Batterien als auch Brennstoffzellensysteme zum Einsatz. Während Batterien chemische Reaktionen zur Energiespeicherung und -abgabe nutzen, wandeln Brennstoffzellensysteme chemische Energie direkt in elektrische Energie um.

• Batterien: Hohe Energiedichte, aber eine begrenzte Lebensdauer
• Brennstoffzellen: Hocheffizient, haben eine lange Lebensdauer, sind jedoch teurer
• Batteriekapazität: E = Q * V - Energie = Ladung Q * Spannung V
• Brennstoffzellenwirkungsgrad: \(\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}\)

Aufgabe 3)

In diesem Kontext sollen wir ein tieferes Verständnis für die Funktionsweise und Vorteile von Hybridsystemen in Automobilen entwickeln. Beachte alle Aspekte, die in der ersten Beschreibung erwähnt wurden, um fundierte Antworten zu geben.

b)

• Erkläre den Unterschied zwischen einem seriellen und parallelen Hybridsystem. Welche Vor- und Nachteile haben beide Systeme hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Emissionen im Stadtverkehr?
• Betrachte ein serielle Hybridsystem, bei dem der Verbrennungsmotor einen Generator zur Ladung der Batterie antreibt. Angenommen, der Verbrennungsmotor hat einen Wirkungsgrad von 30% und der Generator einen Wirkungsgrad von 90%. Wenn der Verbrauch des Elektromotors 15 kWh pro 100 km beträgt, wie viel Kraftstoff wird pro 100 km benötigt? Gegeben ist, dass 1 Liter Benzin einen Energieinhalt von 8,9 kWh hat.

Lösung:

Unterschied zwischen seriellen und parallelen Hybridsystemen:

• Serielles Hybridsystem: In einem seriellen Hybridsystem treibt der Verbrennungsmotor nicht direkt die Räder an. Stattdessen wird der Verbrennungsmotor verwendet, um einen Generator anzutreiben, der elektrische Energie erzeugt. Diese Energie wird entweder direkt an den Elektromotor weitergeleitet oder in der Batterie gespeichert. Nur der Elektromotor treibt die Räder an.Vorteile:
  • Höhere Effizienz im Stadtverkehr, da der Elektromotor besser für häufiges Beschleunigen und Abbremsen geeignet ist.
  • Reduzierte Emissionen im Stadtverkehr, da der Verbrennungsmotor nicht ständig läuft und optimiert betrieben werden kann.
  Nachteile:
  • Komplexere Steuerung und höhere Produktionskosten.
  • Verlustleistung durch doppelte Energieumwandlung (mechanisch zu elektrisch und elektrisch zu mechanisch).
• Paralleles Hybridsystem: In einem parallelen Hybridsystem können sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor direkt die Räder antreiben. Beide Systeme sind mechanisch mit dem Antriebsstrang verbunden und können unabhängig oder gemeinsam arbeiten.Vorteile:
  • Direkte mechanische Verbindung führt zu geringerem Energieverlust im Vergleich zum seriellen System.
  • Das Fahrzeug kann bei höherem Leistungsbedarf beide Motoren kombinieren, um bessere Leistung zu erzielen.
  Nachteile:
  • Im Stadtverkehr weniger effizient als serielle Systeme, da der Verbrennungsmotor bei niedrigen Geschwindigkeiten weniger effizient arbeitet.
  • Höhere Emissionen im Stadtverkehr, da der Verbrennungsmotor häufiger läuft und nicht immer im optimalen Betriebsbereich arbeitet.

• Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors: 30%
• Wirkungsgrad des Generators: 90%
• Verbrauch des Elektromotors: 15 kWh pro 100 km
• Energieinhalt von 1 Liter Benzin: 8,9 kWh

• Berechnung des Gesamtwirkungsgrades des Systems:\[\text{Gesamtwirkungsgrad} = \text{Wirkungsgrad Verbrennungsmotor} \times \text{Wirkungsgrad Generator}\]\[0,30 \times 0,90 = 0,27 = 27\%
• Benötigte elektrische Energie für 100 km: 15 kWh
• Benötigte Energie des Verbrennungsmotors, um 15 kWh elektrische Energie zu erzeugen:\[\text{Benötigte Energie} = \frac{\text{Benötigte elektrische Energie}}{\text{Gesamtwirkungsgrad}}\]\[\frac{15 \text{ kWh}}{0,27} \approx 55,56 \text{ kWh}\]
• Berechnung des Kraftstoffbedarfs, um diese Energie zu erzeugen:\[\text{Kraftstoffbedarf} = \frac{\text{Benötigte Energie}}{\text{Energieinhalt pro Liter}}\]\[\frac{55,56 \text{ kWh}}{8,9 \text{ kWh/L}} \approx 6,24 \text{ Liter}\]

Aufgabe 4)

Aktive Sicherheitssysteme wie ABS (Anti-Blockier-System) und ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) spielen eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung der Fahrzeugsicherheit. ABS verhindert das Blockieren der Räder während des Bremsens, was dem Fahrer ermöglicht, das Fahrzeug auch bei einer Vollbremsung zu lenken. ESP hingegen sorgt dafür, dass das Fahrzeug durch gezielte Bremseingriffe an einzelnen Rädern nicht ausbricht, was die Fahrzeugstabilität in kritischen Situationen verbessert. Dadurch wird die Unfallwahrscheinlichkeit reduziert und die Fahrzeugkontrolle insgesamt erhöht.

a)

(a) Erläutere das Funktionsprinzip eines Anti-Blockier-Systems (ABS) im Detail. Gehe dabei auf die Komponenten ein, die für das ABS entscheidend sind, und erkläre, wie diese Komponenten zusammenwirken, um das Blockieren der Räder zu verhindern.

Lösung:

Das Anti-Blockier-System (ABS) ist ein entscheidendes Sicherheitssystem in modernen Fahrzeugen, das dafür sorgt, dass die Räder auch bei starkem Bremsen nicht blockieren. Dies ermöglicht es dem Fahrer, das Fahrzeug weiterhin zu lenken und somit Hindernissen besser auszuweichen. Im Folgenden werden die Funktionsweise und die wesentlichen Komponenten des ABS im Detail erläutert:

• Sensoren: Jeder Reifen des Fahrzeugs ist mit Geschwindigkeitssensoren ausgestattet, die kontinuierlich die Drehgeschwindigkeit der Räder überwachen. Die Sensoren erfassen Daten darüber, ob ein oder mehrere Räder beginnen zu blockieren.
• Steuergerät: Das ABS-Steuergerät, auch als Electronic Control Unit (ECU) bekannt, empfängt die Signale der Geschwindigkeitssensoren. Es analysiert die Daten in Echtzeit und erkennt, wenn ein Rad kurz vor dem Blockieren steht.
• Hydraulikpumpe: Die Hydraulikpumpe ist dafür zuständig, den Druck im Bremssystem zu modulieren. Wenn das Steuergerät erkennt, dass ein Rad zu blockieren droht, sendet es ein Signal an die Hydraulikpumpe, um den Bremsdruck an diesem Rad zu reduzieren.
• Ventile: In der Bremsleitung sind Ventile eingebaut, die durch das Steuergerät gesteuert werden. Diese Ventile öffnen und schließen sich, um den Bremsdruck aufrechtzuerhalten, zu verringern oder zu erhöhen, je nach Bedarf.

Das Zusammenspiel dieser Komponenten läuft folgendermaßen ab:

1. Während einer Bremsung überwachen die Geschwindigkeitssensoren ständig die Drehgeschwindigkeit der Räder und senden diese Informationen an das ABS-Steuergerät.
2. Falls das Steuergerät feststellt, dass ein Rad zu blockieren beginnt, schickt es ein Signal an die Hydraulikpumpe und die Ventile, um den Bremsdruck an diesem Rad zu reduzieren.
3. Sobald das Rad wieder an Geschwindigkeit gewinnt und nicht mehr blockiert, wird der Druck erneut aufgebaut, um die Bremswirkung zu maximieren. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrmals pro Sekunde.

Das ABS arbeitet hierbei so schnell, dass der Fahrer kaum einen Unterschied spürt, außer dass das Fahrzeug kontrollierbarer und sicherer bleibt, insbesondere in Not- und Vollbremsungssituationen. Zusammenfassend wird durch das ABS das Blockieren der Räder verhindert, wodurch ein stabileres und besser lenkbares Fahrzeug auch bei starkem Bremsen gewährleistet ist.

b)

(b) Modellierung und Simulation: Angenommen ein Fahrzeug fährt mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h und muss plötzlich eine Notbremsung durchführen. Ohne ABS blockieren die Räder, was die Bremskraft reduziert und die Rutschreibung erhöht. Mit ABS wird eine gleichmäßige Bremskraft durch Pulsieren der Bremsen aufrechterhalten. Berechne die Bremswege für beide Szenarien (mit und ohne ABS), wobei Du folgende Annahmen triffst:

• Reibungskoeffizient auf trockenem Asphalt ohne Blockieren: \(\( \text{μ} = 0.8 \)\)
• Reibungskoeffizient bei blockierten Rädern: \(\( \text{μ} = 0.4 \)\)
• Stelle sicher, dass die einzelnen Schritte und Formeln klar und nachvollziehbar sind.

Lösung:

Um den Bremsweg für beide Szenarien (mit und ohne ABS) zu berechnen, verwenden wir die Formel:

Bremsweg-Formel:

\[ d = \frac{v^2}{2 \times \mu \times g} \]

Hierbei steht:

• d: für den Bremsweg
• v: für die Anfangsgeschwindigkeit des Fahrzeugs in m/s
• μ: für den Reibungskoeffizienten
• g: für die Gravitationskonstante (ca. 9,81 m/s²)

Zunächst konvertieren wir die Geschwindigkeit von km/h in m/s.

\[ 100 \text{ km/h} = \frac{100 \times 1000}{3600} = 27,78 \text{ m/s} \]

1. Szenario: Mit ABS

Für dieses Szenario nutzen wir den Reibungskoeffizienten auf trockenem Asphalt ohne Blockieren:

\[ \mu_{\text{mit ABS}} = 0.8 \]

Jetzt setzen wir die Werte in die Formel ein:

\[ d_{\text{mit ABS}} = \frac{v^2}{2 \times \mu \times g} \]

\[ d_{\text{mit ABS}} = \frac{(27.78 \text{ m/s})^2}{2 \times 0.8 \times 9.81 \text{ m/s}^2} \]

\[ d_{\text{mit ABS}} = \frac{771.684}{15.696} \approx 49.16 \text{ m} \]

2. Szenario: Ohne ABS

Hierbei verwenden wir den Reibungskoeffizienten bei blockierten Rädern:

\[ \mu_{\text{ohne ABS}} = 0.4 \]

Wir setzen die Werte in die Formel ein:

\[ d_{\text{ohne ABS}} = \frac{v^2}{2 \times \mu \times g} \]

\[ d_{\text{ohne ABS}} = \frac{(27.78 \text{ m/s})^2}{2 \times 0.4 \times 9.81 \text{ m/s}^2} \]

\[ d_{\text{ohne ABS}} = \frac{771.684}{7.848} \approx 98.32 \text{ m} \]

Zusammenfassung:

• Bremsweg mit ABS: ca. 49,16 Meter
• Bremsweg ohne ABS: ca. 98,32 Meter

Wie wir sehen, ist der Bremsweg mit ABS erheblich kürzer als ohne ABS, was zeigt, wie wichtig ABS-Systeme für die Fahrsicherheit sind.

c)

(c) Diskutiere den Einfluss des Elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) auf die Fahrdynamik eines Fahrzeugs. Erkläre, wie ESP in einer speziellen Fahrsituation, wie zum Beispiel das Ausweichen vor einem Hindernis bei hoher Geschwindigkeit, agiert, um die Stabilität des Fahrzeugs zu garantieren. Beschreibe dazu den Regelzyklus des ESP und die eingesetzten Sensoren.

Lösung:

Das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) ist ein aktives Sicherheitssystem, das die Fahrdynamik eines Fahrzeugs erheblich verbessert und dafür sorgt, dass das Fahrzeug selbst in kritischen Fahrsituationen stabil bleibt. Durch gezielte Eingriffe in das Bremssystem einzelner Räder und Anpassungen der Motorleistung wird ein Ausbrechen des Fahrzeugs verhindert. Im Folgenden werden die Funktionsweise und der Einfluss von ESP auf die Fahrdynamik im Detail erläutert:

Funktionsweise von ESP

ESP erkennt und verhindert das Ausbrechen des Fahrzeugs, indem es die Fahrtrichtung und die Fahrzeugbewegung überwacht und bei Bedarf korrigierend eingreift. Das System besteht aus mehreren Komponenten und Sensoren, die kontinuierlich Daten sammeln und analysieren:

• Drehratensensor: Dieser Sensor misst die Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs um seine Hochachse (Gierbewegung). Ein starkes Abweichen von der vorgesehenen Fahrtrichtung deutet auf ein Ausbrechen hin.
• Lenkwinkelsensor: Der Lenkwinkelsensor misst den Lenkeinschlag des Fahrers. Diese Information ist wichtig, um die beabsichtigte Fahrtrichtung zu berechnen.
• Beschleunigungssensoren: Diese Sensoren messen die Längs- und Querbeschleunigung des Fahrzeugs und helfen, die Bewegungen des Fahrzeugs besser zu verstehen.
• Raddrehzahlsensoren: Ähnlich wie beim ABS messen diese Sensoren die Drehgeschwindigkeit der einzelnen Räder, um Schlupf zu erkennen.

Regelzyklus des ESP

Der Regelzyklus des ESP läuft in mehreren Schritten ab:

1. Die Sensoren erfassen kontinuierlich Daten über die Fahrzeugbewegung, den Lenkwinkel und die Raddrehzahlen.
2. Das ESP-Steuergerät (ECU) vergleicht die tatsächliche Fahrzeugbewegung mit der beabsichtigten Bewegung basierend auf dem Lenkwinkel und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
3. Wenn das System eine Diskrepanz erkennt, beispielsweise wenn das Fahrzeug zu übersteuern (Heck bricht aus) oder zu untersteuern (Vorderachse schiebt über die Vorderräder) droht, greift es ein.
4. ESP führt durch gezielte Bremseingriffe an einzelnen Rädern und durch Anpassung der Motorleistung Korrekturen durch, um das Fahrzeug wieder auf die gewünschte Fahrbahn zurückzuführen.

ESP bei hoher Geschwindigkeit und Ausweichmanövern

Stelle Dir vor, ein Fahrzeug fährt bei hoher Geschwindigkeit und muss plötzlich einem Hindernis ausweichen. In dieser Situation würde das ESP folgendermaßen agieren:

• Der Fahrer lenkt stark ein, um das Hindernis zu umfahren. Der Lenkwinkelsensor erfasst diesen plötzlichen Lenkeinschlag und sendet diese Information an das ESP-Steuergerät.
• Der Drehratensensor und die Beschleunigungssensoren erfassen gleichzeitig die dynamischen Veränderungen des Fahrzeugs.
• Das Steuergerät stellt fest, dass das Fahrzeug beginnt, seitlich auszubrechen oder die Kontrolle zu verlieren (Über- oder Untersteuern).
• Um die Fahrzeugstabilität zu gewährleisten, leitet das ESP gezielte Bremseingriffe ein, z. B. indem es an den inneren Rädern bremst, um ein Übersteuern zu verhindern, oder an den äußeren Rädern, um ein Untersteuern zu reduzieren.
• Zudem kann die Motorleistung reduziert werden, um die Stabilität weiter zu unterstützen.

Durch diese schnellen und präzisen Eingriffe hilft ESP, das Fahrzeug wieder auf Kurs zu bringen und eine sichere Fahrt zu gewährleisten, auch in kritischen Situationen wie einem plötzlichen Ausweichmanöver bei hoher Geschwindigkeit.

Zusammenfassung

Das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) spielt eine wesentliche Rolle bei der Erhöhung der Fahrzeugsicherheit. Durch die Integration von Sensoren und gezielten Bremseingriffen sowie Anpassungen der Motorleistung kann ESP das Ausbrechen des Fahrzeugs verhindern und die Fahrzeugstabilität auch in kritischen Fahrsituationen, wie z. B. einem Ausweichmanöver bei hoher Geschwindigkeit, sicherstellen.