Kraftfahrzeug

Die Zahnräder, mit deren Hilfe im Prinzip die Kraftübertragung stattfindet, lassen sich nur im unbelasteten Zustand schalten. Daher muss der Kraftfluss zwischen Motor und Getriebe (siehe unten) während des Schaltvorgangs unterbrochen werden – das ist die Aufgabe einer Kupplung. In jedem Auto ist ein bestimmter Kupplungstyp eingebaut. Meist handelt es sich dabei um eine so genannte Reibungskupplung. Von diesem Kupplungstyp sind mindestens fünf unterschiedliche Arten in der Kfz-Technik gebräuchlich. Der Einsatzbereich dieser Arten hängt davon ab, wie die jeweilige Kupplung betätigt wird. Einscheibenkupplungen betätigt man beispielsweise über ein Fußpedal mechanisch durch einen Seilzug oder ein Gestänge. In der Kfz-Technik kennt man u. a. auch die hydraulische Betätigung der Kupplung über ein Zylindersystem (ähnlich dem Bremsensystem) und die pneumatische Betätigung mit Druck- oder Saugluft. Die gängigste Kupplungsart, die man in Autos einbaut, wird manuell geschaltet. Bei automatischen oder halbautomatischen Getrieben verwendet man Mehrscheibenkupplungen. Die so genannte Einscheibentrockenkupplung benötigt einen festen Kontakt zwischen dem Motor und dem Getriebe. Sie besteht im Prinzip aus der Hinterfläche des Schwungrades, der Kupplungsscheibe und der Kupplungsdruckplatte mit den Membranfedern – letztere entsprechen bei der Mehrscheibenkupplung den so genannten Lamellen. Die Kupplungsscheibe ist drehfest mit der Getriebewelle (sprachgebräuchlich auch Antriebswelle) verbunden. Wenn die Kupplung getreten wird, drücken Ausrückhebel die Membranfedern der Kupplungsdruckplatte und diese wiederum gegen die Hinterfläche des Schwungrades. Mehrscheibenkupplungen haben im Gegensatz zu Einscheibenkupplungen einen kleineren Durchmesser. Man unterscheidet Mehrscheibenkupplungen in Lamellentrocken- und Lamellennasskupplung (im Ölbad laufend).

Drehmomentwandler oder Schaltgetriebe sind dazu da, die Geschwindigkeit und die Kraftverhältnisse zwischen Motor und Antriebsrädern zu verändern. Der Motor gibt nur innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs ein günstiges Drehmoment ab. Dieses Ziel erreicht man mit Drehmomentwandler, die das Drehmoment des Motors anpassen. Großes Drehmoment bei kleiner Drehzahl benötigt man beim Anfahren und beim Beschleunigen. Kleines Drehmoment bei großer Drehzahl ist bei gleichmäßiger Fahrt auf ebener Fahrbahn erforderlich. Gegenwärtig sind drei Getriebetypen auf dem Markt: hydraulische Drehmomentwandler, Schaltgetriebe und automatische Getriebe. Der hydraulische Drehmomentwandler arbeitet mit drei Schaufelrädern. Das Pumpenrad ist mit dem Schwungrad des Motors verbunden und schleudert Öl auf das Turbinenrad. Die stark gekrümmten Schaufeln des Turbinenrades wandeln die Strömungsenergie des Öles in ein Drehmoment um. Über das Turbinenrad wird dadurch die Kraft an die Antriebswelle weitergeleitet. Weil das Drehmoment des Pumpenrades mitunter nicht ausreicht, um das Turbinenrad zu bewegen, ist zwischen Turbinen- und Pumpenrad noch ein zusätzliches Leitrad eingebaut. Dieses führt außerdem das vom Turbinenrad kommende Öl zum Pumpenrad zurück. Das heute übliche manuell schaltbare Getriebe muss, wie der Name schon andeutet, zum Wechseln eines Ganges manuell betätigt werden und stellt im Prinzip einen mechanischen Drehmomentwandler dar. Es liefert drei oder vier Vorwärtsgänge sowie einen Rückwärtsgang (Vier- oder Fünfganggetriebe) und besteht im Grundprinzip aus zwei Wellen, von denen jede mit Zahnrädern verschiedenen Durchmessers bestückt ist. Eine Welle treibt die andere mit einer vorgewählten Drehzahl an, indem die entsprechenden Zahnräder ineinandergreifen. Bei den heute üblichen Synchrongetrieben wird die Drehzahl der beiden Wellen angeglichen (synchronisiert). Für den Rückwärtsgang benötigt man ein zusätzliches Zahnrad, um die Antriebswelle entgegengesetzt zur normalen Rotation zu drehen. Wählt man einen hohen Gang, so drehen sich die beiden Wellen gewöhnlich mit gleicher Drehzahl. Beim niedrigen, zweiten und beim Rückwärtsgang dreht sich die angetriebene Welle langsamer als die Antriebswelle. Wenn ein Zahnradpaar so ineinandergreift, dass sich die angetriebene Welle schneller dreht als die Antriebswelle, dann spricht man vom Schongang. Der Schongang wurde entwickelt, um die Geschwindigkeit des Autos zu erhöhen, ohne den Motor über seine als normal angesehenen Betriebsgrenzen zu strapazieren.

Ein vollautomatisches Getriebe setzt sich meist aus einem hydraulischen Drehmomentwandler, einem Planetengetriebe und einer hydraulischen Steuerungsanlage zusammen. Die hydraulische Steuerung betätigt Bremsbänder, Lamellenkupplungen und Freilaufkupplungen. Durch diese Vorgänge werden im Planetengetriebe entscheidende Teile festgehalten, wodurch im Prinzip ein bestimmter Gang eingestellt ist. Das Planetengetriebe besteht aus Sonnenrad, Hohlrad, den Planetenrädern und dem Planetenradträger. Die entscheidenden Teile, Sonnenrad, Hohlrad und Planetenräder, sind während des Betriebs ständig miteinander im Eingriff. Durch das Festhalten eines dieser Bauteile (über die hydraulische Steuerung) rollt das antreibende Teil auf dem festgebremsten ab. Dadurch kommt eine Übersetzung zum abtreibenden Teil (sprachgebräuchlich: Antrieb) zustande. Die Wahl und Einstellung der jeweils erforderlichen Übersetzung erfolgt in Abhängigkeit von Fahrgeschwindigkeit, Motordrehzahl, der Wahlhebelstellung und der Gaspedalstellung. Üblicherweise sind in vollautomatischen Getrieben drei Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang realisiert.

Zum Fahrwerk des Autos gehören das Radaufhängungssystem, die Stabilisatoren, die Federung, die Schwingungsdämpfer, die Achsen, die Lenkung, das Bremsensystem sowie Räder und Reifen. Der Rahmen des Autos kann als integrierter Bestandteil des Fahrwerkes angesehen werden. Er ist durch Federn mit der Hinterachse und den Vorderrädern verbunden. Diese Federn bilden zusammen mit den Achsen, den Lenk- und Haltearmen und den Stoßdämpfern das Radaufhängungssystem. Bei modernen Autos sind die Vorderräder unabhängig vom Rahmen in einer Weise aufgehängt, dass jedes von ihnen seine Ebene ändern kann, ohne das andere dadurch merklich zu beeinflussen. Die Stabilisatoren bestehen aus Federstahlstäben, die zwischen den Stoßdämpferarmen durch Hebel verbunden sind, um Fahrgeräusche der Karosserie zu vermindern und die Lenkbarkeit zu verbessern. Das in Kraftfahrzeugen übliche Lenksystem ist die so genannte Achsschenkellenkung. Dabei werden die gelenkten Räder einer Achse um Achsschenkelbolzen geschwenkt. Das kurveninnere Rad muss dabei stärker eingeschwenkt werden als das kurvenäußere Rad. Beim Lenken des Fahrzeuges wird die Drehbewegung des Lenkrades über die Lenksäule auf das Lenkgetriebe übertragen. Im Lenkgetriebe wird die Drehung in eine Schwenkbewegung umgewandelt. Das Übersetzungsverhältnis liegt üblicherweise zwischen 15:1 und 25:1. Ein Übersetzungsverhältnis von 15:1 bedeutet, dass sich das gelenkte Rad bei 15 Lenkradumdrehungen einmal um 360 Grad drehen würde. Vom Lenkgetriebe wird die Bewegung über Lenkstockhebel und Lenkhebel weiter auf die Räder übertragen. Aus Sicherheitsgründen ist die Lenksäule mehrmals abgeknickt und mit Gelenken ausgestattet. Man unterscheidet mehrere Arten von Lenkgetrieben. Bei der Zahnstangenlenkung ist am Ende der Lenksäule ein Antriebsritzel angebracht. Letzteres steht mit einer Zahnstange in Verbindung, die beim Lenkvorgang seitlich verschoben wird. So genannte Schneckenlenkungen bestehen aus einer Lenkschnecke und einem Schneckenrad. Das Schneckenrad greift in die Lenkschnecke und verdreht bei der Drehung des Lenkrades die Lenkwelle und den darauf fest installierten Lenkstockhebel. Die Lenksäule einer Spindellenkung ist mit einer Lenkspindel verbunden. Auf ihr ist eine Lenkschraube aufgeschraubt, die während des Lenkvorgangs über eine Hebelmechanik die Lenkwelle und den dazugehörigen Lenkstockhebel schwenkt. Bei der Servolenkung wird die Drehbewegung des Lenkrades durch eine Ölhydraulik verstärkt (siehe Hydraulik).

Ein Auto verfügt über zwei Bremsanlagen: die Hand- oder Feststellbremse und die Fußbremse. Die Feststellbremse wirkt im Allgemeinen nur auf die Hinterräder oder auf die Antriebswelle. Die Fußbremse wirkt auf alle vier Räder. Hydraulische Bremsen in Personenwagen und hydraulische Vakuum-Druckluftbremsen in Lastkraftwagen übertragen die Bremskraft auf die Räder mit einem wesentlich geringeren Kraftaufwand auf das Bremspedal, als es bei herkömmlichen mechanischen Bremsen erforderlich wäre. In der Kfz-Technik kennt man Einkreis- und Zweikreisbremssysteme. Wenn im Bremskreis eine Undichtheit auftritt, ist bei einem Zweikreissystem noch ein Kreis voll wirksam, während beim Einkreisbremssystem in diesem Falle die gesamte Anlage ausfällt. Deshalb werden heutzutage nur noch Zweikreisbremssysteme in Kraftfahrzeugen eingebaut (siehe Bremse).

Im Gegensatz zu den Solarmobilen, die ihre Antriebsenergie über in Solarzellen gespeicherte Sonnenenergie erhalten, nutzen so genannte Elektromobile die Energie von hochleistungsfähigen Akkumulatoren. Bei den meisten Elektromobilen werden Bleiakkumulatoren eingesetzt. An zweiter Stelle stehen Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Andere Formen wie z. B. Alkali- oder Lithium-Systeme sind im Prinzip kurz vor der serienmäßigen Fertigung. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal für Akkumulatoren ist die Temperatur, bei der sie sich betreiben lassen. So haben Nickel-Cadmium und Lithium-Batteriesysteme eine Betriebstemperatur von -20 °C bis etwa +55 °C, während Bleiakkumulatoren ihre volle Funktionstüchtigkeit zwischen 0 °C und +55 °C entfalten.

Moderne Elektromobile erreichen durchaus Geschwindigkeiten bis zu 80 Kilometer pro Stunde und mehr. So brachte beispielsweise Ende 1996 der US-amerikanische Autohersteller General Motors ein 100 Kilowatt (137 PS) starkes Elektromobil auf den Markt, das über 100 Kilometer pro Stunde schnell fahren kann. Mit vollen Bleiakkus beträgt der Aktionsradius dieses Gefährts maximal 145 Kilometer.

Es gibt derzeit verschiedene elektrische Antriebssysteme, die entweder mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom arbeiten. Ausgewählte Beispiele sind der Gleichstrom-Reihenschlussantrieb, der fremderregte Gleichstromantrieb, der Asynchronantrieb und der permanenterregte Synchronantrieb.

Als Antriebsaggregat ist bei den meisten heutzutage gebräuchlichen Elektromobilen ein so genannter Gleichstromnebenflussmotor eingebaut.