FrankPat
02.10.2008, 18:58
"Leistung" und vor allem "Drehmoment" kommen immer wieder in den Beiträgen vor und vor allem das Drehmoment wird immer wieder als K.O.-Argument gebraucht. Vielleicht sollte man einmal diese Begriffe näher betrachten, was kann man daraus erkennen?
Um einen Fahrzeugantrieb ernsthaft bewerten zu können, sind sie aber zu wenig aussagefähig und man muss noch einiges mehr berücksichtigen. Worauf es dabei ankommt, möchte ich hier anschaulich beschreiben, also möglichst wenig Mathematik und Physik.
Zur Einstimmung:
Um ein Fahrzeug zu bewegen muss der Antrieb die Fahrwiderstände überwinden. Das sind Rollwiderstand, Luftwiderstand und Steigungswiderstand (der Beschleunigungswiderstand soll hier nicht interessieren). Sie wachsen mit Fahrgeschwindigkeit, Steigung und Gegenwind und hängen dann nur vom Fahrzeug (Gewicht, Abmessungen, Windschlüpfrigkeit, ...) ab, in einem exakten physikalischen Zusammenhang.
Ein guter Antrieb sollte daher diese Fahrwiderstände ohne zeitliche Unterbrechung (Schaltpause) im gesamten Geschwindigkeitsbereich möglichst genau abdecken.
(Bietet der Antrieb mehr Leistung als die momentanen Fahrwiderstände verlangen, kann der Überschuss zum Beschleunigen verwendet werden.)
Diese Forderung erfüllen alle, wirklich alle, unsere Automotoren leider überhaupt nicht. Sie haben nur einen geringen nutzbaren Drehzahlbereich und können nicht von selbst anlaufen. Sie benötigen daher eine Kupplung und ein Getriebe bei dem die Gänge gewechselt werden können. Sonst sind unsere Motoren in einem Fahrzeug nicht verwendungsfähig. Man muss also Motor, Kupplung und Wechselgetriebe immer als Einheit betrachten.
Millionen KFZ in aller Welt lassen vergessen, dass dieses Antriebskonzept vor über 100 Jahren aus der Not geboren wurde und seitdem nur im Detail (wie Synchrongetriebe, Getriebeautomatik, Turbo) sowie in Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessert wurde.
Aber z.B. die E-Motoren in der Bahn und auch die gute alte Dampflok können das hingegen recht gut. Täglich ziehen sie schwerste Züge über die Gebirge der Welt. Dazu benötigen sie weder Kupplung noch Wechselgetriebe.
Der Automotor:
Im Prospekt findet man 4 Angaben, die ihn recht gut kennzeichnen:
1. max. Leistung (kW oder PS)
2. Drehzahl bei dieser max. Leistung (U/min)
3. max. Drehmoment (Nm)
4. Drehzahl bei diesem max. Drehmoment (U/min)
Für den Fahrbetrieb von Bedeutung ist der Drehzahlbereich zwischen max. Leistung und max. Drehmoment. Dazu ein gewisser Bereich darunter, der ist recht klein beim Turbodiesel, größer bei Benzinmotoren.
Beispiel:
Diesel mit 100PS bei 4000U/min und 200Nm bei 2000U/min
Daraus kann man errechnen, dass er bei 4000U/min ein Drehmoment von 172Nm hat und bei 2000U/min eine Leistung von 57PS hat.
Die Kupplung:
Ihre Hauptaufgabe ist, das Anfahren zu ermöglichen. Dabei wird der Motor wird mit einer Drehzahl betrieben bei dem das abgegebene Drehmoment zum Anfahren ausreicht. Dann muss die Kupplung so lange schleifen, bis das Fahrzeug auf jene Geschwindigkeit gebracht wurde, die der vorgenannten Drehzahl entspricht. Eigentlich ein Gewaltakt, aber die modernen Kupplungen halten das aus.
Eine weitere Aufgabe der Kupplung ist die Krafttrennung beim Gangwechsel.
Das Getriebe:
Ein üblicher PKW hat einen nutzbaren Geschwindigkeitsbereich von 20-180(200) km/h. Das ist ein Verhältnis von 1:9 (1:10). Ein moderner Diesel hat einen nutzbaren Drehzahlbereich von 1:2 (2000-4000U/min) bis 1:3 (1500-4500U/min). Benziner sind da nicht grundlegend anders, nur die Drehzahlen liegen höher. Daher wird ein Wechselgetriebe eingebaut mit dem der nutzbare Drehzahlbereich des Motors wahlweise auf verschiedene Fahrgeschwindigkeitsbereiche gelegt werden kann. Da aber die Anzahl der Gänge nur begrenzt ist (heute 5-6) und sie auf den ganzen Geschwindigkeitsbereich aufgeteilt werden müssen, bleiben dazwischen Fahrgeschwindigkeiten, die nicht mit der Höchstleistung betrieben werden können. In unserem Beispiel nur 57PS statt 100PS.
Beim Gespann kommt dazu, dass die Getriebe auf die Höchstgeschwindigkeit des PKW ausgelegt sind, während ein Gespann deutlich langsamer gefahren wird. Geländefahrzeuge haben das gleiche Problem und daher oft ein Zusatzgetriebe, damit sie die Höchstleistung auch für den langsamen Geschwindigkeitsbereich zur Verfügung haben.
Wohnmobile sind da besser dran, da decken sich Auslegungsgeschwindigkeit und tatsächlicher Fahrbereich recht gut.
Automatikgetriebe mit hydraulischem Wandler passen sich besser an, auch haben sie keine Zugkraftunterbrechung (Schaltpause) zwischen den Gängen. Aber der hydraulische Wandler schluckt Leistung und das bedeutet Mehrverbrauch, wenn auch einen geringen. Dafür ist das Anfahren elegant.
Mit Abstand am besten wären natürlich stufenlose mechanische Getriebe (CVT). Diese werden bereits von einigen Firmen angeboten und haben statt Zahnrädern eine Gliederkette.
Das DSG-Getriebe im VW ist da ein recht guter Kompromiss.
Die Auswirkungen:
Trotz dieser Tatsachen fährt sich ein Solo-PKW damit recht gut, weil moderne PKW wesentlich mehr Leistung als nötig eingebaut haben. Damit kann die Unzulänglichkeit des Antriebes überspielt werden. Ein üblicher PKW benötigt bei 100km/h gerade mal 25PS in der Ebene, aber bei 100km/h und 5% Steigung schon 70PS.
Anders beim Gespannfahren und da womöglich noch am Berg, da wird öfters nahe am Vollgas gefahren. Gespannfahren ist ja für den Antrieb nichts anderes als dauerndes Bergauf. Ein übliches Gespann benötigt bei 100km/h um die 60PS in der Ebene, aber bei 100km/h und 5% Steigung schon 120PS.
Je schwerer ein Fahrzeug bzw. Gespann, desto mehr macht der Steigungswiderstand (und damit die Steigungsleistung) aus. Es muss ja das ganze Gewicht wie mit einem Kran gehoben werden. Bei unserem Gespann sind es bei nur 60km/h und 10% Steigung über 90PS.
Was bedeutet das in der Praxis?
Bei einem 5-Gang-Getriebe gibt es nur 5 Fahrgeschwindigkeiten bei denen der Motor seine max. Leistung abgeben kann. Bei jeder anderen Geschwindigkeit ist die abgebbare Leistung zum Teil empfindlich geringer. (siehe Beispiel)
Beim Beschleunigen am Berg spürt man das deutlich. Man zieht die 2. hoch mit 100PS und hat dann in der 3. nur mehr 57PS. Das kann dann zu wenig sein und man muss wieder in die 2. zurück. Oder umgekehrt, man fährt mit Vollgas am Berg und es wird steiler. Dann fällt die Drehzahl zurück, womöglich unter die Drehzahl des max. Drehmomentes. Schaltet man dann nicht sofort zurück, würgt man den Motor ab. Beim Zurückschalten kann es aber dazu kommen, dass man dann den Motor überdrehen würde. Man muss dann noch mehr mit dem Tempo zurück, damit der Motor dann im geringeren Gang eine vernünftige Drehzahl hat. Es gibt da also Geschwindigkeitsbereiche, in denen man nicht fahren kann.
Diese beschriebenen Auswirkungen kennt jeder Autofahrer und der Gespannfahrer ganz besonders.
Daher bemüht sich die Industrie „elastische“ und „bullige“ Motoren zu entwickeln, also mit möglichst hohem Drehmoment und großem Drehzahlbereich. Auch wird die Anzahl der Gänge erhöht (LKW haben bis zu 20 und mehr Gänge).
Die „Elastizität“:
Das ist eigentlich ein sehr schwammiger Begriff, aber mit folgender Formel lässt sich wirklichkeitsnahe ein Vergleichswert errechnen:
Elastizitätswert El=(M2:M1).(n1:n2)
M2...max. Drehmoment
M1...Drehmoment bei Drehzahl der max. Leistung (findet man nicht im Prospekt und muss aus den anderen Werten errechnet werden)
n1...Drehzahl der max. Leistung
n2...Drehzahl des max. Drehmomentes
Übliche Elastizitätswerte sind (Internetangaben von 50 Motoren in der 100-120PS-Klasse ausgewertet):
Turbo-Diesel 2,5 bis 3,4
Saug-Benziner 1,5 bis 2,7
Turbo-Benziner 2,7 bis 3,9
Diese Werte zeigen, was Turbo-Diesel-Fahrer schon lange wissen: der moderne Turbo-Diesel hat den heutigen Saug-Benziner an Elastizität überholt. In der Praxis wird der Saug-Benziner allerdings etwas besser sein als seine Werte vermuten lassen, da bei ihm das Drehmoment unterhalb von n2 weniger stark abfällt als beim Turbo-Diesel. (Anfahrschwäche des Turbo-Diesel)
Der Turbo-Benziner wäre noch besser, insbesondere der Kompressor von VW.ist aber in Anschaffung und Betrieb teurer. (und ob er für längere Fahrten nahe am Vollgas konstruiert ist?)
Eine ganz neue Entwicklung ist der Benziner mit Turbo und Kompressor von VW (TSI) mit einer Elastizität von enormen 4,6 bei 140PS und 4,7 bei 170PS (aus nur 1390ccm!)
Treibstoffverbrauch:
Da wird der Diesel immer besser sein. Er lässt sich wesentlich höher verdichten, und das bringt bessere Kraftstoffausnützung. Der Benziner liegt zusätzlich noch im Teillastbereich schlechter. Die Industrie arbeitet daran, ist aber durch den Kat (Lambda-Sonde) und die Abgasvorschriften (sie sind aber wichtig für die Umwelt) stark behindert.
Zusammenfassung:
Die heutigen Autoantriebe mit Handschaltgetriebe können nicht bei jeder Fahrgeschwindigkeit die Prospektleistung zur Verfügung stellen. Bei gewissen Geschwindigkeiten sinkt die tatsächlich abgegebene Leistung (trotz Vollgas) stark ab, im Beispiel bis fast auf die Hälfte. Das wirkt sich im Gespannbetrieb oder beim Wohnmobil sehr stark in den Fahrleistungen aus, denn da wird sehr viel nahe am Vollgasbereich gefahren.
Bei gegebener Prospektleistung sollte der Motor daher möglichst „elastisch“ sein und das Getriebe möglichst viele Gänge haben. Die interessanteste heute erhältliche Kombination wäre daher ein Turbo-Diesel mit 6-Gang-Getriebe. Benziner mit gleicher Prospektleistung müssten mit höheren Drehzahlen (Lautstärke, Verbrauch, ...) gefahren werden, öfter und genauer geschalten werden und wären trotzdem eher langsamer.
Stufenlose Automatikgetriebe (CVT) wären antriebsmäßig das Allerbeste und würden die ganze angeführte Problematik vergessen lassen. Sie werden aber erst von wenigen Firmen in wenigen Modellen angeboten.
Wir sehen also, "Drehmoment" und "Leistung" sind wirklich nur Schlagworte. Man muss Motor und Getriebe als Einheit betrachten. Nur dann kann man sich einen Eindruck von der Brauchbarkeit eines Antriebes verschaffen.
Gruß
Frank
Um einen Fahrzeugantrieb ernsthaft bewerten zu können, sind sie aber zu wenig aussagefähig und man muss noch einiges mehr berücksichtigen. Worauf es dabei ankommt, möchte ich hier anschaulich beschreiben, also möglichst wenig Mathematik und Physik.
Zur Einstimmung:
Um ein Fahrzeug zu bewegen muss der Antrieb die Fahrwiderstände überwinden. Das sind Rollwiderstand, Luftwiderstand und Steigungswiderstand (der Beschleunigungswiderstand soll hier nicht interessieren). Sie wachsen mit Fahrgeschwindigkeit, Steigung und Gegenwind und hängen dann nur vom Fahrzeug (Gewicht, Abmessungen, Windschlüpfrigkeit, ...) ab, in einem exakten physikalischen Zusammenhang.
Ein guter Antrieb sollte daher diese Fahrwiderstände ohne zeitliche Unterbrechung (Schaltpause) im gesamten Geschwindigkeitsbereich möglichst genau abdecken.
(Bietet der Antrieb mehr Leistung als die momentanen Fahrwiderstände verlangen, kann der Überschuss zum Beschleunigen verwendet werden.)
Diese Forderung erfüllen alle, wirklich alle, unsere Automotoren leider überhaupt nicht. Sie haben nur einen geringen nutzbaren Drehzahlbereich und können nicht von selbst anlaufen. Sie benötigen daher eine Kupplung und ein Getriebe bei dem die Gänge gewechselt werden können. Sonst sind unsere Motoren in einem Fahrzeug nicht verwendungsfähig. Man muss also Motor, Kupplung und Wechselgetriebe immer als Einheit betrachten.
Millionen KFZ in aller Welt lassen vergessen, dass dieses Antriebskonzept vor über 100 Jahren aus der Not geboren wurde und seitdem nur im Detail (wie Synchrongetriebe, Getriebeautomatik, Turbo) sowie in Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessert wurde.
Aber z.B. die E-Motoren in der Bahn und auch die gute alte Dampflok können das hingegen recht gut. Täglich ziehen sie schwerste Züge über die Gebirge der Welt. Dazu benötigen sie weder Kupplung noch Wechselgetriebe.
Der Automotor:
Im Prospekt findet man 4 Angaben, die ihn recht gut kennzeichnen:
1. max. Leistung (kW oder PS)
2. Drehzahl bei dieser max. Leistung (U/min)
3. max. Drehmoment (Nm)
4. Drehzahl bei diesem max. Drehmoment (U/min)
Für den Fahrbetrieb von Bedeutung ist der Drehzahlbereich zwischen max. Leistung und max. Drehmoment. Dazu ein gewisser Bereich darunter, der ist recht klein beim Turbodiesel, größer bei Benzinmotoren.
Beispiel:
Diesel mit 100PS bei 4000U/min und 200Nm bei 2000U/min
Daraus kann man errechnen, dass er bei 4000U/min ein Drehmoment von 172Nm hat und bei 2000U/min eine Leistung von 57PS hat.
Die Kupplung:
Ihre Hauptaufgabe ist, das Anfahren zu ermöglichen. Dabei wird der Motor wird mit einer Drehzahl betrieben bei dem das abgegebene Drehmoment zum Anfahren ausreicht. Dann muss die Kupplung so lange schleifen, bis das Fahrzeug auf jene Geschwindigkeit gebracht wurde, die der vorgenannten Drehzahl entspricht. Eigentlich ein Gewaltakt, aber die modernen Kupplungen halten das aus.
Eine weitere Aufgabe der Kupplung ist die Krafttrennung beim Gangwechsel.
Das Getriebe:
Ein üblicher PKW hat einen nutzbaren Geschwindigkeitsbereich von 20-180(200) km/h. Das ist ein Verhältnis von 1:9 (1:10). Ein moderner Diesel hat einen nutzbaren Drehzahlbereich von 1:2 (2000-4000U/min) bis 1:3 (1500-4500U/min). Benziner sind da nicht grundlegend anders, nur die Drehzahlen liegen höher. Daher wird ein Wechselgetriebe eingebaut mit dem der nutzbare Drehzahlbereich des Motors wahlweise auf verschiedene Fahrgeschwindigkeitsbereiche gelegt werden kann. Da aber die Anzahl der Gänge nur begrenzt ist (heute 5-6) und sie auf den ganzen Geschwindigkeitsbereich aufgeteilt werden müssen, bleiben dazwischen Fahrgeschwindigkeiten, die nicht mit der Höchstleistung betrieben werden können. In unserem Beispiel nur 57PS statt 100PS.
Beim Gespann kommt dazu, dass die Getriebe auf die Höchstgeschwindigkeit des PKW ausgelegt sind, während ein Gespann deutlich langsamer gefahren wird. Geländefahrzeuge haben das gleiche Problem und daher oft ein Zusatzgetriebe, damit sie die Höchstleistung auch für den langsamen Geschwindigkeitsbereich zur Verfügung haben.
Wohnmobile sind da besser dran, da decken sich Auslegungsgeschwindigkeit und tatsächlicher Fahrbereich recht gut.
Automatikgetriebe mit hydraulischem Wandler passen sich besser an, auch haben sie keine Zugkraftunterbrechung (Schaltpause) zwischen den Gängen. Aber der hydraulische Wandler schluckt Leistung und das bedeutet Mehrverbrauch, wenn auch einen geringen. Dafür ist das Anfahren elegant.
Mit Abstand am besten wären natürlich stufenlose mechanische Getriebe (CVT). Diese werden bereits von einigen Firmen angeboten und haben statt Zahnrädern eine Gliederkette.
Das DSG-Getriebe im VW ist da ein recht guter Kompromiss.
Die Auswirkungen:
Trotz dieser Tatsachen fährt sich ein Solo-PKW damit recht gut, weil moderne PKW wesentlich mehr Leistung als nötig eingebaut haben. Damit kann die Unzulänglichkeit des Antriebes überspielt werden. Ein üblicher PKW benötigt bei 100km/h gerade mal 25PS in der Ebene, aber bei 100km/h und 5% Steigung schon 70PS.
Anders beim Gespannfahren und da womöglich noch am Berg, da wird öfters nahe am Vollgas gefahren. Gespannfahren ist ja für den Antrieb nichts anderes als dauerndes Bergauf. Ein übliches Gespann benötigt bei 100km/h um die 60PS in der Ebene, aber bei 100km/h und 5% Steigung schon 120PS.
Je schwerer ein Fahrzeug bzw. Gespann, desto mehr macht der Steigungswiderstand (und damit die Steigungsleistung) aus. Es muss ja das ganze Gewicht wie mit einem Kran gehoben werden. Bei unserem Gespann sind es bei nur 60km/h und 10% Steigung über 90PS.
Was bedeutet das in der Praxis?
Bei einem 5-Gang-Getriebe gibt es nur 5 Fahrgeschwindigkeiten bei denen der Motor seine max. Leistung abgeben kann. Bei jeder anderen Geschwindigkeit ist die abgebbare Leistung zum Teil empfindlich geringer. (siehe Beispiel)
Beim Beschleunigen am Berg spürt man das deutlich. Man zieht die 2. hoch mit 100PS und hat dann in der 3. nur mehr 57PS. Das kann dann zu wenig sein und man muss wieder in die 2. zurück. Oder umgekehrt, man fährt mit Vollgas am Berg und es wird steiler. Dann fällt die Drehzahl zurück, womöglich unter die Drehzahl des max. Drehmomentes. Schaltet man dann nicht sofort zurück, würgt man den Motor ab. Beim Zurückschalten kann es aber dazu kommen, dass man dann den Motor überdrehen würde. Man muss dann noch mehr mit dem Tempo zurück, damit der Motor dann im geringeren Gang eine vernünftige Drehzahl hat. Es gibt da also Geschwindigkeitsbereiche, in denen man nicht fahren kann.
Diese beschriebenen Auswirkungen kennt jeder Autofahrer und der Gespannfahrer ganz besonders.
Daher bemüht sich die Industrie „elastische“ und „bullige“ Motoren zu entwickeln, also mit möglichst hohem Drehmoment und großem Drehzahlbereich. Auch wird die Anzahl der Gänge erhöht (LKW haben bis zu 20 und mehr Gänge).
Die „Elastizität“:
Das ist eigentlich ein sehr schwammiger Begriff, aber mit folgender Formel lässt sich wirklichkeitsnahe ein Vergleichswert errechnen:
Elastizitätswert El=(M2:M1).(n1:n2)
M2...max. Drehmoment
M1...Drehmoment bei Drehzahl der max. Leistung (findet man nicht im Prospekt und muss aus den anderen Werten errechnet werden)
n1...Drehzahl der max. Leistung
n2...Drehzahl des max. Drehmomentes
Übliche Elastizitätswerte sind (Internetangaben von 50 Motoren in der 100-120PS-Klasse ausgewertet):
Turbo-Diesel 2,5 bis 3,4
Saug-Benziner 1,5 bis 2,7
Turbo-Benziner 2,7 bis 3,9
Diese Werte zeigen, was Turbo-Diesel-Fahrer schon lange wissen: der moderne Turbo-Diesel hat den heutigen Saug-Benziner an Elastizität überholt. In der Praxis wird der Saug-Benziner allerdings etwas besser sein als seine Werte vermuten lassen, da bei ihm das Drehmoment unterhalb von n2 weniger stark abfällt als beim Turbo-Diesel. (Anfahrschwäche des Turbo-Diesel)
Der Turbo-Benziner wäre noch besser, insbesondere der Kompressor von VW.ist aber in Anschaffung und Betrieb teurer. (und ob er für längere Fahrten nahe am Vollgas konstruiert ist?)
Eine ganz neue Entwicklung ist der Benziner mit Turbo und Kompressor von VW (TSI) mit einer Elastizität von enormen 4,6 bei 140PS und 4,7 bei 170PS (aus nur 1390ccm!)
Treibstoffverbrauch:
Da wird der Diesel immer besser sein. Er lässt sich wesentlich höher verdichten, und das bringt bessere Kraftstoffausnützung. Der Benziner liegt zusätzlich noch im Teillastbereich schlechter. Die Industrie arbeitet daran, ist aber durch den Kat (Lambda-Sonde) und die Abgasvorschriften (sie sind aber wichtig für die Umwelt) stark behindert.
Zusammenfassung:
Die heutigen Autoantriebe mit Handschaltgetriebe können nicht bei jeder Fahrgeschwindigkeit die Prospektleistung zur Verfügung stellen. Bei gewissen Geschwindigkeiten sinkt die tatsächlich abgegebene Leistung (trotz Vollgas) stark ab, im Beispiel bis fast auf die Hälfte. Das wirkt sich im Gespannbetrieb oder beim Wohnmobil sehr stark in den Fahrleistungen aus, denn da wird sehr viel nahe am Vollgasbereich gefahren.
Bei gegebener Prospektleistung sollte der Motor daher möglichst „elastisch“ sein und das Getriebe möglichst viele Gänge haben. Die interessanteste heute erhältliche Kombination wäre daher ein Turbo-Diesel mit 6-Gang-Getriebe. Benziner mit gleicher Prospektleistung müssten mit höheren Drehzahlen (Lautstärke, Verbrauch, ...) gefahren werden, öfter und genauer geschalten werden und wären trotzdem eher langsamer.
Stufenlose Automatikgetriebe (CVT) wären antriebsmäßig das Allerbeste und würden die ganze angeführte Problematik vergessen lassen. Sie werden aber erst von wenigen Firmen in wenigen Modellen angeboten.
Wir sehen also, "Drehmoment" und "Leistung" sind wirklich nur Schlagworte. Man muss Motor und Getriebe als Einheit betrachten. Nur dann kann man sich einen Eindruck von der Brauchbarkeit eines Antriebes verschaffen.
Gruß
Frank