Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik im Automobil (eBook)

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.

Vorwort 5
Autoren 8
Inhaltverzeichnis 9
Teil A Begriffe, Benennungen, Definitionen 17
1 Mensch-Maschine-Interaktion bei der Fahrzeugführung 19
1.1 Das System Fahrer-Fahrzeug 19
1.2 Schwerpunkte der Fahrer-Fahrzeug-Interaktions gestaltung 21
1.2.1 Informationsdarbietung 21
1.2.2 Fahrerassistenzsysteme 22
1.3 Entwicklungstendenzen 23
Literatur 23
2 Mechatronik 25
2.1 Mechatronik im Automobil 25
2.2 Funktionale und Lokale Integration 27
2.3 Beherrschung der System-Komplexität 30
2.4 Beispiele für Mechatronische Systeme im Fahrzeug 31
2.4.1 Fahrwerks- und Fahrassistenz-Systeme 31
2.4.2 Mechatronische Systeme im Triebstrang 33
2.4.3 Komfort- und Sicherheitssysteme im Innenraum 35
Literatur 36
3 Regeln und Steuern 39
3.1 Einleitung 39
3.2 Regeln 40
3.2.1 Definition und Grundstruktur 40
3.2.2 Entwurf von Reglern 41
3.2.3 Anforderungen an Regelkreise 42
3.2.4 Der lineare Standardregelkreis 42
3.2.5 Lineare Regler 44
3.2.6 Nichtlineare Regler 46
3.3 Steuern 47
3.3.1 Definition und Grundstruktur 47
3.3.2 Verknüpfungssteuerungen 48
3.3.3 Ablaufsteuerungen 49
3.3.4 Vergleich der Steuerungsarten 51
Literatur 52
4 Hilfsenergiequellen 53
4.1 Elektrische Hilfsenergie 53
4.2 Hydraulische Hilfsenergie 55
4.3 Pneumatische Hilfsenergie 55
5 Gebiete der Automatisierungstechnik im Automobil 57
5.1 Triebstrang 57
5.2 Fahrwerk und Fahrassistenz 61
5.3 Innenraum 63
6 Umgebungsbedingungen und Einbauorte 65
6.1 Qualität und Serienanforderung 65
6.2 Einbauorte 65
6.2 Abnahmetests 66
Teil B Sensoren 68
1 Kraft, Drehmoment 71
Literatur 72
2 Drucksensoren 73
Literatur 78
3 Weg, Winkel, Position 79
Literatur 85
4 Geschwindigkeit 87
Literatur 89
5 Beschleunigung 91
Literatur 92
6 Temperatur 93
Literatur 96
7 Gassensorik 97
Literatur 101
8 Betriebsstoffsensorik 103
Literatur 104
9 GPS 107
10 Optische Sensorik 109
Literatur 113
11 Antennen 115
Literatur 120
Teil C Bauelemente für die Signal verarbeitung mit elektrischer und nichtelektrischer Hilfsenergie 122
1 Elektrische Hilfsenergie 123
1.1 Bipolartransistoren 123
1.2 MOS-Feldeffekttransistoren 127
1.3 Operationsverstärker (OPV) 128
1.3.1 Grundschaltungen mit OPV 129
1.4 Optoelektronische Bauelemente 131
1.4.1 Lichttechnische Grundbegriffe 131
1.4.2 Passive optische Bauelemente 133
1.4.2.1 Berechnung optischer Elemente 133
1.4.2.2 Optische Werkstoffe 135
1.4.2.3 Linsen 136
1.4.2.4 Lichtwellenleiter 137
1.4.3 Strahlungssender 139
1.4.3.1 Leuchtdioden 139
1.4.3.2 Laserdioden 139
1.4.4 Strahlungsempfänger 140
1.4.4.1 Fotowiderstand 140
1.4.4.2 Fotodiode 140
1.4.4.3 Fototransistor 140
1.5 Digitale Schaltungen 141
1.5.1 Grundlegende Betrachtungen 141
1.5.2 Schaltkreisfamilien und Schaltkreistechnologien 143
1.5.3 Funktionen digitaler Bauelemente 150
1.5.4 Anwendungsspezi. sche Schaltungen (ASIC) 158
1.6 Analog-Digital-Umsetzer 161
1.7 Digital-Analog-Umsetzer 168
1.8 Aufbau- und Ver bindungstechnik 171
1.8.1 Aufgaben der AVT 171
1.8.2 Packungsebenen der AVT 172
1.8.2.1 Bauelementebene 172
1.8.2.2 Modulebene 173
1.8.2.3 Mechatronik 174
1.8.3 Baugruppentechnik 174
1.8.3.1 Leiterplatten 174
1.8.3.2 SMT Montagetechnik 177
1.8.4 Hybride und Module 180
1.8.4.1 Substrattechnologien 180
1.8.4.2 Montagetechniken 184
1.8.4.3 Kontaktierungstechniken 187
1.8.4.4 Leistungsmodule 191
1.8.5 Entwurf zuverlässiger AVT 192
1.8.5.1 Fehlermechanismen 192
1.8.5.2 Thermal Management 194
1.8.5.3 Mechanische Belastungen 196
1.8.5.4 Quali. zierungsstrategien 199
1.8.5.5 AVT-Normen 200
1.9 Kamerasysteme im Automobil 201
1.9.1 Das sehende Fahrzeug 201
1.9.2 Anforderungen an fahrzeugtaugliche Kameras 203
1.9.3 Fahrerassistenz „Lane Departure Warning“ LDW 206
1.9.3.1 Aufbau eines LDW-Systems 207
1.9.3.2 Eigenschaften einer LDW-Kamera 207
1.9.3.3 Auswertung der Fahrspurinformation 209
1.9.3.4 Warnalgorithmus 210
1.9.4 Fahrerassistenz „Night Vision“ 210
1.9.4.1 Technologien für Nachtsichtsysteme 210
1.9.4.2 Visualisierung des Unsichtbaren 212
1.9.4.3 Leistungsfähigkeit eines NIR-Nachtsichtsystems 213
1.9.5 Die dritte Dimension: 3D-Kameras 216
Literatur 218
2 Nichtelektrische Hilfsenergie 223
2.1 Hydraulische Signal- und Leistungsverstärker 223
2.2 Elektro-hydraulische Umformer 224
2.2.1 Elektromechanische Wandler 225
Teil D Aktoren für mechanische Verstellung 235
1 Aktoren mit elektrischer Hilfsenergie 237
1.1 BegriffsdeFInition 237
1.2 Einleitung 237
1.3 Allgemeine Beschreibung elektrischer Stellantriebe 239
1.3.1 Hauptgrößen 239
1.3.2 Störgrößen und Umgebungsbedingungen 240
1.4 Auslegung von Stellantrieben unter Fahrzeugbedingungen 241
1.4.1 Vorwiderstand 241
1.4.2 Bordnetzspannung 241
1.4.3 Leistungsgrenzen im Bordnetz 242
1.5 Aktoren 244
1.5.1 Elektromotorische Stellantriebe 244
1.5.2 Getriebe 250
1.5.3 Elektromagnete 253
1.5.4 Piezo-Direktantriebe 255
1.6 Ansteuer- und Steuerelektronik 257
Literatur 264
2 Aktoren mit hydraulischer Hilfsenergie 265
2.1 Aktoren mit hydraulischer Hilfsenergie für stetige Bewegungen 265
2.2 Aktoren mit hydraulischer Hilfsenergie für absätzige Bewegungen 271
Literatur 274
Teil E Leistungsübertragung und -steuerung 276
1 Elektrische Kontakte 277
1.1 Ruhender Kontakt 277
1.2 Schaltender Kontakt 284
1.3 Kontaktwerkstoffe 288
Literatur 293
2 Elektromechanische Relais 295
2.1 Einsatzbereiche und Relaistypen 296
2.2 Elektromagnetischer Relaisantrieb 298
2.3 Schaltvorgänge von Relais 303
2.4 Relaisausführungen 305
Literatur 312
3 Mikromechanische Relais 313
3.1 Schaltverhalten bei kleinen Kontaktkräften 313
3.2 Spannungsfestigkeit 315
3.3 Konzepte für Mikroantriebe 316
3.4 Technologische Realisierungen von Mikrorelais 320
3.5 Hochfrequenzschalter (RF MEMS) 326
Literatur 327
4 Halbleiter-Relais 331
4.1 Elektronische Schalter 333
4.2 Halbleiter-Relais mit galvanischer Trennung 336
4.3 Elektronische Lastrelais für Wechselstrom 338
Literatur 339
5 Leistungselektronische Bauelemente 341
5.1 Grundlagen der Leistungselektronik 341
5.2 Bauelemente der Leistungselektronik 348
Literatur 364
Teil F Hilfsenergiequellen 367
1 Elektrische Hilfsenergiequellen 369
Literatur 373
2 Pneumatische Hilfsenergiequellen 375
Literatur 376
3 Hydraulische Hilfsenegiequellen 377
Literatur 380
Teil G Anzeigegeräte und Bedienelemente 382
1 Einleitung, Sehen und Bedienen 383
1.1 Zentrale Anzeigegeräte, Primäranzeigen 383
1.2 Sekundäre Anzeigegeräte, Sekundäranzeigen 383
1.3 Eingabeelemente für den Fahrer 384
2 Anzeigegeräte 385
2.1 Analoge Anzeigegeräte 385
2.2 Digitale Anzeigegeräte 391
3 Integration der Anzeigegeräte ins Fahrzeug 403
3.1 Einzel-Instrumente 403
3.2 Kombinations-Instrumente 403
3.3 Hybrid-Instrumente 404
3.4 Frei kon. gurierbares Kombinations-Instrument 404
3.5 Head-up-Display (HUD) 405
4 Bedienelemente 407
4.1 Ergonomie und kurzer Rückblick 407
4.2 Einzelne Stellelemente im Umfeld des Kombinations-Instrumentes 408
4.3 Automobile Schaltertechnik 409
4.4 Zentrale Bedienkonzepte 409
Teil H Anwendungsbeispiele 413
1 Triebstrang 415
1.1. Elektronische Motorkontrolle 415
1.2 Tiptronic 422
1.3 Nebenaggreate 426
1.4 Abgas 428
1.5 Kühlwasser-Temperaturregelung 432
1.6 Valvetronic 435
1.7 Wartungsanzeigen 440
Literatur 441
2 Fahrzeugbewegung 443
2.1 Systemvernetzung im Fahrwerk 443
2.2 Federung 469
2.3 Reifendruck-Kontrolle 478
2.4 Geschwindigkeits- und Distanzregelung 480
2.5 Dynamische Stabilitäts-, Brems- und Traktionskontrolle 486
2.6 Servolenkung 488
Literatur 493
3 Innenraum 497
3.1 Innenraum-Klimaregelung 497
3.2 Navigationssysteme 501
3.3 Zündschlüssel mit Funkfernbedienung 506
3.4 Airbagsystem 508
3.5 Sitzgurtstraffer 513
3.6 Parkdistanzkontrolle 514
3.7 Front- und Heckscheibenheizung 516
3.8 Verkehrsnachrichtenempfang 517
3.9 Zentral-Steuergerät 518
Literatur 520
Teil J Vernetzte Systeme im Automobil – Kommunikationsnetz und Datenverarbeitung 523
1 Anforderungen 525
2 Elektronische Steuergeräte 527
2.1 Eingangsschaltung 527
2.2 Logikteil zur Signalverarbeitung 528
2.3 Ausgangsschaltung mit Stell- und Regelgrößen 529
3 Architektur 531
Literatur 531
4 CARTRONIC 532
4.1 Vernetzte Teilsysteme 532
4.2 Beispiele für vernetzte Teilsysteme im Fahrzeug 532
4.3 Neue Anforderungen 534
4.4 Das Konzept 534
4.5 Strukturierung und Architektur 535
4.6 Regeln der Funktionsarchitektur 536
4.7 Anforderungsanalyse 536
4.8 Strukturierungselemente 537
4.9 Systeme, Teilsysteme und Komponenten 537
4.10 Strukturierungsregeln 538
4.11 Modellierungsregeln 538
4.12 Typische Architekturmerkmale 538
4.13 Der Produktentstehungsprozess 539
4.14 Konsequenzen und Ausblick 540
Literatur 540
5 Kommunikationsnetze 541
5.1 Multimedia-Vernetzung 542
5.2 Multiplexanwendungen für Karosserie und Innenraum 542
5.3 Echtzeitanwendungen in Antriebstrang und Fahrzeugbewegung 543
6 Controller Area Network (CAN) 545
6.1 Buskonfiguration 545
6.2 Adressierung 546
6.3 Logische Buszustände 546
6.4 Priorisierung 546
6.5 Buszugriff 546
6.6 Botschaftsformat 547
6.7 Data Frame und Remote Frame 548
6.8 Störungserkennung 548
6.9 Störungsbehandlung 549
6.10 Fehlereingrenzung 549
6.11 Implementierung 549
6.12 Standardisierung 549
6.13 Erweiterung auf zeitbestimmte Systeme 550
Teil K Das Kommunikationssystem FlexRay - ein Überblick 553
Das Kommunikationssystem FlexRay – ein Überblick 555
CAN 557
Anforderungen an FlexRay als ein zukünftiges Kommunikationssystem 559
Technische Eigenschaften von FlexRay 561
Literatur 572
Allgemeines Abkürzungsverzeichnis 573
Sachverzeichnis 651

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.