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Die Physik rund ums KFZ - Der Physikthread
Kaum ein anderer Alltagsgegenstand macht Physik und deren spannende Teilbereiche für den Alltagsbenutzer so greifbar, wie das Auto. Seien es die physikalischen Vorgänge der Thermodynamik, die im Verbrennungsmotor ihre Kraft entfalten, oder die newtonschen Gesetze die bestimmen, wie lange das Fahrzeug auf der Straße bleibt.
Besonders wenn unterschiedliche Baugruppen mit ihren Eigenschaften ineinandergreifen, muß man beim KfZ das Gesamtsystem betrachten und es kommt zu allerlei Interpretationen und Missverständnissen, die zu hitzigen Diskussionen führen und auch zur Schließung von anderen Threads, bei denen Physik nicht das Topic war.
Diesen Diskussionen/Fragen/Klarstellungen möchte ich hier einen Platz bieten. Egal ob Drehmoment vs. Leistung beim Motor, Beschleunigung eines Autos, Schaltstrategien, oder Vorgänge in der Kupplung. Hier ist Platz.
Daher, mit was legen wir los?
Noch kurz zu mir, ich bin selbst seit 20 Jahren Elektronikentwickler mit einem Hang zu Fahrzeugen und einem großen Interesse an Physik allgemein. In meiner beruflichen Tätigkeit habe ich gelernt, über die einzelne Komponente hinauszusehen und das gesamte System zu erfassen, was mich im Falle eines Autos schnell zur grundlegenden Physik bringt.
Grüße,
Zeph
Beste Antwort im Thema
Kaum ein anderer Alltagsgegenstand macht Physik und deren spannende Teilbereiche für den Alltagsbenutzer so greifbar, wie das Auto. Seien es die physikalischen Vorgänge der Thermodynamik, die im Verbrennungsmotor ihre Kraft entfalten, oder die newtonschen Gesetze die bestimmen, wie lange das Fahrzeug auf der Straße bleibt.
Besonders wenn unterschiedliche Baugruppen mit ihren Eigenschaften ineinandergreifen, muß man beim KfZ das Gesamtsystem betrachten und es kommt zu allerlei Interpretationen und Missverständnissen, die zu hitzigen Diskussionen führen und auch zur Schließung von anderen Threads, bei denen Physik nicht das Topic war.
Diesen Diskussionen/Fragen/Klarstellungen möchte ich hier einen Platz bieten. Egal ob Drehmoment vs. Leistung beim Motor, Beschleunigung eines Autos, Schaltstrategien, oder Vorgänge in der Kupplung. Hier ist Platz.
Daher, mit was legen wir los?
Noch kurz zu mir, ich bin selbst seit 20 Jahren Elektronikentwickler mit einem Hang zu Fahrzeugen und einem großen Interesse an Physik allgemein. In meiner beruflichen Tätigkeit habe ich gelernt, über die einzelne Komponente hinauszusehen und das gesamte System zu erfassen, was mich im Falle eines Autos schnell zur grundlegenden Physik bringt.
Grüße,
Zeph
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99 Antworten
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 27. Juli 2020 um 22:21:03 Uhr:
Die Einkuppelzeit ja, die Temperatur nein. Ich verwende das einfachste Modell, eine ideale Reibkupplung. Klar gibt es mit Sicherheit eine Abhängigkeit von der Belagstemperatur und anderen Dingen. Die kann ich aber nicht berücksichtigen, da ich sie nicht kenne und nichtmal abschätzen kann.
Grüße,
Zeph
...wenn man wichtige Werte nicht hat (z.B. Wärmekapazität der betroffenen Kupplungskomponenten, sowie die Kühlung der Kupplung) und andere Werte wie Einkuppelzeit, sowie den Drehmomentverlauf, den Beschleunigungsverlauf und die Drehzahldifferenz nur idealisiert annehmen kann, ist kaum Praxisrelevanz vorhanden.
@GaryK:
Zitat:
Manchmal kann man sich gar nicht so verschätzen wie man sich verrechnen kann....
bei dem Thema ist es m.E. tatsächlich so
Hallo,
vergesst bitte nicht das die Spitzenlast der Kupplung auch von der Traktion abhängt.
Also Reifen, Strassenbeschaffenheit und Dämpfung der Kraftübertragung.
Das ist nichtmal auf einem Teststand unbedingt vorgegeben.
... z.B. bergauf mit 4 Personen und Anhänger anfahren.
genau, oder auf einer Rampe mit einem 2000 Kg Boot auf dem Trailer anfahren (mit Vierradantrieb, also einem SUV)
Und dann würgt einem die Traktionskontrolle den Motor, ab weil man vergessen hat sie auszuschalten.
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 13:21:41 Uhr:
...wenn man wichtige Werte nicht hat (z.B. Wärmekapazität der betroffenen Kupplungskomponenten, sowie die Kühlung der Kupplung) und andere Werte wie Einkuppelzeit, sowie den Drehmomentverlauf, den Beschleunigungsverlauf und die Drehzahldifferenz nur idealisiert annehmen kann, ist kaum Praxisrelevanz vorhanden.
Darum ging es auch nicht. Es ging darum, wo sich die Spitzenleistung in der Kupplung bei einem moderaten Anfahren so bewegen kann. In einem anderen Thread kam jemand auf maximal 3100W, was wie man sieht deutlich zu wenig ist. Denn selbst mit dem idealen Modell, das Unregelmäßigkeiten (die in einer höheren Spitzenleistung resultieren) nicht berücksichtigt kommt man schon auf gut 16kW.
Jeder der sich mit dem Prinzip der Kupplung etwas beschäftigt, wird mir zustimmen, das die Kupplung (und sei es nur für einen Augenblick) durchaus die komplette Motorleistung wegheizt, ggf sogar noch mehr wenn man sehr schnell einkuppelt und sich zur Energie vom Motor noch die Energie des Schwungrades dazugesellt.
Wie ich schon geschrieben habe, ich bin Elektronikentwickler, das Aquivalent zum Anfahren in der Elektronik ist das Schalten eines Leistungstransistors. Statt Drehzahl gibt's die zu schaltende Spannung, statt Drehmoment der zu schaltende Strom. Und hier gibt es den Fall, das eine Endstufe mit etwa 100W Ausgangsleistung auf den Transistoren während des Schaltvorganges um die 2.5kW arbeiten, allerdings nur etwa 100ns (=Nanosekunden = 1/1.000.000.000 sec).
Grüße,
Zeph
Yep. Wobei Leistung eins ist, Energie was anderes. Siehe diverse Laser mit gigantischen Leistungen. IMPULS. Und die Energie geht halt schön in Cp x m x Delta T.
Ja der Zeitfaktor ist wichtig.
Ein Transistor könnte schon tot sein, eine Röhre nicht, bei einer Kupplung wird eine punktuelle Schädigung nicht zum Tot führen, also verhalten wie eine Röhre.
Ein Ansatz wie sich Analog- zu Digitaltechnik verhält?
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 28. Juli 2020 um 14:19:01 Uhr:
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 13:21:41 Uhr:
...wenn man wichtige Werte nicht hat (z.B. Wärmekapazität der betroffenen Kupplungskomponenten, sowie die Kühlung der Kupplung) und andere Werte wie Einkuppelzeit, sowie den Drehmomentverlauf, den Beschleunigungsverlauf und die Drehzahldifferenz nur idealisiert annehmen kann, ist kaum Praxisrelevanz vorhanden.
Darum ging es auch nicht. Es ging darum, wo sich die Spitzenleistung in der Kupplung bei einem moderaten Anfahren so bewegen kann. In einem anderen Thread kam jemand auf maximal 3100W, was wie man sieht deutlich zu wenig ist. Denn selbst mit dem idealen Modell, das Unregelmäßigkeiten (die in einer höheren Spitzenleistung resultieren) nicht berücksichtigt kommt man schon auf gut 16kW.
Jeder der sich mit dem Prinzip der Kupplung etwas beschäftigt, wird mir zustimmen, das die Kupplung (und sei es nur für einen Augenblick) durchaus die komplette Motorleistung wegheizt, ggf sogar noch mehr wenn man sehr schnell einkuppelt und sich zur Energie vom Motor noch die Energie des Schwungrades dazugesellt.
Wenn man das maximale Motordrehmoment bei Nenndrehzahl des Motors im Stand an das Getriebe weiter leiten kann, würde sehr kurzzeitig die maximale Motorleistung in Wärme umgewandelt.
Das wäre dann aber kein moderates Anfahren mehr.
Für diese grundsätzliche Erkenntnis braucht man keine Diagramme.
Was "moderates" Anfahren ist, ist nicht definiert, individuell verschieden und daher bringen irgendwelche Angaben zu dann auftretenden Spitzenleistungen nichts.
Was hat man von diesem Wissen, ohne eine Aussage zur thermischen Belastung einer Kupplung?
Auch bei einer thermisch auslösenden Sicherung in der Elektrik ist es so, dass die Zeit und damit die eingebrachte Wärmeenergie für deren Auslösung (analog zur thermischen Überlastung einer Kupplung) eine wichtige Rolle spielt.
Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Abfuhr (Weiterleitung)
der Energie z.B. an Öl oder Luft.
Keine Weiterleitung ergibt immer weitere Temperaturerhöhung.
Ob man dieses Problem in exakten Zahlen ausdrücken kann?
(Z.B. beim DQ200)
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 15:46:08 Uhr:
Wenn man das maximale Motordrehmoment bei Nenndrehzahl des Motors im Stand an das Getriebe weiter leiten kann, würde sehr kurzzeitig die maximale Motorleistung in Wärme umgewandelt.
Genauso ist es.
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 15:46:08 Uhr:
Das wäre dann aber kein moderates Anfahren mehr.
2000U/min mit 200Nm (von 340Nm), denke schon das dies noch moderates Anfahren ist. Geht ja nur darum mal Zahlen zu haben, die weitab von der Nennleistung ist.
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 15:46:08 Uhr:
Für diese grundsätzliche Erkenntnis braucht man keine Diagramme.
Natürlich, das Ganze ist trivial, wenn man sich mit der Materie ein wenig beschäftigt. Aber es gibt Diskutanten hier, denen helfen nichtmal die Diagramme...
Und genau dafür mache ich diese Dinger, es geht um die physikalischen Prinzipien die dahinter stecken und wie man sowas schnell und einfach abschätzen kann. Es geht nicht sofort die Wirklichkeit mit allen parasitären Effekten nachzubilden.
Grüße,
Zeph
Zitat:
@WQ33 schrieb am 28. Juli 2020 um 16:16:21 Uhr:
Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Abfuhr (Weiterleitung)
der Energie z. B. an Öl oder Luft.
Keine Weiterleitung ergibt immer weitere Temperaturerhöhung.
Ob dieses Problem in exakten Zahlen ausdrücken kann?
Zumindest bei der passiv Luft-gekühlten Variante einer Kupplung (normales Schaltgetriebe oder z.B. Trockenkupplungs-DSG) wird das sehr schwierig, zummal die Randbedingungen höchst veränderlich sind.
Wie wenig derartige Abschätzungen (vermutlich in Einheit mit zu wenigen relevanten Tests) bringen, kann man ja am VW DQ200 mit Trockenkupplung sehen.
Die ursprüngliche Aussage der Entwickler war, dass dieses Getriebe inkl. der Kupplungen für durchschnittlich 300tkm gut sein soll......
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 28. Juli 2020 um 16:35:44 Uhr:
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 15:46:08 Uhr:
Wenn man das maximale Motordrehmoment bei Nenndrehzahl des Motors im Stand an das Getriebe weiter leiten kann, würde sehr kurzzeitig die maximale Motorleistung in Wärme umgewandelt.
Genauso ist es.
Zitat:
@Zephyroth schrieb am 28. Juli 2020 um 16:35:44 Uhr:
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 15:46:08 Uhr:
Das wäre dann aber kein moderates Anfahren mehr.
2000U/min mit 200Nm (von 340Nm), denke schon das dies noch moderates Anfahren ist. Geht ja nur darum mal Zahlen zu haben, die weitab von der Nennleistung ist.
Mit einer Motorleistung von knapp 42kW an zu fahren, ist eher recht sportlich und definitiv nicht moderat.
Bei einem 2L-VW-Diesel würden 200Nm im 1. Gang rund 8400N Radzugkraft bedeuten und dann drehen beim Frontantriebsauto ganz leicht die Räder durch, so dass das Drehmoment im Anschluss sinkt und einige thermische Wirkung von der Kupplung auf die Reifen geht.
Beim Handschalter und beim DQ200 - mit stark eingeschränkter "Luftkühlung" -
kann man m.E. diesbezüglich so gut wie nichts berechnen.
Man muss "es" ausprobieren und testen.
(Z.B. Anzahl und Größe der Luftlöcher in der Kupplungsglocke)
Zitat:
@navec schrieb am 28. Juli 2020 um 16:36:58 Uhr:
Wie wenig derartige Abschätzungen (vermutlich in Einheit mit zu wenigen relevanten Tests) bringen, kann man ja am VW DQ200 mit Trockenkupplung sehen.
Die ursprüngliche Aussage der Entwickler war, dass dieses Getriebe inkl. der Kupplungen für durchschnittlich 300tkm gut sein soll......
Wobei die Trockenkupplung halt einen formalen Vorteil hat. Eine nasse Kupplung in "offen" hat immer eine Drehzahldifferenz zwischen den Scheiben und dazwischen ist Öl. Was hydrodynamische Reibungsverluste impliziert. Trocken fallen diese weg. Es lebe der Prüfzyklus, es zahle der Kunde. Yeah....
Zitat:
@WQ33 schrieb am 28. Juli 2020 um 16:16:21 Uhr:
Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Abfuhr (Weiterleitung)
der Energie z.B. an Öl oder Luft.
Für den ursprünglichen Wärme-Eintrag beim Anfahren kann man die Kühlung ziemlich sicher vernachlässigen. In "physikalischen" Worten: die Erhitzung der Kupplung erfolgt dabei weitestgehend adiabatisch.
Die Erhitzung der Kupplung passiert bei einem Vorgang, der den Namen "Anfahren" zu recht trägt, so schnell, dass die Kühlung erst anfangen kann zu wirken, wenn das Anfahren schon längst wieder vorbei ist. Die Hitze kann gar nicht so schnell von der Reib-Fläche auf die der Kühlung zugänglichen Oberflächen der Bauteile wandern, wie ein halbwegs geübter Fahrer anfährt.
Anders wird das, wenn man wie der berüchtigte "Kupplungs-Opa" die Kupplung über längere Zeit als Drehmoment-Wandler missbraucht (langes, stark schleifendes Anfahren bei nahezu Vollgas). Da kommt die Kühlung auf keinen Fall mehr hinterher (u.a. weil man das ja im Stand macht), und dann lernt man die Reaktion einer Kupplung auf zu viel Hitze eben auf die harte Tour.